隨著以SiC和GaN為代表的寬禁帶半導(dǎo)體材料（即第三代半導(dǎo)體材料）設(shè)備、制造工藝與器件物理的迅速發(fā)展，SiC和GaN基的電力電子器件逐漸成為功率半導(dǎo)體器件的重要發(fā)展方向。第三代半導(dǎo)體功率器件以更高的擊穿電壓、更高的熱導(dǎo)率、更高的電子飽和漂移速率和更高的抗輻射能力開始在軍事、航空航天等領(lǐng)域嶄露頭角。據(jù)悉于2017年10月25日在上海IC CHINA和中國電子展期間舉辦的“第二屆電源半導(dǎo)體技術(shù)論壇”將重點(diǎn)探討這一熱點(diǎn)議題。
本文將從第三代半導(dǎo)體材料性能應(yīng)用、行業(yè)翹楚及市場并購、各國發(fā)展戰(zhàn)略以及中國力量與思考多個(gè)角度淺析第三代半導(dǎo)體功率器件市場。
l 第三代半導(dǎo)體性能及應(yīng)用
半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)發(fā)展至今經(jīng)歷了三個(gè)階段，第一代半導(dǎo)體材料以硅（Si）為代表。第二代半導(dǎo)體材料砷化鎵（GaAs）也已經(jīng)廣泛應(yīng)用。而以氮化鎵（GaN）和碳化硅（SiC）、氧化鋅（ZnO）等寬禁帶為代表的第三代半導(dǎo)體材料，相較前兩代產(chǎn)品，性能優(yōu)勢顯著并受到業(yè)內(nèi)的廣泛好評。第三代半導(dǎo)體具有高擊穿電場、高飽和電子速度、高熱導(dǎo)率、高電子密度、高遷移率等特點(diǎn)，因此也被業(yè)內(nèi)譽(yù)為固態(tài)光源、電力電子、微波射頻器件的“核芯”以及光電子和微電子等產(chǎn)業(yè)的“新發(fā)動(dòng)機(jī)”。發(fā)展較好的寬禁帶半導(dǎo)體主要是SiC和GaN，其中SiC的發(fā)展更早一些。SiC、GaN、Si以及GaAs的一些參數(shù)如下圖所示：
可見，SiC和GaN的禁帶寬度遠(yuǎn)大于Si和GaAs，相應(yīng)的本征載流子濃度小于Si和GaAs，寬禁帶半導(dǎo)體的最高工作溫度要高于第一、第二代半導(dǎo)體材料。擊穿場強(qiáng)和飽和熱導(dǎo)率也遠(yuǎn)大于Si和GaAs。以SiC為例，其具有寬的禁帶寬度、高的擊穿電場、高的熱導(dǎo)率、高的電子飽和速率及更高的抗輻射能力，非常適合于制作高溫、高頻、抗輻射及大功率器件。
產(chǎn)品被市場所接受，價(jià)格和性能是最主要的考慮因素。SiC的性能毋庸置疑，但成本還是比硅產(chǎn)品高，在相同特性、相同電壓、相同使用條件的情況下，大約會(huì)比硅產(chǎn)品貴5~6倍，因此，現(xiàn)階段只能從要求高性能、且對價(jià)格不是很敏感的應(yīng)用開始來取代硅產(chǎn)品，例如汽車、汽車充電樁、太陽能等。要取代硅制產(chǎn)品，SiC還是有很大的發(fā)展空間的。當(dāng)SiC的成本能降到硅的2~3倍的時(shí)候，應(yīng)該會(huì)形成很大的市場規(guī)模。到2020年，EV汽車大規(guī)模推出的時(shí)候，SiC市場會(huì)有爆發(fā)式的增長。
在應(yīng)用方面，根據(jù)第三代半導(dǎo)體的發(fā)展情況，其主要應(yīng)用為半導(dǎo)體照明、電力電子器件、激光器和探測器、以及其他4個(gè)領(lǐng)域，每個(gè)領(lǐng)域產(chǎn)業(yè)成熟度各不相同，如下圖所示。在前沿研究領(lǐng)域，寬禁帶半導(dǎo)體還處于實(shí)驗(yàn)室研發(fā)階段。
下面，我們重點(diǎn)關(guān)注一下其在功率管理方面的應(yīng)用情況。許多公司開始研發(fā)SiC MOSFET，領(lǐng)先企業(yè)包括包括英飛凌（Infineon）、科銳（Cree）旗下的Wolfspeed、羅姆（ROHM）、意法半導(dǎo)體（STMicroelctronics）、三菱和通用電氣等。與此相反，進(jìn)入GaN市場中的玩家較少，起步較晚。
