汽车电子、5G 技术、新能源汽车、轨道交通等产业的快速发展,提高了电子技术对高温、高功率、高压、高频的器件需求,于是第三代半导体应运而生。第三代半导体主要包括碳化硅(SiC)、氮化铝(AlN)、氮化镓(GaN)、金刚石、氧化锌(ZnO),其中,发展较为成熟的是 SiC 和 GaN。
 
美、日、欧等各国对此进行了积极的战略部署,英飞凌、罗姆、德仪半导体、意法半导体等国际厂商也纷纷开始在第三代半导体上有所动作,使得第三代半导体材料引发全球瞩目,并成为半导体技术研究前沿和产业竞争焦点。加之,台积电、世界先进、稳懋、X-Fab、汉磊及环宇等一众台系代工厂参与到第三代半导体的发展,逐渐将第三代半导体推上了 C 位。
 
众所周知,我国现在正在大力发展集成电路产业,第三代半导体作为下一代电子产品的重要材料和元件,自然也受到了重点关注。
 
政策分析
2015 年 5 月,国务院印发了《中国制造 2025》。其中,4 次提到了以碳化硅、氮化镓为代表的第三代半导体功率器件。
 
2018 年 7 月,国内首个《第三代半导体电力电子技术路线图》正式发布。路线图主要从衬底 / 外延 / 器件、封装 / 模块、SiC 应用、GaN 应用等四个方面展开论述,提出了中国发展第三代半导体电力电子技术的路径建议和对未来产业发展的预测。
 
到目前为止,国内已有四条 4/6 英寸 SiC 生产 / 中试线和三条 GaN 生产 / 中试线相继投入使用,并在建多个与第三代半导体相关的研发中试平台。国产化的单晶衬底、外延片所占市场份额不断扩大,国产化的 SiC 二极管和 Mosfet 开始进入市场,国产 GaN 微波和射频器件在国防和通讯领域发挥主导作用。
 
碳化硅
根据 Yole 于 2018 年发布的《功率碳化硅(SiC)材料、器件和应用 -2018 版》报告预测,到 2023 年 SiC 功率市场总值将超过 14 亿美元,2017 年至 2023 年的复合年增长率(CAGR)将达到 29%。
 
从产业链角度看,碳化硅包括单晶衬底、外延片、器件设计、器件制造等环节,但目前全球碳化硅市场基本被在国外企业所垄断。其中,尤以美国、欧洲、日本为大。美国居于领导地位,占有全球 SiC 产量的 70%-80%;欧洲拥有完整的 SiC 衬底、外延、器件以及应用产业链;日本则是设备和模块开发方面的绝对领先者。
 
那么国内碳化硅发展如何?
 
单晶衬底方面,国内衬底以 4 英寸为主,目前,已经开发出了 6 英寸导电性 SiC 衬底和高纯半绝缘 SiC 衬底。据 CASA 数据,山东天岳、天科合达、河北同光、中科节能均已完成 6 英寸衬底的研发,中电科装备研制出 6 英寸半绝缘衬底。
 
山东天岳
2017 年,山东天岳自主开发了全新的高纯半绝缘衬底材料,目前量产产品以 4 英寸为主,此外其 4H 导电型碳化硅衬底材料产品主要有 2 英寸、3 英寸、4 英寸及 6 英寸。山东天岳还独立自主开发了 6 英寸 N 型碳化硅衬底材料。
 
2018 年 11 月 13 日,天岳碳化硅材料项目开工活动在长沙浏阳高新区举行,该项目的落实标志着国内最大的第三代半导体碳化硅材料项目及成套工艺生产线正式开建。据悉,天岳碳化硅材料项目由山东天岳晶体材料有限公司开发建设,总投资 30 亿元,项目分两期建设,一期占地 156 亩,主要生产碳化硅导电衬底,预计年产值可达 13 亿元;二期主要生产功能器件,包括电力器件封装、模块及装置,新能源汽车及充电站装置、轨道交通牵引变流器、太阳光伏逆变器等,预计年产值达 50 亿 -60 亿元,税收可达 5 亿 -7 亿元。
 
