第三代半导体概念及发展历程

  发烧友编辑部出品的深度系列专栏，目的是用最直观的方式令读者尽快理解电子产业链，理清上、中、下游的所有的环节，同时迅速了解各大细分环节中的行业现状。我们计划会对包括产业上下游进行梳理，眼下大家最为关注，也疑惑最多的是第三代半导体，所以这次就先对它来一个梳理分析。

  第三代半导体材料是以 SiC(碳化硅)、 GaN(氮化镓)为代表(还包括 ZnO 氧化锌、GaO 氧化镓等)的化合物半导体，属于宽禁带半导体材料。禁带宽度是半导体的一个重要特征。固体中电子的能量是不可以连续取值的，而是一些不连续的能带，要导电就要有自由电子或者空穴存在，自由电子存在的能带称为导带(能导电)，自由空穴存在的能带称为价带(亦能导电)。被束缚的电子要成为自由电子或者空穴，就一定要活得足够能量从价带跃迁到导带，这个能量的最小值就是禁带宽度。

  而更宽的禁带，意味着从不导通状态激发到导通状态需要的能量更大，因此采用宽禁带半导体材料制造的器件能够拥有更高的击穿电场、更高的耐压性能、更高的工作时候的温度极限等等。第三代半导体与 Si(硅)、GaAs(砷化镓)等前两代半导体相比，在耐高压、耐高温、高频性能、高热导性等指标上具备很大优势，因此 SiC、GaN 被大范围的使用在功率器件、射频器件等领域。

  SiC 与 GaN 相比，拥有更高的热导率，这使得在高功率应用中，SiC 占据统治地位;与此同时，GaN 相比 SiC拥有更高的电子迁移率，所以GaN具有高的开关速度，在高频应用中占有优势。

  自上世纪80年代开始，以 SiC、GaN 为代表的第三代半导体材料的出现，催生了新型照明、显示、光生物等等新的应用需求和产业。其中SiC是目前技术、器件研发最为成熟的宽禁带半导体材料。

  SiC的一个重要里程碑是1955年，飞利浦实验室的 Lely发明 SiC 的升华生长法(或物理气相传输法，即 PVT 法)，后来经过改进后的PVT 法成为 SiC 单晶制备的主要方法。这也是SiC作为重要电子材料的起点。

  随着 6 英寸 SiC 单晶衬底和外延晶片的缺陷降低和质量提高，使得 SiC 器件制备能够在目前现有 6 英寸 SiC 基功率器件生长线上进行。而国际大厂纷纷布局的8英寸的 SiC衬底有望在2022年上半年，由 Wolfspeed 率先实现量产，这将逐步降低 SiC 材料和器件成本，推进 SiC 器件和模块的普及。

  为了帮助下文理解，这里解释一下 SiC 衬底、晶圆、外延片的关系以及区别。SiC 衬底是由 SiC 单晶材料制造而成的晶圆片，衬底可以立即进入晶圆制造环节生产半导体器件，也可经过外延加工，即在衬底上生长一层新的单晶，形成外延片。新的单晶层可以是 SiC，也可以是其他材料(如GaN)。而晶圆可以指衬底、外延片、或是已加工完成芯片后但尚未切割的圆形薄片。

  而 GaN 于1969 年首次实现了 GaN 单晶薄膜的制备，在20世纪90年代中期，中村修二研发了第一支高亮度的 GaN基蓝光LED。随后的十多年时间里，GaN 分别在射频领域比如高电子迁移率晶体管(HEMT)和单片微波集成电路(MMIC)，以及功率半导体领域起到了及其重要的作用。2010年，国际整流器公司(IR，已被英飞凌收购)发布了全球第一个商用GaN功率器件，正式拉开GaN在功率器件领域商业化大幕。2014 年以后，600V GaN HEMT 慢慢的变成了 GaN 器件主流。2014年，行业首次在 8 英寸 SiC 上生长 GaN 器件。

  得益于材料特性的优势，SiC 在功率器件领域无疑会逐渐取代传统硅器件，成为市场主流。而这个进程随着 SiC 量产和技术成熟带来的成本下降，以及终端需求的升级而不断加速。包括新能源汽车电驱系统往 800V 高压平台发展、480kW充电桩、光伏逆变器向高压发展等，技术升级的核心，预计 2021 年到 2030 年 SiC 市场年均复合增长率(CAGR)将高达50.6%，2030 年 SiC 市场规模将超 300 亿美元。

  在材料端， 2020 年全球 SiC 衬底市场价值为 2.08 亿美元。对于市场未来的增长，Yole预计到 2024 年全球 SiC 衬底市场规模将达到11亿美元，2027年将达到33亿美元，以2018年市场规模1.21亿美元计算，2018-2027年的复合增长率预计为44%。

