站在“新基建”浪潮上的第三代半導體產(chǎn)業(yè) （下）

導讀：新基建建設離不開半導體產(chǎn)業(yè)，第三代半導體相比前兩代在材料、應用端都有重大革新，如何更好地理解半導體？祥峰投資的兩篇文章全景分析第三代半導體機會。

本文為祥峰投資對第三代半導體產(chǎn)業(yè)研究內(nèi)容，其中包含了各材料性能對比與材料應用范圍，方便從底層了解半導體產(chǎn)業(yè)發(fā)展，系列文章較長，建議收藏閱讀。本文為上篇，上篇請點擊：第三代半導體產(chǎn)業(yè)（上）

在上一期的“站在‘新基建’浪潮上的第三代半導體產(chǎn)業(yè) （上）”中，我們圍繞“新基建”的核心材料——第三代半導體做了概述，對當下規(guī)模化商用最主要的氮化鎵 (GaN) 器件和碳化硅 (SiC)器件加以解構。

在本次報告的下篇，我們將進一步歸納總結第三代半導體芯片在產(chǎn)業(yè)鏈的各個環(huán)節(jié)(襯底、外延、設計、制造、封裝)的關鍵技術，梳理國內(nèi)外主要廠商，并對本次第三代半導體產(chǎn)業(yè)研究報告做以總結。

1、第三代半導體芯片產(chǎn)業(yè)鏈：襯底、外延、設計、制造、封裝

GaN和SiC芯片的產(chǎn)業(yè)鏈與硅芯片類似，主要分為晶圓襯底、外延、設計、制造和封裝等環(huán)節(jié)。

襯底

當前的GaN器件的常用襯底有以下4種：

Si襯底：半導體產(chǎn)業(yè)發(fā)展最成熟襯底，應用最廣，晶體質(zhì)量高、尺寸大、成本低、易加工，價格便宜，目前GaN產(chǎn)品上使用的Si襯底基本是6英寸的，也有部分公司實現(xiàn)8英寸的商用。

藍寶石襯底（Al2O3）：生產(chǎn)技術成熟、器件質(zhì)量、穩(wěn)定性都較好，能夠運用在高溫生長過程中，機械強度高，易于處理和清洗，廣泛應用于LED產(chǎn)業(yè)。

SiC襯底：按照晶體結構主要分4H-SiC和6H-SiC，4H-SiC為主流產(chǎn)品，按照性能主要分為半導電型和半絕緣型。硅片拉晶時和單晶種子大小無關，但是SiC的單晶種子的尺寸卻直接決定了SiC的尺寸，目前主流尺寸是4-6英寸，8英寸襯底已由II-VI公司和Cree公司研制成功。半導電型SiC襯底以n型襯底為主，主要用于外延GaN基LED等光電子器件、SiC基電力電子器件等。半絕緣型SiC襯底主要用于外延制造GaN高功率射頻器件。SiC襯底市場的主要供應商有美國Cree（Wolfspeed）、DowCorning、日本羅姆、美國II-VI、日本新日鐵住金、瑞典Norstel（中國資本收購）等。Cree公司的SiC襯底占據(jù)整個市場40%左右的份額，其次為Ⅱ-Ⅵ公司、日本ROHM，三者合計占據(jù)75%左右的市場份額，國內(nèi)有山東天岳、天科合達等公司。6”半導電型襯底均價約為1200美元，6”襯底價格在4”襯底價格2倍以上。

GaN單晶襯底：主流產(chǎn)品以2~4英寸為主，6英寸甚至8英寸的也已經(jīng)實現(xiàn)商用。GaN襯底主要由日本公司主導，日本住友電工的市場份額達到90%以上。我國目前已實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化的企業(yè)包括蘇州納米所的蘇州納維科技公司和北京大學的東莞市中鎵半導體科技公司。

以下重點對三種襯底做詳細分析。

SiC硅襯底

90%以上的集成電路芯片是用硅片作為襯底制造出來的，整個信息產(chǎn)業(yè)就是建立在硅材料之上。

單晶硅制備流程：硅石（SiO2）>工業(yè)硅（粗硅）>高純的多晶硅 >硅單晶。

大尺寸硅片是硅片未來發(fā)展的趨勢，目前8英寸硅片主要用于生產(chǎn)功率半導體和微控制器，邏輯芯片和存儲芯片則需要12英寸硅片。2018年12英寸硅片全球市場份額預計為68.9%，到2021年占比預計提升至71.2%。12英寸硅片主要被NAND和DRAM需求驅動，8英寸主要被汽車電子和工業(yè)應用對功率半導體需求驅動。長期看12英寸和8英寸依然是市場的主流。