天科合达
截止至 2018 年 7 月,,天科合达已研发出 4 项产品:4 英寸碳化硅晶片生产(6 英寸未量产,准备当中);碳化硅单晶生长设备;碳化硅晶体切割、晶片加工及清晰返抛服务;碳化硅宝石晶体。
 
天科合达总经理杨健说:“现在,天科合达总共 100 多台炉子,一年能产 2 万片 4 寸导电碳化硅晶片。我们的产能离市场需求还有距离,我们现在的 4 个大客户需求在 20 万片。天科合达正在继续扩充产能,计划扩充 3 倍。”
 
2018 年 10 月,天科合达在徐州经开区投资的碳化硅晶片项目正式签约。
 
河北同光
河北同光主要产品包括 4 英寸和 6 英寸导电型、半绝缘碳化硅衬底,其中 4 英寸衬底已达到世界先进水平。
 
2017 年 10 月,同光联合清华大学、北京大学宽禁带半导体研究中心、中国科学院半导体研究所、河北大学共同搭建了“第三代半导体材料检测平台”,推动了国内第三代半导体产业的发展。
 
中科节能
2017 年 7 月,中科节能与青岛莱西市、国宏中晶签订合作协议,投资建设碳化硅长晶生产线项目。该项目总投资 10 亿元,项目分两期建设,一期投资约 5 亿元,预计 2019 年 6 月建成投产,建成后可年产 5 万片 4 英寸 N 型碳化硅晶体衬底片和 5 千片 4 英寸高纯度半绝缘型碳化硅晶体衬底片;二期投资约 5 亿元,建成后可年产 5 万片 6 英寸 N 型碳化硅晶体衬底片和 5 千片 4 英寸高纯度半绝缘型碳化硅晶体衬底片。
 
Norstel
Norstel 成立于 2005 年 2 月,是从硅晶圆片制造商 Okmetic Oyj 分离出来的企业。位于瑞典 Norrköping 的工厂建成于 2006 年。Norstel 采用用高温化学气相沉积(HTCVD)专利技术,生产高质量大尺寸的 SiC 衬底和外延片。
 
外延片方面,国内瀚天天成、东莞天域半导体、国民技术子公司国民天成均可供应 4-6 英寸外延片,中电科 13 所、55 所亦均有内部供应的外延片生产部门。
 
瀚天天成
瀚天天成是国内一家专注于碳化硅外延晶片的中美合资高新技术企业。公司已经形成三英寸四英寸以及六英寸的完整碳化硅半导体外延晶片生产线,并满足 600V、1200V、1700V 器件制作的需求。公司也是国内第一家提供商业化 6 英寸碳化硅外延片的供应商。
 
东莞天域
东莞市天域半导体科技有限公司(TYSiC)成立于 2009 年 1 月 7 日,是我国首家专业从事第三代半导体碳化硅外延片研发、生产和销售的高新技术企业。目前公司已引进四台世界一流的 SiC-CVD 及配套检测设备,生长技术已达到国际先进水平。
 
2012 年天域半导体已实现年产超 2 万片 3 英寸、4 英寸碳化硅外延晶片的产业化能力,目前可提供 6 英寸碳化硅外延晶片以及各种单极、双极型 SiC 功率器件等产品。
 
国民技术
2017 年 8 月 15 日,国民技术发布公告,公司全资子公司国民投资与成都邛崃市政府签署投资协议书,拟以不少于 80 亿元投建“国民天成化合物半导体生态产业园”,项目预计三年初具规模,五年实现产能。公司另拟通过国民投资出资 5000 万元,与陈亚平技术团队等合作设立成都国民天成化合物半导体有限公司,建设和运营 6 英寸第二代和第三代半导体集成电路外延片项目,项目首期投资 4.5 亿元。
 