SiC和GaN商業(yè)化功率器件發(fā)展歷程
SiC的電力電子器件市場在2016年正式形成，市場規(guī)模約在2.1億~2.4億美金之間。而據(jù)Yole最新預(yù)測，SiC市場規(guī)模在2021年將上漲到5.5億美金，這期間的復(fù)合年均增長率預(yù)計(jì)將達(dá)19%。目前，全球有超過30家公司在電力電子領(lǐng)域擁有SiC、GaN相關(guān)產(chǎn)品的生產(chǎn)、設(shè)計(jì)、制造和銷售能力。2016年SiC無論在襯底材料、器件還是在應(yīng)用方面，均有很大進(jìn)展，已經(jīng)開發(fā)出耐壓水平超過20KV的IGBT樣片。
消耗大量二極管的功率因素校正（PFC）電源市場，仍將是SiC功率半導(dǎo)體最主要的應(yīng)用。緊隨PFC電源市場之后的應(yīng)用領(lǐng)域是光伏逆變器。目前，許多光伏逆變器制造商將SiC二極管和MOSFET應(yīng)用于他們的產(chǎn)品之中。SiC二極管的應(yīng)用能夠?yàn)楣夥孀兤魈峁┲T多性能優(yōu)勢，包括提高效率、降低尺寸和重量等。此外，SiC二極管能在一定功率范圍內(nèi)降低系統(tǒng)成本。
SiC器件市場發(fā)展趨勢
l 行業(yè)翹楚及市場并購
根據(jù)Yole地統(tǒng)計(jì)，目前行業(yè)的龍頭，Infineon和Cree兩家公司，已經(jīng)占據(jù)了整個(gè)SiC市場份額68%。緊隨其后的便是ROHM和STMicroelctronics。
在SiC市場，Infineon 和 Cree一直是業(yè)界領(lǐng)先的企業(yè)
目前，這兩家公司都把目光放在如何實(shí)現(xiàn)將SiC器件集成到功率組件和轉(zhuǎn)換器上的工業(yè)化應(yīng)用問題，同時(shí)也能為這些SiC器件系統(tǒng)提供經(jīng)特別設(shè)計(jì)的封裝。Infineon公司已經(jīng)具備了開發(fā)用于SiC器件功率組件所需的技術(shù)基礎(chǔ)。
除了Infineon和Cree外，日本的ROHM也是在SiC功率器件研發(fā)方面有大投入的公司。
由于SiC功率器件可顯著減少功率轉(zhuǎn)換損耗，2010年，ROHM率先宣布量產(chǎn)SiC MOSFET產(chǎn)品，開始了這一產(chǎn)品的市場化進(jìn)程。與其他SiC廠商相比，ROHM的優(yōu)勢在于一條龍的生產(chǎn)體制。2009年，ROHM收購了SiCrystal公司，它是一家專門做SiC材料的德國企業(yè)，有了它提供材料，ROHM會(huì)在德國完成晶圓，然后在日本的福岡、京都做芯片的封裝和SiC模組，據(jù)悉，ROHM是全球唯一一家可以實(shí)現(xiàn)一條龍生產(chǎn)的SiC廠商。其產(chǎn)品電壓為650V和1200V，今后還會(huì)推出1700V甚至更高電壓的產(chǎn)品，主要針對鐵路、太陽能、風(fēng)能等應(yīng)用。
太陽能和風(fēng)能功率產(chǎn)品的最大區(qū)別在于，太陽能通常有1200V就可以了，而風(fēng)能必須要1700V，甚至3300V。家用車一般為650V，大巴需要1200V，高鐵則可能需要1700V或3300V以上。降低芯片尺寸；或是在同樣芯片尺寸的情況下，降低導(dǎo)通電阻，都是各巨頭的攻關(guān)方向。
2016年的半導(dǎo)體領(lǐng)域并購案中，直接涉及第三代半導(dǎo)體的有4項(xiàng)，涉及交易金額達(dá)100億美元。其中以Infineon收購Cree分拆的Wolfspeed對產(chǎn)業(yè)格局影響最大，如果能夠成功收購Wolfspeed的話，Infineon將在原有的基礎(chǔ)上進(jìn)一步壯大，會(huì)成為全球排名第一的SiC功率器件供應(yīng)商。但該項(xiàng)交易于2017年2月16日，因?yàn)槊绹鈬顿Y委員會(huì)（CFIUS）關(guān)注的國家安全問題而被迫中止。