半導體硅片投入資金多，研發(fā)周期長，是技術壁壘和資金壁壘都極高的行業(yè)。目前全球硅片市場處于寡頭壟斷局面。2018年全球半導體硅片行業(yè)銷售額前五名企業(yè)的市場份額分別為:日本信越化學28%，日本SUMCO 25%，中國臺灣環(huán)球晶圓14%，德國Siltronic13%，韓國SKSiltron9%，前五名的全球市場市占率接近90%，市場集中度高。

資料來源：華經(jīng)情報網(wǎng)，智研資訊，中港證券研究所

SiC襯底

目前生長碳化硅單晶最成熟的方法是物理氣相輸運（PVT）法（升華法），又稱改良的Lely法，其生長機理是在超過2000 ℃高溫下將碳粉和硅粉升華分解成為Si原子、Si2C分子和SiC2分子等氣相物質(zhì)，在溫度梯度的驅動下，這些氣相物質(zhì)將被輸運到溫度較低的碳化硅籽晶上形成碳化硅晶體。通過控制PVT的溫場、氣流等工藝參數(shù)可以生長特定的4H-SiC晶型。單晶棒再進行切割、拋光等工藝，制作成襯底片。

“高質(zhì)量、大尺寸的碳化硅單晶材料是碳化硅技術發(fā)展首要解決的問題，持續(xù)增大晶圓尺寸、降低缺陷密度（微管、位錯、層錯等）是其重點發(fā)展方向。”

* SiC原料部分處于高溫中，溫度大約在2400～2500攝氏度，碳化硅粉逐漸分解或升華，產(chǎn)生Si和Si的碳化物混合蒸汽，并在溫度梯度的驅使下向粘貼在坩堝低溫區(qū)域的籽晶表面輸送，使籽晶逐漸生長為晶體。

GaN襯底

因為氮化鎵材料本身熔點高，而且需要高壓環(huán)境，很難采用熔融的結晶技術制作GaN襯底，目前主要在Al2O3藍寶石襯底上生長氮化鎵厚膜制作的GaN基板，然后通過剝離技術實現(xiàn)襯底和氮化鎵厚膜的分離，分離后的氮化鎵厚膜可作為外延用的襯底。這種基板以前的主流是2英寸口徑，現(xiàn)在出現(xiàn)了4～6英寸的基板。優(yōu)點是位錯密度明顯低，但價格昂貴，因此限制了氮化鎵厚膜襯底的應用。

氨氣相法（或HVPE法）：利用氨氣相法需要1000℃以上的生長溫度。因此，作為在高溫氨氣下特性依然穩(wěn)定的基板，單晶藍寶石（Al2O3）受到關注。由于GaN與藍寶石的化學性質(zhì)（化學鍵）、熱膨脹系數(shù)和晶格常數(shù)相差較大，在藍寶石上生長的GaN晶體表面像磨砂玻璃一樣粗糙。而且晶體缺陷非常多，無法獲得能夠用于半導體元件的高品質(zhì)GaN。1986年，名古屋大學工學部教授赤崎勇開發(fā)出了“低溫堆積緩沖層技術”。該技術利用氮化鋁（AlN）作為緩沖層進行堆積，可以在藍寶石基板上生長晶體缺陷少而且表面平坦的GaN晶體。

GaN襯底生產(chǎn)工藝

*導入緩沖層提高晶體品質(zhì)。在藍寶石基板上直接生長GaN時，會零散地生長一些微小晶體，因此GaN晶體的表面比較粗糙（a）。通過在藍寶石基板與GaN晶體之間設置“低溫堆積緩沖層”，便可獲得平坦的GaN晶體（b）

外延

GaN外延

外延生長（Epitaxy），是指在原有半導體晶片之上生長出新的半導體晶體層的技術。主要用CVD（Chemical Vapor Deposition，化學氣相沉積）設備，或者MBE（Molecular Beam Epitaxy，分子束外延）設備實現(xiàn)。原有的晶體稱為襯底（substrate），生長出的新晶體層稱為外延層。