器件 / 模块 /IDM 方面,我国在碳化硅器件设计方面有所欠缺,还没有厂商涉及于此。但是在模块、器件制造环节我国已出现了一批优秀的企业,包括三安集成、海威华芯、泰科天润、中车时代、世纪金光、芯光润泽、深圳基本、国扬电子、士兰微、扬杰科技、瞻芯电子、天津中环、江苏华功、大连芯冠、聚力成半导体等。
 
三安集成
2018 年 12 月,三安光电子公司厦门三安集成电路宣布推出 6 英寸 SiC 晶圆代工制程。商业版本的 6 英寸 SiC 晶圆制造技术的全部工艺鉴定试验已完成并加入到三安集成电路的代工服务组合中。
 
泰科天润
泰科天润的基础核心产品以碳化硅肖特基二极管为代表,产品包含各种封装形式的碳化硅肖特基二极管、碳化硅 MOSFET 和碳化硅模块等,其中 600V/5A~50A、1200V/5A~50A 和 1700V/10A 等系列的碳化硅肖特基二极管产品已投入批量生产。泰科天润已建成国内第一条碳化硅器件生产线,SBD 产品覆盖 600V-3300V 的电压范围。

 

 
芯光润泽
2012 年,芯光润泽通过引进海内外顶尖行业专家,组建碳化硅芯片科研技术团队,并在第三代半导体方面与西交大、西电等院校成立联合研发中心。2016 年 12 月,芯光润泽第三代半导体碳化硅功率模块产业化项目正式开工建设。
 
2018 年 9 月,厦门芯光润泽国内首条碳化硅 IPM 产线正式投产,标志着我国在碳化硅芯片这个战略新兴行业又实现了一次重要的突破。
 
世纪金光
世纪金光是一家致力于二代、三代半导体晶体材料、外延器件的研发、生产与销售的高新技术企业。公司现主要产品为 2-4 英寸碳化硅单晶片,可满足光电及微波和功率器件使用要求。
 
深圳基本
深圳基本半导体有限公司(BASiC Semiconductor Ltd.)是中国第三代半导体行业领军企业,致力于碳化硅功率器件的研发与产业化。基本半导体整合海外创新技术与国内产业资源,对碳化硅器件的材料制备、芯片设计、制造工艺、封装测试、驱动应用等各方面进行研发,覆盖产业链各个环节。基于独有的 3D SiCTM 技术,基本半导体碳化硅功率器件性能达到国际先进水平,可广泛应用于新能源发电、新能源汽车、轨道交通和智能电网等领域。
 
国扬电子
2016 年,位于扬州市开发区的扬州国扬电子有限公司功率电子产业园项目,10 月正式竣工投产。据了解,项目分三期实施,2014 年投资约 0.9 亿元,用于建设碳化硅模块项目;2015—2016 年投资约 9.1 亿元,用于建设碳化硅材料、碳化硅模块扩产及尺寸硅外延项目;2017—2018 年投资约 10 亿元,用于建设大尺寸硅外延扩产项目和射频模块项目。
 
扬杰科技
扬杰科技产品包括功率二极管、整流桥、肖特基二极管和 mosfet。随着 4 寸线扩产一倍以及 6 寸线产线 2018 年底满产,总营收基于出货量稳步提升保持 35%的增长速度。2015 年 3 月,扬杰科技与西安电子科技大学签约开展第三代半导体材料与器件的产业化应用研究工作;2015 年 4 月,扬杰科技通过增资和股权转让方式取得国宇电子 38.87%股权,与中国电子科技集团公司第五十五研究所在碳化硅芯片和模块产品方面建立紧密合作关系。2015 年 7 月,扬杰科技募资 1.5 亿元用于碳化硅芯片、器件研发及产业化建设项目。
 
