全球半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)終結(jié)連續(xù)高增長(zhǎng)，進(jìn)入調(diào)整周期。與此形成對(duì)比，在新能源汽車(chē)、光伏、儲(chǔ)能等需求帶動(dòng)下，第三代半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)保持高速發(fā)展。

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，以砷化鎵（GaAs）為代表的第二代半導(dǎo)體材料和以氮化鎵（GaN）、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，第三代半導(dǎo)體最大的優(yōu)點(diǎn)在于能夠適應(yīng)高壓，高頻和高溫的極端環(huán)境，性能大幅提升。

北京第三代半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)技術(shù)創(chuàng)新戰(zhàn)略聯(lián)盟發(fā)布的第三代半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)發(fā)展白皮書(shū)顯示，總體來(lái)看，我國(guó)第三代半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)已進(jìn)入成長(zhǎng)期，技術(shù)穩(wěn)步提升，產(chǎn)能不斷釋放，國(guó)產(chǎn)碳化硅（SiC）器件及模塊開(kāi)始“上機(jī)”，生態(tài)體系逐漸完善，自主可控能力不斷增強(qiáng)，整體競(jìng)爭(zhēng)實(shí)力日益提升。
2022年全球碳化硅、氮化鎵功率半導(dǎo)體市場(chǎng)約23.7億美元，GaN微波射頻市場(chǎng)約為12.4億美元。數(shù)據(jù)顯示，2022年我國(guó)第三代半導(dǎo)體功率電子和微波射頻兩個(gè)領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)總產(chǎn)值141.7億元，較2021年增長(zhǎng)11.7%，產(chǎn)能不斷釋放。其中，SiC產(chǎn)能增長(zhǎng)翻番，GaN產(chǎn)能增長(zhǎng)超30%；新增投資擴(kuò)產(chǎn)計(jì)劃較2021年同比增長(zhǎng)36.7%；資本市場(chǎng)活躍，并購(gòu)金額超45億元，66家企業(yè)融資超64億元。
《白皮書(shū)》預(yù)計(jì)，2023年將是第三代半導(dǎo)體大放異彩的一年，市場(chǎng)將見(jiàn)證一個(gè)“技術(shù)快速進(jìn)步、產(chǎn)業(yè)快速增長(zhǎng)、格局大洗牌”的“戰(zhàn)國(guó)時(shí)代”。
“未來(lái)，我國(guó)第三代半導(dǎo)體企業(yè)將面臨內(nèi)外部的激烈競(jìng)爭(zhēng)?！薄栋灼?shū)》認(rèn)為，國(guó)際半導(dǎo)體企業(yè)急速擴(kuò)張，力圖迅速搶占市場(chǎng)，全球供應(yīng)鏈格局正逐步成型，國(guó)際龍頭企業(yè)“卡位戰(zhàn)”即將結(jié)束。而國(guó)內(nèi)企業(yè)技術(shù)和產(chǎn)業(yè)化水平依然落后，產(chǎn)線(xiàn)平臺(tái)剛剛搭建，核心器件尚未進(jìn)入汽車(chē)、手機(jī)等龍頭企業(yè)供應(yīng)鏈，整體國(guó)產(chǎn)化率偏低。