“GaN襯底材料的成本是限制GaN器件商業(yè)化應用的主要因素?！?/p>

由于GaN材料硬度高，熔點高等特性，襯底制作難度高，位錯缺陷密度較高導致良率低，技術進步緩慢。因此GaN晶圓的成本仍然居高不下

2005年2寸的GaN襯底片成本2 萬美元，現(xiàn)在GaN2寸襯底價格仍然在3000美元水平。對比之下，4寸GaAs襯底成本僅需100-200人民幣。

采用外延技術，可以將GaN生長在SiC、Si、藍寶石、金剛石等其他材料襯底上，有效的解決GaN襯底材料的限制問題。GaNonSiC和GaNonSi是未來的主流技術方向。

GaNonSi

GaN on Si：在Si基板襯底上制作GaN晶體，也能使用和在藍寶石襯底上生長的低溫堆積緩沖層技術，實現(xiàn)與藍寶石基板上的GaN基本相同的晶體缺陷密度（貫通位錯密度）。但由于Si基板襯底與GaN性質(zhì)差異更大，在Si基板上制造時的難題更多的是熱膨脹系數(shù)差導致的裂紋。GaN與Si的熱膨脹系數(shù)差較大，因此在生長GaN后進行冷卻時會產(chǎn)生非常大的應力，導致有裂紋產(chǎn)生。

GaN on Si外延生長上可采用多層構造防止裂紋：在GaN層與Si基板之間設置AlGaN/GaN多層構造的“形變控制技術”來防止裂紋。

目前實現(xiàn)了產(chǎn)品化的GaN功率元件大多是在口徑6英寸的Si基板上制造，至少6英寸口徑的基板已經(jīng)解決了裂紋問題。想要進一步降低價格，就必須擴大口徑。以比利時微電子研究中心（IMEC）為首，全球正在推進采用8英寸Si基板的GaN開發(fā)。日本英達公司已與Transphorm公司簽訂了GaN功率元件的前工序生產(chǎn)受托合同，將在日本英達的筑波事務所導入支持8英寸基板生產(chǎn)的前工序生產(chǎn)線。

國內(nèi)英諾賽科也宣稱實現(xiàn)了8英寸GaN on Si外延生長。

GaN-on-Si未來主要有兩條發(fā)展路徑：

第一是向大功率器件方向發(fā)展，通過系統(tǒng)級封裝做成模塊化產(chǎn)品。

第二是在中低功率領域SoC化，集成更多被動元件、射頻驅動等。業(yè)界有廠商已經(jīng)實現(xiàn)了驅動IC和GaN開關管的集成，進一步降低用戶的使用門檻。

目前主流的GaN技術廠商都在研發(fā)以Si為襯底的GaN的器件，提升外延質(zhì)量，期望替代昂貴的SiC襯底。

GaNonSiC

GaN on SiC：同樣在GaN on SiC上做外延生長需要注意晶格失配和熱膨脹不匹配原因造成的裂紋或彎曲，從而影響GaN器件的性能和良率。目前轉移和協(xié)調(diào)釋放SiC基板上制備GaN外延材料失配應力的方法有：應力協(xié)變層技術（包括緩沖層、柔性層、插入層等）和圖形襯底技術。

GaN on SiC外延，SiC襯底散熱性更好，而且與氮化鎵晶格不匹配問題比Si小。限制在于SiC襯底晶圓的尺寸還做不大，目前尚未超過6寸。

采用SiC為襯底的GaN外延生長方法示例：

MOCVD生長依次將氮化鈦層、氮化鋁層和氮化鎵層沉積在SiC襯底上，氣氛是以三甲基鎵(TMGa)、三甲基鋁(TMAl)、三甲基鈦(TDEAT)和氨氣(NH3)分別作為Ga、Al、Ti和N源，以氫氣(H2)為載氣。