同时公司战略布局 8 寸线 IGBT 芯片和 IPM 模块业务等高利润产品,多产品线协同发展助力公司提升在功率器件市场份额。
 
瞻芯电子
2018 年 5 月,上海瞻芯电子称,公司制造的第一片国产 6 英寸碳化硅(SiC)MOSFET 晶圆正式面世。据介绍,上海瞻芯电子于 2017 年 10 月上旬完成工艺流程、器件和版图设计,在 10 月至 12 月间完成初步工艺试验,并且从 2017 年 12 月开始正式流片,2018 年 5 月成功地在一条成熟量产的 6 英寸工艺生产线上完成碳化硅 MOSFET 的制造流程。晶圆级测试结果表明,各项电学参数达到预期,为进一步完成工艺和器件设计的优化奠定了坚实基础。
 
 氮化镓
据 Yole 预测,2016-2020 年 GaN 射频器件市场将扩大至目前的 2 倍,市场复合年增长率(CAGR)将达到 4%;2020 年末,市场规模将扩大至目前的 2.5 倍。2019-2020 年,5G 网络的实施将接棒推动 GaN 市场增长。未来 10 年,GaN 市场将有望超过 30 亿美元。
 
在 GaN 的部分,有台积电及世界先进提供 GaN-on-Si 的代工业务,稳懋则专攻 GaN-on-SiC 领域瞄准 5G 基地台的商机,X-Fab、汉磊及环宇也提供 SiC 及 GaN 的代工业务。随着代工业务的带动,第三代半导体材料的市场规模也将进一步扩大。
 
在 GaN 衬底方面,国内已经小批量生产 2 英寸衬底,具备 4 英寸衬底生产能力,并开发出 6 英寸衬底样品。国内可提供相关产品的企业有:纳维科技、中镓半导体。
 
纳维科技
苏州纳维依托中科院苏州纳米所而建。作为中国首家氮化镓衬底晶片供应商, 团队从氮化镓单晶材料气相生长的设备开始研发,逐步研发成功 1 英寸、2 英寸、4 英寸、6 英寸氮化镓单晶材料,实现了氮化镓单晶材料生长的 n 型掺杂、补偿掺杂,研制出高电导率的和半绝缘的氮化镓单晶。
 
中镓半导体
中镓半导体采用 MOCVD 技术、激光剥离技术、HVPE 技术相结合的方法,研发、生产产品包括:GaN 半导体衬底材料,包括 GaN 衬底,GaN/Al₂O₃复合衬底,图形化蓝宝石衬底。
 
2018 年 2 月初,东莞市中镓半导体科技有限公司氮化镓(GaN)衬底量产技术实现重大突破!国内首创 4 英寸 GaN 自支撑衬底的试量产。
 
外延环节国内主要的企业有苏州晶湛、江西晶能、大连芯冠科技、中晶半导体、耐威科技投资的聚能晶源等。
 
苏州晶湛
苏州晶湛半导体有限公司致力于为微波射频和电力电子器件应用领域提供高品质氮化镓外延材料。2013 年 8 月,晶湛开始在苏州纳米城建设国际先进的 GaN 外延材料生产线,可年产 150mm 氮化镓外延片 2 万片。
 
2014 年底苏州晶湛在全球首家发布其商品化 8 英寸硅基氮化镓外延片产品,经有关下游客户验证,该材料具备全球领先的技术指标和卓越的性能,并填补了国内乃至世界氮化镓产业的空白。
 
大连芯冠科技
大连芯冠科技有限公司是一家由海外归国团队创立的半导体高科技企业。开展以氮化镓为代表的第三代半导体外延材料和电子器件的研发与产业化。
 
公司拥有国际先进的德国爱思强 MOCVD 外延炉及外延表征设备、6 英寸化合物半导体芯片生产线、晶圆在片检测系统、可靠性测试系统和应用开发系统。在电力电子领域,公司已实现 6 英寸 650 伏硅基氮化镓外延片的量产,并发布了比肩世界先进水平的 650 伏硅基氮化镓功率器件产品,主要应用于电源管理、太阳能逆变器、电动汽车及工业马达驱动等领域。在微波射频领域,公司已进行硅基氮化镓外延材料的开发,射频芯片的研发与产业化准备工作亦已展开,产品定位为 10 GHz 以下的射频通讯和射频能量市场。
 