SiC產(chǎn)業(yè)鏈
SiC的產(chǎn)業(yè)鏈主要由單晶襯底、外延、器件、制造和封測(cè)等環(huán)節(jié)構(gòu)成。1）在這些環(huán)節(jié)中，SiC襯底是發(fā)展SiC的關(guān)鍵。
襯底是將高純度多晶SiC粉末經(jīng)過(guò)升華、晶體生長(zhǎng)、切割、研磨、清洗等過(guò)程制造而成的晶圓，為薄片形態(tài)。為使材料能滿(mǎn)足不同芯片的功能要求，需要制備電學(xué)性能不同的SiC襯底，主要是兩種：低電阻率的導(dǎo)電型SiC襯底，和高電阻率的半絕緣型SiC襯底。
襯底和器件是兩個(gè)技術(shù)門(mén)檻高的環(huán)節(jié)，與國(guó)外差距明顯；位錯(cuò)國(guó)外可以達(dá)到1000/c㎡，國(guó)內(nèi)目前是5000/c㎡，技術(shù)差距大約有5-8年時(shí)間差距；國(guó)外MOSFET已經(jīng)大批量出貨了，國(guó)內(nèi)目前還是在二極管領(lǐng)域。世界主流尺寸是6英寸，但目前國(guó)內(nèi)主流還是在4英寸，而且國(guó)外Cree已經(jīng)研制出8英寸。
2）但襯底是不能直接拿來(lái)制造大功率和高壓高頻器件，而必須在單晶襯底上額外沉積一層高質(zhì)量的外延材料，并在外延層上制造各類(lèi)器件。在拋光晶圓上采用真空蒸發(fā)的方式形成幾微米厚度的新的碳化硅單晶層，這就是外延片。幾乎所有SiC功率器件的制備均是基于高質(zhì)量SiC外延片，外延技術(shù)對(duì)于碳化硅器件性能的充分發(fā)揮具有決定性的作用。
但就技術(shù)門(mén)檻而言，碳化硅領(lǐng)域技術(shù)瓶頸較低的就是外延，目前外延有商用商業(yè)化設(shè)備的主要有兩家國(guó)外企業(yè)，一家是意大利的LPE，另一家是德國(guó)的Aixtron，他們?cè)阡N(xiāo)售設(shè)備的時(shí)候也會(huì)附帶工藝，大約1000萬(wàn)左右就能買(mǎi)一臺(tái)設(shè)備就可以做出合格的外延產(chǎn)品，后續(xù)的研發(fā)主要體現(xiàn)在讓厚度更厚，性能更好以及在保證品質(zhì)的情況下降成本。因?yàn)槠骷幸r底成本大約占到50%，外延成本在20-25%，所以外延工藝控制好，成本可以降低很多。3）在導(dǎo)電型SiC襯底上生長(zhǎng)SiC外延層制得的SiC外延片，可進(jìn)一步制成功率器件，功率器件是電力電子行業(yè)的重要基礎(chǔ)元器件之一，廣泛應(yīng)用電力設(shè)備的電能轉(zhuǎn)化和電路控制等領(lǐng)域。
在半絕緣型SiC襯底上生長(zhǎng)氮化鎵外延層制得的SiC基氮化鎵（GaN-on-SiC）外延片，可進(jìn)一步制成微波射頻器件，微波射頻器件是實(shí)現(xiàn)信號(hào)發(fā)送和接收的基礎(chǔ)部件，是無(wú)線(xiàn)通訊的核心，主要包括射頻開(kāi)關(guān)、LNA、功率放大器、濾波器等器件。
器件的難度體現(xiàn)在工藝步驟很多，比如1個(gè)二極管大約幾十步工藝，1個(gè)MOSFET大約上百步工藝；以及一些核心高溫工藝，如高溫柵氧高溫注入等，另一方面前期需要大規(guī)模投資，襯底一條產(chǎn)線(xiàn)可能幾億，器件至少在10億人民幣以上。
4）接下來(lái)的流程就跟硅基半導(dǎo)體類(lèi)似，進(jìn)行制造、封測(cè)到最終出來(lái)各種各樣的SiC器件。
封裝環(huán)節(jié)的核心矛盾在于，碳化硅材料的主要特性是高溫高頻，但目前封裝還是照搬硅封裝，所以高溫高頻性能并不能得到有效發(fā)揮，但這部分國(guó)內(nèi)外都還沒(méi)有突破，國(guó)內(nèi)斯達(dá)半導(dǎo)體在做硅封裝模塊比較優(yōu)秀，目前在碳化硅方面也有布局。
碳化硅在半導(dǎo)體芯片中的主要形式為襯底。半導(dǎo)體芯片分為集成電路和分立器件，但不論是集成電路還是分立器件，其基本結(jié)構(gòu)都可劃分為“襯底-外延-器件”結(jié)構(gòu)。