首先，將SiC襯底置于1200oC反應室進行前烘300s，降溫至500oC，通入氨氣8000sccm對襯底進行氮化；

然后通入TDEAT三甲基鈦氣體，流量控制在40sccm，并繼續(xù)通入氨氣8000sccm，時長80s，進行氮化鈦沉積，250s進行復原；

然后通入TMAl三甲基鋁氣體50sccm，10000sccm氨氣，時長100s，進行氮化鋁沉積；

最后通入TMGa三甲基鎵氣體。80sccm，15000sccm氨氣，時長150s，進行氮化鎵沉積，對反應室氣氛復原，完成緩沖層生長。

*各家GaN外延生長方法knowhow不一樣，屬于機密配方

圖形襯底技術：對復合緩沖層進行感應耦合等離子體（ICP）刻蝕技術做圖形化刻蝕孔形、柱形、條形的一種或多種，并周期性排列，圖形由窗口區(qū)域和臺面區(qū)域組成，圖形深度小于復合緩沖層厚度，外延生長GaN時，氣體原子在臺面上反應成核，襯底上被可使的部分即窗口區(qū)域，不易成核，膜層沿垂直臺面方向生長，在縱向生長的同時也進行橫向生長，隨著厚膜的生長，相鄰臺面的橫向生長區(qū)域可以達到合并，當橫向生長達到一定程度后氮化鎵外延層便能覆蓋整個緩沖層表面。圖形襯底技術利用縱向生長和橫向生長的合并，可以降低或抑制位錯在氮化鎵外延層的延伸，從而提高氮化鎵外延層的晶體質(zhì)量。

設計

在硅基芯片中，EDA工具隨著摩爾定律一起發(fā)展多年，已經(jīng)形成了相當成熟和極為復雜的一套設計工具。由于CMOS器件工藝標準化程度極高，EDA工具更加側重電路級的仿真。

在GaN和SiC芯片領域，設計和仿真更偏重器件級，以及更類似簡單硅基模擬電路，核心原因是：

GaN和SiC的材料特性主要體現(xiàn)在器件層面，包括對MOSFET、HEMT等器件結構設計的優(yōu)化。

GaN和SiC芯片的主要使用場景，包括RF和Power，都是模擬芯片場景。

GaN和SiC發(fā)展較晚，且長期以來器件的進展比較緩慢，目前還沒有發(fā)展到大規(guī)模集成電路階段。

以GaN射頻為例：

無源電路主要用ANSYS的HFSS，Integrand公司旗下的EMX，是德科技旗下的ADS Momentum等仿真工具。

有源電路通常采用Foundry提供的有源器件model，因為有源電路的仿真準確度較低。

器件物理級別的仿真，最常用的是Synopsis旗下的Sentaurus，包括器件仿真、制程仿真等功能非常完善。此外，Comsol也是一個優(yōu)秀的仿真工具。但這些仿真基本上只能模擬直流特性。

器件的高頻特性，或者說高頻model，一般都是依賴設計者自己畫測試結構，實際測試并提取參數(shù)，這樣最準確。仿真一般只能模擬單個特征頻率或者截止頻率。

行業(yè)領先的GaN/SiC公司如Infineon、Qorvo、GaN Systems、Modelithics也都在積極開發(fā)自己的設計工具和模型庫。

制造

GaN和SiC芯片的制造是產(chǎn)業(yè)鏈的核心環(huán)節(jié)。其制造過程與硅基芯片類似，都需要復雜的半導體芯片制造工藝和流程，基本上每一類工藝都對應一種專用的半導體芯片設備，在微米和納米尺度進行制造。

芯片制造環(huán)節(jié)最重要的是產(chǎn)品良率、生產(chǎn)效率、穩(wěn)定性。由于處理的材料不同和結構不同，制造設備之間也無法通用。因此，GaN器件、SiC器件都必須建立獨立專用的制造產(chǎn)線。

半導體芯片主要制造工藝及對應設備(1/2)

*：核心工藝和設備

半導體芯片主要制造工藝及對應設備(2/2)

*：核心工藝和設備

光刻(Photo Lithography)

光刻工作原理：將芯片設計版圖先制作在光掩膜板上（通常是氧化鉻板），再以光掩膜版作為阻擋，對晶圓上涂覆的光刻膠進行曝光。被曝光的區(qū)域化學性質(zhì)改變，通過顯影去除后，設計版圖即轉移到被掩膜版阻擋的光刻膠上。

掩膜板的最小線寬基本上決定了芯片的關鍵尺寸，也就是工藝節(jié)點，因此光刻是芯片制造中最關鍵的設備。

光刻機行業(yè)高度集中，荷蘭ASML、日本尼康和佳能三足壟斷。ASML是行業(yè)霸主，在EUV和浸潤式高端光刻機市場獨家壟斷。尼康和佳能則主要占據(jù)中低端市場。