  在应用端，2020年全球 SiC 功率器件市场规模为6.29亿美元，mordorintelligence 预计到2026年将达到 47.08 亿美元，2021-2026 的年复合增长率为 42.41%。其中由于电动汽车的爆发，汽车行业将是 SiC 功率器件的主要增长应用，而亚太地区会是增长最快的市场。亚太地区受到包括中国大陆、中国台湾、日本、韩国的驱动，这四个地区共占全球半导体分立器件市场的 65% 左右。在光伏逆变器上，SiC 渗透率也呈现快速地增长，华为预计在2030年光伏逆变器的碳化硅渗透率将从目前的2%增长到70%以上，在充电基础设施、电动汽车领域渗透率也超过的80%，、服务器电源将全面推广应用。

  另外，在射频 GaN行业，采用 SiC 衬底，也就是 GaN-on-SiC(碳化硅基氮化镓)技术发展得最早，市占率也最高，同时在射频应用领域慢慢的变成了LDMOS和砷化镓的主要竞争对手。除了在军用雷达领域的深度渗透，GaN-on-SiC 还一直是华为、诺基亚等通信基站厂商5G大规模MIMO基础设施的选择。根据 Yole 的统计，2020 年全球 GaN-on-SiC 射频器件市场规模为8.86亿美元，预计 2026 年将达到 22.2 亿美元，2020-2026 年复合增长率为17%。

  尽管 SiC 无论在功率器件还是在射频应用上市场需求都有巨大增长空间，但目前对于 SiC 的应用，还面临着产能不足的问题，主要是 SiC 衬底产能跟不上需求的增长。据统计，2021年全球 SiC 晶圆全球产能约为 40-60 万片，结合业内良率平均约50%估算，2021 年 SiC 晶圆全球有效产能仅20-30万片。

  与此同时，SiC 需求方的增长在近年呈现爆发式增长。以特斯拉为例，2021 年特斯拉电动汽车全年产量约 93 万辆，据测算，如果这些车辆搭载的功率器件全采用 SiC ，单车用量将达到 0.5 片6寸 SiC 晶圆，一年的6寸 SiC 晶圆需求就高达46.5万片，以如今全球 SiC 衬底产能来看甚至不足以满足一家车企的需求。

  与此同时，衬底又是整个 SiC 产业链中技术门槛最高、成本占比最大的环节，占市场总成本的50%左右。华为在《数字能源2030》白皮书中提到，SiC 的瓶颈当前主要在于衬底成本高(是硅的 4-5 倍，预计未来 2025 年前年价格会逐渐降为硅持平)，受新能源汽车、工业电源等应用的推动，碳化硅价格下降，性能和可靠性进一步提升。碳化硅产业链爆发的拐点临近，市场潜力将被充分挖掘。

  但目前 SiC 产业仍处于产能铺设初期，2020年开始海内外大厂都纷纷加大投入到 SiC 产能建设中。国内仅 2021 年第一季度新增的 SiC 项目投资金额就已超越 2020 年全年水平，是 2012-2019 年 SiC 领域合计总投资值的5倍以上。三安光电预测，2025年 SiC 晶圆需求在保守与乐观情形下分别为219和437万片，车用碳化硅需求占比60%，保守情况下碳化硅产能缺口将达到123万片，乐观情况下缺口将达到486万片。

  经过超过 60 年的发展，硅基半导体产业自台积电创始人张忠谋开创晶圆代工模式后，目前已形成了高度垂直分工的产业运作模式。但与硅基半导体产业不同，SiC 产业目前来看，主要是以 IDM 模式为主。

  3) 掌握上下游整合能力能加速产品迭代周期，有效控制成本以及产品良率。

  当前 SiC 市场中，全球几大主要龙头 Wolfspeed、罗姆、ST、英飞凌、安森美等都已形成了 SiC 衬底、外延、设计、制造、封测的垂直供应体系。其中，除了 Wolfspeed 之外，其他厂商基本通过并购等方式来布局 SiC 衬底等原材料，以更好地把控上游供应。

  同时，这种趋势也导致目前 SiC 产业中不仅仅是下游往上游布局，而上游厂商也同时在下游发展。SiC 产业能够说是“得衬底者得天下”，SiC 衬底厂商掌握着业内最重要的资源，这也为他们带来了极大的行业话语权。

  国内方面，由于产业布局相比海外大厂要晚，而 IDM 模式是加速发展的最有效方式之一，包括三安光电、泰科天润、基本半导体等 SiC 领域公司都在往 IDM 模式发展。三安光电投资160亿元的湖南三安半导体基地在去年6月正式投产，这也是国内第一条、全球第三条 SiC 垂直整合产业链，提供从衬底、外延、晶圆代工、裸芯粒直至分立器件的灵活多元合作方式，有利于形成当地宽禁带半导体产业聚落，加速上游 IC 设计企业设计与验证迭代，缩短下游终端产品上市周期。

  SiC 产业链可大致分为四个主要环节，分别是衬底/晶片、外延片，器件制造以及终端应用。其中每个环节的具体构成会在后面几期中逐一解析。

  下一期，带你了解SiC器件成本构成、产业链各环节构成，探讨国内外SiC产业链差距究竟有多大?

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