SiC是高功率器件理想材料
硅是半導(dǎo)體行業(yè)第一代基礎(chǔ)材料，目前全球95%以上的集成電路元器件是以硅為襯底制造的。目前，隨著電動(dòng)汽車(chē)、5G等應(yīng)用的發(fā)展，高功率、耐高壓、高頻率器件需求快速增長(zhǎng)。
當(dāng)電壓大于900V，要實(shí)現(xiàn)更大功率時(shí)，硅基功率MOSFET和IGBT就暴露出短板，其在轉(zhuǎn)換效率，開(kāi)關(guān)頻率，工作溫度等多方面都將受限。而碳化硅材料由于具有禁帶寬度大(Si的3倍)、熱導(dǎo)率高(Si的3.3倍或GaAs的10倍)、電子飽和遷移速率高(Si的2.5倍)和擊穿電場(chǎng)高(Si的10倍或GaAs的5倍)等性質(zhì)，SiC器件在高溫、高壓、高頻、大功率電子器件領(lǐng)域和航天、軍工、核能等極端環(huán)境應(yīng)用領(lǐng)域有著不可替代的優(yōu)勢(shì)，彌補(bǔ)了傳統(tǒng)半導(dǎo)體材料器件在實(shí)際應(yīng)用中的缺陷，正逐漸成為功率半導(dǎo)體的主流。
先進(jìn)半導(dǎo)體材料已上升至國(guó)家戰(zhàn)略層面
2025年目標(biāo)滲透率超過(guò)50%。底層材料與技術(shù)是半導(dǎo)體發(fā)展的基礎(chǔ)科學(xué)，在2025中國(guó)制造中，分別對(duì)第三代半導(dǎo)體單晶襯底、光電子器件/模塊、電力電子器件/模塊、射頻器件/模塊等細(xì)分領(lǐng)域做出了目標(biāo)規(guī)劃。在任務(wù)目標(biāo)中提到2025實(shí)現(xiàn)在5G通信、高效能源管理中的國(guó)產(chǎn)化率達(dá)到50%；在新能源汽車(chē)、消費(fèi)電子中實(shí)現(xiàn)規(guī)模應(yīng)用，在通用照明市場(chǎng)滲透率達(dá)到80%以上。
其他國(guó)家如，美、日、歐等國(guó)都在積極進(jìn)行第三代半導(dǎo)體材料的戰(zhàn)略部署，其中的重點(diǎn)是SiC。作為電力電子器件，SiC在低壓領(lǐng)域如高端的白色家電、電動(dòng)汽車(chē)等由于成本因素，逐漸失去了競(jìng)爭(zhēng)力。但在高壓領(lǐng)域，如高速列車(chē)、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(shì)。
美國(guó)等發(fā)達(dá)國(guó)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(guò)國(guó)家級(jí)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(mén)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(chǎng)。
例如，美國(guó)國(guó)家宇航局（NASA）、國(guó)防部先進(jìn)研究計(jì)劃署（DARPA）等機(jī)構(gòu)通過(guò)研發(fā)資助、購(gòu)買(mǎi)訂單等方式，開(kāi)展SiC、GaN研發(fā)、生產(chǎn)與器件研制；韓國(guó)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(zhǎng)、高質(zhì)量SiC外延材料生長(zhǎng)這4個(gè)方面，開(kāi)展研發(fā)項(xiàng)目。在功率器件方面，韓國(guó)還啟動(dòng)了功率電子的國(guó)家項(xiàng)目，重點(diǎn)圍繞Si基GaN和SiC。
行業(yè)競(jìng)爭(zhēng)格局
從產(chǎn)業(yè)格局看，目前全球SiC產(chǎn)業(yè)格局呈現(xiàn)美國(guó)、歐洲、日本三足鼎立態(tài)勢(shì)。其中美國(guó)全球獨(dú)大，占有全球SiC產(chǎn)量的70%~80%，碳化硅晶圓市場(chǎng)CREE一家市占率高達(dá)6成之多；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(chǎng)擁有強(qiáng)大的話(huà)語(yǔ)權(quán)；日本是設(shè)備和模塊開(kāi)發(fā)方面的絕對(duì)領(lǐng)先者。領(lǐng)先企業(yè)包括美國(guó)科銳（Cree）旗下的Wolfspeed、德國(guó)的SiCrystal、日本的羅姆（ROHM）、新日鐵等。
國(guó)內(nèi)目前已實(shí)現(xiàn)4英寸襯底的量產(chǎn)；同時(shí)山東天岳、天科合達(dá)、河北同光、中科節(jié)能均已完成6英寸襯底的研發(fā)；中電科裝備已成功研制出6英寸半絕緣襯底。

盡管全球碳化硅器件市場(chǎng)已經(jīng)初具規(guī)模，但是碳化硅功率器件領(lǐng)域仍然存在一些諸多共性問(wèn)題亟待突破，比如碳化硅單晶和外延材料價(jià)格居高不下、材料缺陷問(wèn)題仍未完全解決、碳化硅器件制造工藝難度較高、高壓碳化硅器件工藝不成熟、器件封裝不能滿(mǎn)足高頻高溫應(yīng)用需求等，全球碳化硅技術(shù)和產(chǎn)業(yè)距離成熟尚有一定的差距，在一定程度上制約了碳化硅器件市場(chǎng)擴(kuò)大的步伐。