光刻設備的核心部件主要包括光源、光學透鏡組、對準系統(tǒng)。光源的波長越短，可達到的最小線寬分辨率越低 ，設備單價也越高。

其它提高光刻分辨率的主要技術有移相掩膜(PSM)、鄰近效應修正(OPC)、駐波效應修正(SWC)、浸潤式光刻(Immersion)、雙重曝光(Double Patterning)、運算光刻等。

光刻膠材料必須與光源匹配，也是決定關鍵尺寸的非常重要的因素，一般由光刻設備廠商和光刻膠廠商合作開發(fā)。

對于GaN和SiC而言，其芯片制程沒有發(fā)展到40nm以下的先進制程，因此產(chǎn)線對光刻設備的要求相對Si CMOS集成電路而言要低很多。

刻蝕(Etching)

刻蝕是用化學或物理方法有選擇地從硅片表面去除不需要的材料的過程?？涛g的基本目標是在涂膠的硅片上正確地復制掩膜圖形。

光刻結果如果不合格，可以將光刻膠掩膜洗掉重新進行光刻，所以是可逆的，而刻蝕是不可逆的，一旦刻蝕步驟失敗，整個晶圓即報廢，給晶圓廠造成很大經(jīng)濟損失。因此刻蝕設備的工藝重復性要求極高。

資料來源：中微半導體招股書

刻蝕工藝通過刻蝕設備來實現(xiàn)。干法刻蝕是刻蝕制程的絕對主流，其原理是通過等離子體對材料的物理轟擊激活，并同時發(fā)生化學反應，產(chǎn)生可揮發(fā)的產(chǎn)物，達到對材料的去除。

根據(jù)不同的刻蝕材料和結構，需要使用的刻蝕化學氣體和物理條件有極大差異，因此刻蝕設備在生產(chǎn)線上也是專用程度極高，在不同材料體系之間幾乎不可能復用。

資料來源：行業(yè)訪談

薄膜沉積 (Deposition)

薄膜沉積設備的作用是在基底材料上進行薄膜的沉積，這些不同材料的薄膜構與外延材料一起，構成了芯片的基本材料結構。

通常芯片的制造過程會用到幾十次薄膜沉積制程，不同材料的薄膜有絕緣、導電、掩膜、發(fā)光、物理支撐等多種用途。

半導體設備行業(yè)格局和主要設備廠商

總體來看，芯片制造的絕大多數(shù)核心設備都被國外廠商壟斷，具有極高的技術壁壘。2018年，前五家企業(yè) AMAT、ASML、Lam Research、TEL、KLA市占率合計為 71%。

按照設備種類細分，每一類設備產(chǎn)品也被前1-4家公司寡頭壟斷。

關鍵工藝的核心設備是第三代半導體芯片發(fā)展的一個重要因素。

封裝

封裝是把制作集成電路之后的晶圓轉變?yōu)橐粋€個芯片成品的過程。封裝廠獨立于晶圓制造廠，使用標準化的工藝流程和多種專門設備。

封裝測試的核心設備毛利率遠高于非核心設備，目前仍被國外公司壟斷。中低端封裝設備國產(chǎn)化率較高。

對于GaN和SiC芯片，封裝技術與形式與Si芯片類似。且由于不必用最先進的制程，也不需要BGA、CSP、WLP等先進封裝技術。但是由于高溫、高頻等特性，其具體封裝材料選擇等方面也存在一定的技術knowhow。

2、國內(nèi)外GaN器件和SiC器件產(chǎn)業(yè)鏈主要公司

全球GaN器件產(chǎn)業(yè)鏈主要公司

全球GaN器件產(chǎn)業(yè)鏈主要公司：Qorvo

Qorvo成立于2015年，由射頻行業(yè)兩家廠商RFMD和TriQuint合并而來，全球領先的射頻IDM廠商，擁有自己的晶圓代工廠和封測廠，公司主要為移動終端、 基礎設施、航空航天、國防等領域提供RF解決方案，產(chǎn)品包括放大器、濾波器、雙工器、無源器件等射頻芯片。

