以第三代半導體材料為基礎的新興技術正迅速崛起，其技術及應用的突破成為全球半導體產業(yè)新的戰(zhàn)略高地。以碳化硅、氮化鎵寬禁帶化合物為代表的第三代半導體材料憑借其高頻、高效、高功率、耐高壓、耐高溫、抗輻射能力強等優(yōu)越性能，展現(xiàn)巨大的市場前景，正成為全球半導體市場爭奪的焦點，國內外第三代半導體技術、產品、市場、投資均呈現(xiàn)較高增長態(tài)勢。

安世半導體全球研發(fā)副總裁、I&M事業(yè)部總經理Jayson Jiang
 

2021年12月，在由第三代半導體產業(yè)技術創(chuàng)新戰(zhàn)略聯(lián)盟、中關村半導體照明工程研發(fā)及產業(yè)聯(lián)盟主辦的“2021第三代半導體創(chuàng)新發(fā)展峰會”上，高效功率氮化鎵（GaN）和碳化硅（SiC）供應商安世半導體全球研發(fā)副總裁、I&M事業(yè)部總經理Jayson Jiang，帶來了“國際第三代半導體發(fā)展現(xiàn)狀及趨勢”的主題報告，詳細分享了當前國際第三代半導體市場與技術的最新發(fā)展態(tài)勢與展望。

 

 

當前，國內第三代半導體產業(yè)發(fā)展面臨復雜的內外部環(huán)境，過去一兩年中，伴隨著新冠疫情蔓延，世界經濟衰退，中美貿易戰(zhàn)導致逆全球化產生，國際上第三代半導體企業(yè)紛紛進行產能擴張，建立技術壁壘。不過，隨著新能源汽車、 5G等產品市場爆發(fā)，下游企業(yè)考量供應鏈安全、國家政策支持和資本市場活躍也為第三代半導體發(fā)展提供了很好的機遇。

 

從全球來看，2020年底SiC與GaN市場規(guī)模已達8.5億美元，2029年將達51億美元，其中SiC占據超過70%份額。應用領域層面，新能源汽車需求持續(xù)增長，至2029年市場規(guī)模將超21億美元，占比大于40%。

 

國際企業(yè)大力完善產業(yè)布局，強化競爭優(yōu)勢以搶奪日漸增長的市場份額。其中，Wolfspeed出售LED照明業(yè)務，專注SiC電力電子和GaN射頻；收了Infineon的射頻（RF）功率業(yè)務，鞏固射頻市場優(yōu)勢地位；在北卡羅來納州總部建設超級材料工廠（8英寸SiC襯底），在紐約州建設8英寸SiC電力電子和GaN射頻產線。2024年前，共投資10億美元，產能擴充30倍。

 

ROHM于2009年收購SiCrystal，延伸至上游SiC襯底；2018年在筑后工廠新建6英寸SiC晶圓產線，2020年投產，產能約15萬片/年；2024財年前將進行約600億日元投資，產能擴充16倍，預計2025年在SiC功率半導體市場將能獲得30%左右的市場份額。其它跨國公司包括ST、Infineon等都在進行收并購、產業(yè)鏈上下游整合等一系列舉措，安世半導體也通過收購英國晶圓廠Newport Wafer Fab提升了在第三代半導體產品領域的IDM能力，2022年安世半導體的SiC、GaN等產品都將逐步量產。

 

 

跨國企業(yè)紛紛加快布局，持續(xù)提升技術水平。SiC襯底和外延方面，部分器件企業(yè)選擇延伸切入該領域，以增強整體服務能力，安世半導體漢堡晶圓廠已部署Aixtron MOCVD設備，采用G5 WWC技術進行SiC外延批量生產。技術進展方面，8英寸是未來發(fā)展方向。6英寸SiC襯底產品實現(xiàn)商用化，幾大主流廠商均推出8英寸襯底樣品，微管密度達到0.6cm-2，預計5年內8英寸將全面商用。SiC外延6英寸產品實現(xiàn)商用化，已經研制出8英寸產品，可滿足中低壓、高壓、超高壓功率器件制備要求。

 

SiC器件方面，SiC二極管的挑戰(zhàn)和難度在不斷增加。國際上有超過20家公司量產SiC二極管系列產品，擊穿電壓主要分布在600V-3300V，單芯片導通電流最高達109A（Littelfuse，1200V/109A）。2020年共有約800款SiC SBD產品在售，中高壓商業(yè)化產品逐年增多。2021年第四屆進博會上，安世半導體推出首款工業(yè)級650V/10A SiC肖特基二極管，并計劃持續(xù)擴充SiC二極管產品組合，預計推出總共72款在650V和1200V電壓、6-20A電流范圍下工作的工業(yè)級部件和車規(guī)級部件。

 

SiC晶體管方面，國際企業(yè)密集推出新一代的SiC MOSFET。Wolfspeed、ROHM、Infineon等均已推出車規(guī)級SiC MOSFET產品，與國內產品相比，其元胞尺寸更小、比導通電阻更低、閾值電壓更高。

 

SiC功率模塊方面，代表企業(yè)有Wolfspeed、Infineon、ROHM、安森美、三菱電機、富士電機、日立、Semikron等。目前SiC功率模塊最大電流容量達到1200A，最高工作溫度達到250℃。企業(yè)通過新技術（納米銅，銀燒結，銅燒結，etc）、新材料（BN, AMB）、新型封裝形式（STPAK etc）等多方面技術創(chuàng)新來提高模塊性能。

 