資料來源：CASA整理
在模擬、特別是功率并購市場，Infineon一直扮演著急先鋒的角色。為擴(kuò)大功率半導(dǎo)體業(yè)務(wù)，該公司于2015年初，用大約30億美元收購了功率半導(dǎo)體元件和功率管理IC廠商——美國國際整流器（IR）公司，這是英飛凌公司史上最大規(guī)模的收購案。英飛凌多年以來一直是功率半導(dǎo)體行業(yè)規(guī)模最大的廠商，通過收購IR，其全球市場份額進(jìn)一步提升，達(dá)到20％。
2015年，Infineon還并購了韓國企業(yè)LS Power Semitech的股權(quán)，收購了專注于駕駛輔助系統(tǒng)的PCB制造商Schweizer Electronic and TTTech的股權(quán)，以及與松下就未來的GaN技術(shù)開展合作等戰(zhàn)略性收購和合作項(xiàng)目，其在模擬，特別是功率業(yè)務(wù)方面的拓展動(dòng)作頻頻。為什么會(huì)這樣呢？一方面是基于大的產(chǎn)業(yè)環(huán)境，這些年全球半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)增長乏力，甚至出現(xiàn)了負(fù)增長，廠商利潤率下降明顯，像英飛凌這樣有一定規(guī)模和實(shí)力的廠商則面向具有巨大增長潛力的物聯(lián)網(wǎng)、車聯(lián)網(wǎng)、5G等市場，基于自身的技術(shù)優(yōu)勢，尋求資產(chǎn)的優(yōu)化整合，以豐富、加強(qiáng)自身的產(chǎn)品線，擴(kuò)大產(chǎn)品組合，增強(qiáng)企業(yè)的抗風(fēng)險(xiǎn)能力，通過合并推動(dòng)營收增長，贏得更多的市場份額。另一方面，頻繁并購也是基于企業(yè)充足的現(xiàn)金儲(chǔ)備，英飛凌2015年的財(cái)報(bào)表現(xiàn)優(yōu)異，收入達(dá)到58億歐元，同比增長34％。其4大業(yè)務(wù)部門（汽車電子、電源管理及多元化市場、工業(yè)功率控制、智能卡與安全）均有不俗表現(xiàn)，基于此，英飛凌曾經(jīng)表示，會(huì)將并購行動(dòng)當(dāng)作企業(yè)未來發(fā)展和強(qiáng)化自身實(shí)力的重要策略。
縱觀近幾年中國半導(dǎo)體的發(fā)展，借助產(chǎn)業(yè)扶持基金進(jìn)行海外收購已經(jīng)成為提升我國產(chǎn)業(yè)實(shí)力的有力武器。但考慮到第三代半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)的資金和技術(shù)雙密集屬性，特別是SiC和GaN材料和芯片大量應(yīng)用于軍事領(lǐng)域，海外收購第三代半導(dǎo)體相關(guān)技術(shù)和公司將會(huì)越來越困難。美國政府以“國家安全”為由阻止金沙江收購Lumiled、宏芯投資基金收購德國Aixtron就是其佐證。仙童半導(dǎo)體于2015年12月拒絕了中國投資財(cái)團(tuán)第一次提出的收購方案，但隨后于2016年1月5日宣布，將考慮華潤微電子與華創(chuàng)投資的修訂方案。在新方案中，中國資本愿以每股21.70美元的現(xiàn)金收購仙童，這一價(jià)格遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于安森美提出的每股20美元。遺憾的是，由于美國政府對中國企業(yè)并購的限制，中國人的高價(jià)橄欖枝并沒有獲得通行證，仙童在拒絕了英飛凌，ST之后，還是選擇了同在美國的安森美，讓后者躍居功率半導(dǎo)體二當(dāng)家！
l 各國的SiC戰(zhàn)略