2019年三季報Qorvo共實現(xiàn)營收24.51億美金，同比增長1.7%，非GAAP毛利率42.4%；公司收入分為MP(Mobile Products，占比約75%，主要客戶蘋果、華為、三星等移動業(yè)務)和IDP(Infrastructure and Defense Products，占比約25%，主要服務國防、wifi、5G基礎設施客戶)兩大塊。

Qorvo是GaN芯片領導廠商，尤其在國防和基礎設施領域，Qorvo在2017年就最早推出39Ghz雙通道GaNFEM，2018年推出業(yè)內(nèi)最強GaN-on-SiC晶體管Transistor，公司有望在GaN領域實現(xiàn)業(yè)務快速增長。

全球GaN器件產(chǎn)業(yè)鏈主要公司：Infineon

Infineon公司于1999年從西門子集團的半導體部門獨立出來，在德國慕尼黑正式成立，2000年上市，是全球領先的半導體公司之一。公司為有線和無線通信、汽車及工業(yè)電子、內(nèi)存、計算機安全以及芯片卡市場提供先進的半導體產(chǎn)品及完整的系統(tǒng)解決方案。

公司2018年營收達到75.99億歐元，毛利率40%，凈利潤17.8%，同比增長10.7%，其中功率器件占比約68%、傳感器和射頻器件占比15%、嵌入式控制器占比約17%。

Infineon是電源器件尤其是功率半導體的全球領導者（infineon在2019年全球功率半導體市場占比19%排名第一，細分IGBT、MOSFET市場更是占比達27%和28%），也是市場上唯一一家提供覆蓋硅、碳化硅和氮化鎵等材料的全系列功率產(chǎn)品的公司，擁有高性價比的第七代CoolMOSTM、基于第三代寬禁帶半導體的高性能CoolSiCTM與 CoolGaNTM，公司主做6英寸SiC和GaN產(chǎn)線，8英寸GaN產(chǎn)線在準備中，GaN和SiC產(chǎn)能占比約10%（Si占90%），但在GaN和SiC產(chǎn)品上依然面臨提升良率、可靠性、降成本等挑戰(zhàn)。

全球SiC器件產(chǎn)業(yè)鏈主要公司

SiC廠商以全產(chǎn)業(yè)鏈的IDM巨頭為主。全球大部分市場份額被Infineon、Cree、羅姆、意法半導體等少數(shù)企業(yè)瓜分。

Cree占據(jù)襯底市場約40%份額、器件市場約23%份額；Cree和Infineon共占器件市場的70%。

全球SiC器件產(chǎn)業(yè)鏈主要公司：Cree (Wolfspeed)

Cree科銳成立于1987年，是美國上市公司（1993年，納斯達克）。當前市值48億美元。

Cree在早期以LED材料與元件起家，其核心優(yōu)勢是全球領先且不斷創(chuàng)新的SiC材料技術。晶型由6H擴展到4H；電阻率由低阻到半絕緣；尺寸由2寸到6寸。公司近年來開始謀求向功率和射頻器件進行轉型。

Cree旗下子公司W(wǎng)olfspeed是全球最領先的碳化硅晶圓和外延晶圓制造商，完整覆蓋從SiC襯底、外延，到SiC肖特基二極管、SiC MOSFET 元件以及模塊的全產(chǎn)業(yè)鏈， 在市場占據(jù)主導地位 。Cree的SiC襯底占據(jù)了全球市場近40%份額 ，在SiC器件領域的市場份額達到62%。（Yole2019報告）

在GaN射頻器件市場，Wolfspeed市場份額位居第二，具備十年以上的GaN HEMT 生產(chǎn)經(jīng)驗，出貨量超過1500萬只。

Wolfspeed同時提供GaN-on-SiC代工服務，改變了行業(yè)傳統(tǒng)的IDM模式。

2016年Infineon曾試圖收購Wolfspeed， 但被美國政府以危害國家安全為由予以否決。

2019年1月，Cree宣布與意法半導體簽署了一份多年供貨協(xié)議 ，為意法半導體供應SiC襯底和外延晶圓 ，總價值達到2.5億美元。該合作將加速SiC在汽車和工業(yè)兩大市場的商用。

全球SiC器件產(chǎn)業(yè)鏈主要公司：Infineon

Infineon是市場上唯一一家提供涵蓋Si、SiC和GaN等材料的全系列功率產(chǎn)品的公司，開發(fā)的CoolSiC技術具備非常大的潛力。

Infineon于1992年開始SiC領域研發(fā)，2001推出全球首個商業(yè)化SiC二極管，2006年推出全球首個采用SiC組件的商用電源模塊，目前已經(jīng)已經(jīng)發(fā)展至第五代。