中晶半导体
中晶半导体主要以 HVPE 设备等系列精密半导体设备制造技术为支撑,以 GaN 衬底为基础,重点发展 Mini/MicroLED 外延、芯片技术,并向新型显示模组方向延展;同时,中晶半导体将以 GaN 衬底材料技术为基础,孵化 VCSEL、电力电子器件、化合物半导体射频器件、车灯封装模组、激光器封装模组等国际前沿技术,并进行全球产业布局。
 
聚能晶源
2018 年,耐威科技先后投资设立了聚能晶源、青岛聚能创芯微电子有限公司,2018 年 12 月聚能晶源成功研制了 8 英寸硅基氮化镓(GaN-on-Si)外延晶圆。该型外延晶圆在实现了 650V/700V 高耐压能力的同时,保持了外延材料的高晶体质量、高均匀性与高可靠性,可以完全满足产业界中高压功率电子器件的应用需求
 
器件 / 模块 /IDM 方面,英诺赛科、华润微、苏州能讯、江苏能华、士兰微、江苏华功半导体、三安集成、海威华芯均已进入布局。

 

 
英诺赛科
英诺赛科(珠海)科技有限公司是 2015 年 12 月由海归团队发起,并集合了数十名国内外精英联合创办的第三代半导体电力电子器件研发与生产的高科技企业。公司商业模式采用 IDM  全产业链模式,致力于打造一个集研发、设计、外延生长、芯片制造、测试与失效分析为一体的第三代半导体生产平台。
 
2017 年 11 月英诺赛科的 8 英寸硅基氮化镓生产线通线投产,成为国内首条实现量产的 8 英寸硅基氮化镓生产线。
 
2018 年年中,英诺赛科宽禁带半导体项目在苏州市吴江区举行开工仪式。据悉,该项目总投资 60 亿,占地 368 亩,建成后将成为世界一流的集研发、设计、外延生产、芯片制造、分装测试等于一体的第三代半导体全产业链研发生产平台,填补我国高端半导体器件的产业空白。
 
英诺赛科 CEO 孙在亨表示,目前,在氮化镓的电子电力器件及射频器件,尤其是硅基氮化镓领域,我国还未能实现国产化。该项目的落地,就是要打破这样的局面、填补我国高端半导体器件的产业空白。同时,该项目也是该领域全球首个大型量产基地,单月满产可达 6-8 万片,为 5G 移动通信、新能源汽车、高速列车、电子信息、航空航天、能源互联网等产业的自主创新发展和其他转型升级行业提供先进、高效、节能和低成本的核心电子元器件。
 
华润微
华润微规划建设的化合物半导体项目,判断生产线主要是 GaN 工艺。该项目将分两期实施,其中一期项目投资 20 亿元,二期投资 30 亿元。
 
2017 年 12 月,华润微电子对中航(重庆)微电子有限公司完成收购,拥有 8 英寸硅基氮化镓生产线,国内首个 8 英寸 600V/10A GaN 功率器件产品,用于电源管理。
 
苏州能讯
能讯半导体采用整合设计与制造(IDM)的模式,自主开发了氮化镓材料生长、芯片设计、晶圆工艺、封装测试、可靠性与应用电路技术。能讯半导体在江苏昆山国家高新区建成了中国第一家氮化镓(GaN)电子器件工厂,厂区占地 55 亩,累计投资 10 亿元。完成了面向 5G 通信系统的技术与产品的积累,产品性能已通过国际一流通讯企业的测试与认证。目前已可以提供 6 英寸、8 英寸硅基氮化镓晶圆材料。
 