第三代半導(dǎo)體材料引發(fā)全球矚目，并成為半導(dǎo)體技術(shù)研究前沿和產(chǎn)業(yè)競爭焦點(diǎn)，美、日、歐等國都在積極進(jìn)行戰(zhàn)略部署。作為電力電子器件，SiC器件在低壓領(lǐng)域如高端的白色家電、電動(dòng)汽車等由于成本因素，逐漸失去了競爭力。但在高壓領(lǐng)域，如高速列車、風(fēng)力發(fā)電以及智能電網(wǎng)等，SiC具有不可替代性的優(yōu)勢。
SiC材料與電力電子器件的發(fā)展 （數(shù)據(jù)來源：賽迪智庫整理）
美國等發(fā)達(dá)國家為了搶占第三代半導(dǎo)體技術(shù)的戰(zhàn)略制高點(diǎn)，通過國家級創(chuàng)新中心、協(xié)同創(chuàng)新中心、聯(lián)合研發(fā)等形式，將企業(yè)、高校、研究機(jī)構(gòu)及相關(guān)政府部門等有機(jī)地聯(lián)合在一起，實(shí)現(xiàn)第三代半導(dǎo)體技術(shù)的加速進(jìn)步，引領(lǐng)、加速并搶占全球第三代半導(dǎo)體市場。例如，美國國家宇航局（NASA）、國防部先進(jìn)研究計(jì)劃署（DARPA）等機(jī)構(gòu)通過研發(fā)資助、購買訂單等方式，開展SiC、GaN研發(fā)、生產(chǎn)與器件研制；韓國方面，在政府相關(guān)機(jī)構(gòu)主導(dǎo)下，重點(diǎn)圍繞高純SiC粉末制備、高純SiC多晶陶瓷、高質(zhì)量SiC單晶生長、高質(zhì)量SiC外延材料生長這4個(gè)方面，開展研發(fā)項(xiàng)目。在功率器件方面，韓國還啟動(dòng)了功率電子的國家項(xiàng)目，重點(diǎn)圍繞Si基GaN和SiC。
美國等發(fā)達(dá)國家2016年第三代半導(dǎo)體材料相關(guān)部分政策措施如下圖所示：
資料來源：CASA整理
l 中國的力量與思考
我國開展SiC、GaN材料和器件方面的研究工作比較晚，水平較低，阻礙國內(nèi)第三代半導(dǎo)體研究進(jìn)展的重要因素是原始創(chuàng)新問題。國內(nèi)新材料領(lǐng)域的科研院所和相關(guān)生產(chǎn)企業(yè)大都急功近利，難以容忍長期“只投入，不產(chǎn)出”的現(xiàn)狀。因此，以第三代半導(dǎo)體材料為代表的新材料原始創(chuàng)新舉步維艱。
但與此同時(shí)政府也在積極推進(jìn)，國家和各地方政府陸續(xù)推出政策和產(chǎn)業(yè)扶持基金發(fā)展第三代半導(dǎo)體相關(guān)產(chǎn)業(yè)：地方政策在2016年大量出臺(tái)，福建、廣東、江蘇、北京、青海等27個(gè)地區(qū)出臺(tái)第三代半導(dǎo)體相關(guān)政策（不包括LED）近30條。一方面多地均將第三代半導(dǎo)體寫入“十三五”相關(guān)規(guī)劃，另一方面不少地方政府有針對性對當(dāng)?shù)鼐哂幸欢▋?yōu)勢的SiC和GaN材料企業(yè)進(jìn)行扶持。福建省更是計(jì)劃投入500億，成立專門的安芯基金來建設(shè)第三代半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)集群。
我國多家半導(dǎo)體廠商也在積極布局SiC和GaN器件，華潤華晶微電子和華虹宏力就是其中的代表企業(yè)。曾經(jīng)距離收購仙童半導(dǎo)體那么近，可以看出華潤微電子在布局先進(jìn)功率器件方面的決心和力度。華潤華晶微電子是華潤微電子旗下從事半導(dǎo)體分立器件的國家高新技術(shù)企業(yè)，在國內(nèi)，其功率器件的規(guī)模和品牌具有一定優(yōu)勢。華虹宏力則是業(yè)內(nèi)首個(gè)擁有深溝槽超級結(jié)（Deep Trench Super Junction，DT-SJ）及場截止型IGBT（Field Stop，F(xiàn)S IGBT）工藝平臺(tái)的200mm代工廠。中國企業(yè)已經(jīng)具備一定規(guī)模。