國內(nèi)GaN芯片產(chǎn)業(yè)鏈

國內(nèi)GaN芯片公司大多都是IDM模式，橫跨外延、設計、制造全鏈條。輕資產(chǎn)的Fabless公司較少。

國內(nèi)SiC芯片產(chǎn)業(yè)鏈

國內(nèi)SiC產(chǎn)業(yè)仍然以襯底、外延、制造環(huán)節(jié)為主，輕資產(chǎn)的Fabless公司很少。行業(yè)總體仍處于起步階段。

近年來國內(nèi)已初步建立起相對完整的碳化硅產(chǎn)業(yè)鏈體系，追趕速度在加快。

單晶襯底方面，目前國內(nèi)可實現(xiàn)4英寸襯底的商業(yè)化生產(chǎn)，山東天岳、天科合達、同光晶體均已完成6英寸襯底的研發(fā)，中電科裝備研制出6英寸半絕緣襯底。

外延方面，國內(nèi)瀚天天成和天域半導體均可供應4-6英寸外延片，中電科13所、55所亦均有內(nèi)部供應的外延片生產(chǎn)部門。

芯片設計與制造方面，國內(nèi)600-3300VSiC-SBD已開始批量應用，有企業(yè)研發(fā)出1200V/50ASiC-MOSFET；泰科天潤已建成國內(nèi)第一條SiC器件生產(chǎn)線，SBD產(chǎn)品覆蓋600V-3300V的電壓范圍；中車時代電氣的6英寸SiC生產(chǎn)線也于2018年1月首批芯片試制成功。

第三代半導體的總體總結

第三代半導體率先大規(guī)模商業(yè)化的是GaN和SiC。由于襯底材料制備、外延等技術仍然不夠成熟，分立器件產(chǎn)品階段處于規(guī)模商用初期，集成電路產(chǎn)品階段處于探索期。

第三代半導體與第一代、第二代半導體是補充和部分替代的關系。在高電壓、大電流、高頻、高溫等應用中，第三代半導體有明顯的性能優(yōu)勢，一方面可用于硅基器件無法勝任的對性能要求更加極端的工況條件，另一方面也可以降低系統(tǒng)的整體能耗、尺寸或重量，因而存在替代部分硅基器件的機會，關鍵看系統(tǒng)的性能指標要求，以及性價比。

第三代半導體目前應用市場規(guī)模有限，未來市場增速可期。

GaN的機會與市場空間

GaN射頻器件全球市場預計到2024年成長至20億美元。主要的市場增長來自軍用和5G通信。GaN將在5G基站的射頻芯片替換Si-LDMOS。5G將推動該市場在2024年達到7.5億美元。

GaN功率器件的增長來自電源管理、新能源車、LiDAR、封包追蹤等應用。2016年GaN功率器件全球市場規(guī)模僅1200萬美元，目前不到1億美元，預計到2022年將增長到4.6億美元。

消費電子產(chǎn)品的電源芯片、新能源車的電源芯片是GaN功率芯片最可能快速增長的領域。目前GaN芯片成本較高導致充電器價格仍然較高，以配件銷售為主，未來2-3年隨著價格下降，預裝機會很大。在新能源車領域，在3-5年內(nèi)GaN功率器件有機會替代傳統(tǒng)Si-IGBT，但同時面臨與SiC功率器件的競爭。

SiC的機會與市場空間

SiC器件的主要機會來自新能源車、高壓高溫電力電子等領域。從產(chǎn)品來看，SiC SBD二極管和SiC MOSFET將成為應用最多的產(chǎn)品，前者廣泛用于各種電源，后者用于替代Si IGBT。

2017 年全球SiC功率器件市場3.99億美元。預計到 2023年市場總額將達 16.44億美元，年復合增長率 26.6%。新能源汽車的電源管理是SiC功率器件的主要增長驅動因素。

由于材料體系類似，國內(nèi)有不少傳統(tǒng)Si器件的公司例如比亞迪、斯達半導體等，也紛紛進入SiC功率器件市場，相信未來還會有更多企業(yè)進入，競爭格局更加復雜。