2018 EDICON China 展会上,能讯半导体推出了 780 Dual-Path 封装的大功率射频功放管及各类解决方案,满足基站客户高频、宽带、高效的系统要求;尤其是效率高达 60%的 1.8GHz FDD Doherty 功放,领先同期主流 LDMOS PA 效率高达 5% 以上。
 
江苏能华
江苏能华由国家“千人计划”专家朱廷刚博士创办,建设 8 条 6 英寸以上的外延片生产线和一条完整的功率器件工艺生产线,主要生产以氮化镓为代表的复合半导体高性能晶圆及其功率器件、芯片和模块。
 
2016 年,江苏能华参与了国家重点研发计划战略性先进电子材料重点专项,进行 GaN 基新型电力电子器件关键技术项目。
 
士兰微
杭州士兰微电子股份有限公司坐落于杭州高新技术产业开发区,是专业从事集成电路芯片设计以及半导体微电子相关产品生产的高新技术企业,公司现在的主要产品是集成电路和半导体产品。
 
2017 年三季度士兰微打通了一条 6 英寸的硅基氮化镓功率器件中试线。打通之后士兰微会进一步加强这方面的技术研发,公司预计在未来 1-2 年内会有产品突破,能够有新产品尽快推到市场上。
 
2018 年 10 月,杭州士兰微电子股份有限公司厦门 12 英寸芯片生产线暨先进化合物半导体生产线正式开工。2017 年 12 月,士兰微电子与厦门市海沧区人民政府签署了《战略合作框架协议》。士兰微电子公司与厦门半导体投资集团有限公司共同投资 220 亿元人民币,在厦门规划建设两条 12 英寸 90~65nm 的特色工艺芯片(功率半导体芯片及 MEMS 传感器)生产线和一条 4/6 英寸兼容先进化合物半导体器件(第三代功率半导体、光通讯器件、高端 LED 芯片)生产线。
 
华功半导体
江苏华功半导体有限公司成立于 2016 年 5 月,在第三代半导体行业拥有雄厚的专家资源、优秀的人才队伍、长期的技术积累和丰富的产业化经验。
 
华功半导体的技术团队以北京大学、中山大学以及合作的高校产业化企业为核心,从 2012 年开始合作推动硅基氮化镓功率电子产业化,目前已攻克了相关材料与器件的产业化关键技术。
 
三安集成
2018 年 11 月,据厦门晚报报道,经过 4 年多的建设,省、市重点项目三安集成电路(一期)基本完工,目前已小批量生产砷化镓、氮化镓和碳化硅产品,并陆续投用市场。新建的生产线将积极布局国产化品牌的 5G 射频、光通讯等领域芯片,将在 5G、无人驾驶及新能源汽车等领域。
 
截至 2018 年 10 月,三安集成电路(一期)累计完成固定资产投资 24.1 亿元,拥有涵盖 GaAs、GaN、SiC 芯片及外延的生产线,现有年产能 9.6 万片 / 年,达产后可形成 36 万片 / 年的产能规模。
 
海威华芯
海威华芯是国内首家提供六英吋砷化镓 / 氮化镓微波集成电路的纯晶圆代工(FOUNDRY)服务公司。2016 年 7 月国家队国开基金 1.52 亿元增资海威华芯,为半导体产业护航。海威华芯二股东四威电子为中电科 29 所旗下全资子公司,且海特高新已与 29 所签署了《战略合作意向书》,为公司军用订单 奠定基础。
 
公司在 2017 年年报中表示,海威华芯技术研发团队的砷化镓制程研发方面 IPD 和 PPA25 产线试生产阶段良率达到预期水平,具备初步量产能力;氮化镓成功突破 6 英寸 GaN 晶圆键合技术;芯片产品开发方面,通用芯片、定制芯片、数字电路等开发设计超过 120 余款,包括滤波器、功分器、开关矩阵、耦合器等产品。