從分析中不難看出：
縱觀全球功率器件市場，機(jī)遇與挑戰(zhàn)并存。全球SiC產(chǎn)業(yè)格局呈現(xiàn)美國、歐洲、日本三足鼎立態(tài)勢。其中美國全球獨(dú)大，占有全球SiC產(chǎn)量的70%~80%；歐洲擁有完整的SiC襯底、外延、器件以及應(yīng)用產(chǎn)業(yè)鏈，在全球電力電子市場擁有強(qiáng)大的話語權(quán)；日本是設(shè)備和模塊開發(fā)方面的絕對領(lǐng)先者。我國由于在LED方面已經(jīng)接近國際先進(jìn)水平，為第三代半導(dǎo)體在其它方面的技術(shù)研發(fā)和產(chǎn)業(yè)應(yīng)用打下了一定的基礎(chǔ)。
對比美歐日等發(fā)達(dá)國家，中國可以在以下幾個(gè)方面做出更大努力：
1．集中優(yōu)勢資源扶持龍頭企業(yè)和研究機(jī)構(gòu)。在我國SiC領(lǐng)域本身就不具備優(yōu)勢的情況下，國家和地方的投資基金卻又很分散的投入到很多企業(yè)里面去，大大分散本來就不足的研發(fā)投入，難以形成規(guī)模效應(yīng)。
2．公共研發(fā)平臺(tái)的參與。第三代半導(dǎo)體涉及多個(gè)學(xué)科、跨領(lǐng)域的技術(shù)和應(yīng)用。很多基礎(chǔ)性研發(fā)不是企業(yè)能夠解決的。國內(nèi)的研究院所大多按照領(lǐng)域劃分，也很難形成跨領(lǐng)域、多學(xué)科合作?？梢砸試翼?xiàng)目形式組織多個(gè)研究院所共同攻克基礎(chǔ)技術(shù)。
3．產(chǎn)業(yè)規(guī)劃先行。借助行業(yè)協(xié)會(huì)的力量，先行規(guī)劃產(chǎn)業(yè)發(fā)展線路，在標(biāo)準(zhǔn)、檢測、認(rèn)證等方面內(nèi)容。是產(chǎn)業(yè)發(fā)展更趨合理性和指導(dǎo)性。解決現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)、檢測、認(rèn)證等規(guī)則、程序和新材料產(chǎn)業(yè)發(fā)展特點(diǎn)不匹配之處。
中國在第三代半導(dǎo)體材料方面要彎道超車還是受制于人？這是廣大從業(yè)者最關(guān)注的問題。高技術(shù)產(chǎn)業(yè)的振興需要我們腳踏實(shí)地地去努力，去奮斗。
第九十屆中國電子展 / IC CHINA 2017
第二屆（上海）電源半導(dǎo)體技術(shù)論壇
看到這里您是否還想進(jìn)一步了解功率器件的技術(shù)及行業(yè)發(fā)展？在2017年10月25日，第九十屆中國電子展（CEF）及同期的第十五屆中國國際半導(dǎo)體博覽會(huì)（IC CHINA 2017）將推出半導(dǎo)體展區(qū)！包括展訊、中芯國際、華潤微電子、華虹宏力、京瓷、昂寶等多家企業(yè)參展。同期將舉辦第二屆（上海）電源半導(dǎo)體技術(shù)論壇！
本屆論壇以SiC、IGBT為核心議題，邀請了Infineon、ROHM、Vicor、華虹等多家業(yè)內(nèi)核心企業(yè)專家，共同探討第三代半導(dǎo)體功率器件、電源集成化的成熟技術(shù)及行業(yè)發(fā)展。歡迎廣大工程師和電子愛好者報(bào)名參加。
時(shí)間：2017年10月25日 13：00
地點(diǎn)：上海市新國際博覽中心（花木路）四號(hào)館
論壇官網(wǎng)： http://shanghai.icef.com.cn/news1659.html%20
報(bào)名鏈接： http://www.zhihuihuiwu.com/event/sign/4186
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