GaN單晶襯底方面，美、日、歐均已量產2英寸GaN單晶襯底，日本成功研制了4英寸GaN襯底，并突破了6英寸關鍵技術，代表企業(yè)有住友電工、三菱化學、古河機械等。

 

GaN外延各技術路線均有較大進展，關鍵驅動因素是技術穩(wěn)定性和成本。GaN電力電子應用方面，Si基GaN外延片主流尺寸為6英寸；藍寶石基GaN外延片尺寸為4英寸；GaN基GaN外延片主流尺寸2英寸，NexGen Power Systems和Odyssey Semiconductor已經推出了商業(yè)化外延產品以及溝槽型電力電子器件。

 

GaN射頻應用方面，SiC基GaN外延片4英寸和6英寸并存，6英寸代表企業(yè)有Wolfspeed、Qorvo、NXP，4英寸代表企業(yè)為住友電工；Si基GaN射頻應用屬于非主流路線，但其成本優(yōu)勢在未來有較大競爭力，外延尺寸4英寸和6英寸并存。

 

GaN光電子應用方面，LED照明市場以及紫外LED用藍寶石基GaN外延片主流尺寸為4英寸；Mini/Micro-LED市場主推Si基GaN技術，實現(xiàn)8英寸外延產品的產業(yè)化；藍/綠光激光器GaN基GaN外延片主流尺寸2英寸，代表企業(yè)有日本日亞化學、德國歐司朗等。

 

GaN電力電子器件方面，已經形成批量的GaN電力電子產品供貨能力。國際上6英寸工藝產線成熟，有超過10家公司量產GaN電力電子產品，其中安世半導體在推出了650V工業(yè)級的GaN產品后，也將GaN芯片引入散熱更好、寄生電感更低的新型封裝，打造完全符合車規(guī)要求的產品。在2021年第四屆進博會上，安世半導體展示了大批GaN產品，包括如采用安世35千瓦GaN功率組件的新能源汽車電機控制器、50千瓦動力系統(tǒng)逆變器、3千瓦GaN DCDC車載充電器、4千瓦GaN無橋圖騰柱PFC等。其中，采用安世35千瓦氮化鎵GaN功率組件的新能源汽車電機控制器由上海汽車電驅動和安世半導體聯(lián)合研制，是中國首款滿足量產級的新能源汽車GaN電機控制器。Mouser數(shù)據顯示，約150款GaN HEMT系列產品在售。

 

GaN射頻器件/模塊方面，產品線持續(xù)擴充完善，各類技術并行發(fā)展。截至2020年底，在售GaN射頻器件和功率放大器共計519款，GaN射頻器件最高工作頻率18GHz（Wolfspeed），輸出功率最高達到1862W（1.0-1.1GHz，Qorvo）；GaN功率放大器最大功率達到800W，最大工作頻率為38GHz。

 

SiC基GaN器件是射頻市場主流產品和技術解決方案。國際主流尺寸4-6英寸，4英寸產線代表企業(yè)為日本住友（Sumitomo）和臺灣穩(wěn)懋，在6GHz以內各頻段都有標準產品。6英寸產線主要集中在美國，代表企業(yè)Wolfspeed、Qorvo和NXP，在0.5GHz-6GHz工作頻段內輸出功率為10W-1400W。

 

Si基GaN射頻器件并非主流方案，但考慮其成本優(yōu)勢，也有不少企業(yè)在布局，產線主要為4英寸/6英寸。代表性國際企業(yè)為美國MACOM公司，有4、6、8英寸Si基射頻GaN器件工藝，其0.5?m工藝提供DC到6GHz分立器件與放大器模塊，5W 6GHz的分立器件，效率>50% @ 5.8GHz。

 

GaN光電器件方面，國際上Mini/Micro-LED技術取得了較快速的進展。巨量轉移效率不斷提升，產品持續(xù)創(chuàng)新，市場發(fā)展迅速。其中，ALLOS開發(fā)出200mm及300mm的GaN-on-Si Micro-LED晶圓；聞泰科技基于安世ITEC全球領先的巨量轉移技術和聞泰產品集成能力，成功開發(fā)出Mini/Micro LED直顯和背光產品，目前首批樣品已提供給多個汽車客戶測試，反饋情況非常好；X-Display與Daktronics合作，加速巨量轉移及顯示應用技術開發(fā)；Plessey與Facebook合作打造Micro-LED, AR/VR顯示應用，聯(lián)手Compound Photonics開發(fā)0.26英寸Micro-LED顯示器等等。

 

但當前Micro-LED要實現(xiàn)產業(yè)化仍有一些距離，需要解決高度一致性的外延技術、微米級的芯片制造工藝、超高效的巨量轉移技術、全彩實現(xiàn)技術、TFT、驅動及背板設計、高效的壞點檢測修復技術等難點。

 

小結：從全球第三代半導體產業(yè)格局來看，全球第三代半導體仍然由美日歐企業(yè)為主導:Wolfspeed、ROHM、Infineon、Mitsubishi和ST五家企業(yè)合計占有SiC功率半導體80%的市場份額;PI、Navitas、EPC、Transphorm、GaN systems、Infineon六家企業(yè)合計占有GaN功率半導體90%的市場份額;住友電工、Wolfspeed和Qorvo三家企業(yè)合計占有GaN射頻85%的市場份額。

 

總體上，國際龍頭企業(yè)大力完善產業(yè)布局，強化競爭優(yōu)勢，沿產業(yè)鏈上下游延伸趨勢日益明顯，全產業(yè)鏈布局進一步提升了其競爭優(yōu)勢。在這種形勢下，國內企業(yè)如何破局是需要國內產業(yè)界必須思考和面對的問題。