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集微咨询:第三代半导体发展驶向快车道-SiC发展得衬底者得天下

2021-10-06   信息来源:https://www.163.com/dy/article/GLK3B0S20511RIVP.ht

集微咨询(JW insights)认为:

- 随着SiC、GaN器件的制备工艺逐步成熟,其生产成本也在不断降低,第三代半导体发展正驶向快车道;

- SiC产业格局呈现美欧日三足鼎立态势,但中国大陆在全产业链均有布局;

- 2022年Q1预计4英寸半绝缘晶圆仍是市场主流,2022下半年慢慢转向6英寸;

- 第三代半导体发展关键为SiC衬底,这也是SiC领导厂商寡占市场的主因,大陆仍面临衬底技术瓶颈。

半导体材料是半导体产业链上游中的重要组成部分,在集成电路、分立器件等半导体产品生产制造中起到关键性的作用。当前,在全球推进“碳达峰”、实现“碳中和”的趋势浪潮下,第三代化合物半导体正在加速发展。而以碳化硅(SiC)为代表的第三代半导体材料是继硅材料之后最有前景的半导体材料之一。

图源:台湾工研院产科研究所

全国近四成省份同步发展第三代半导体

相比第一代与第二代半导体材料,第三代半导体材料是具有较大禁带宽度(禁带宽度>2.2eV)的半导体材料。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)等,这些材料在导热率、抗辐射能力、击穿电场、电子饱和速率等方面优点突出,因此更适用于高温、高频的场合。

近年来,随着SiC、GaN器件的制备工艺逐步成熟,其生产成本也在不断降低,第三代半导体正以其优良的性能突破传统硅基材料的瓶颈,逐步进入硅基半导体市场,有望引领新一轮产业革命。

当前,包括中国、欧洲、美国、日本、韩国等在内的国家或地区都纷纷开始制定计划,大力发展第三代半导体产业。

中国高度重视第三代半导体产业,并推出了一系列“组合拳”政策促进发展。2021年“十四五”规划提出要瞄准集成电路等前沿领域,推动碳化硅、氮化镓等宽禁带半导体发展。集微咨询(JW insights)整理发现,中国已有超13省“十四五”规划重点提及第三代半导体。据不完全统计,2020年所披露全国新开工以及新签约第三代半导体产业项目的投资总额已超400亿元。2020年,我国第三代半导体领域融资超15笔,总融资规模超35亿元;2021上半年,我国第三代半导体领域融资超10笔。

第三代半导体的发展已然驶向快车道。由于SiC的研究和发展更为成熟,本文我们将主要聚焦于SiC的发展情况。

受材料本身特性的限制,传统硅基功率元件已经渐渐难以满足5G基站、新能源车及高铁等新兴应用对元件高功率及高频性能的需求,但SiC作为半导体材料具有优异的性能,尤其是用于功率转换和控制的功率元件。与传统硅元件相比可以实现低导通电阻、高速开关和耐高温高压工作,因此近年来倍受欢迎。

SiC全产业链发展概况

碳化硅产业链环节分为衬底片、外延片和器件环节。其中,衬底是所有半导体芯片的底层材料,起物理支撑、导热、导电等作用;外延是在衬底材料上生长出新的半导体晶层,这些外延层是制造半导体芯片的重要原料,影响元件的基本性能。

图:全球SiC产业链主要厂商

根据Yole数据,SiC功率器件市场规模将从2018年的4亿美元增加到2027年172亿美元,CAGR约51%。其中,SiC衬底材料市场规模将从2018 年的1.21亿美元增长到2024年的11亿美元,CAGR达44%。

从产业格局看,目前全球SiC产业格局呈现美国、欧洲、日本三足鼎立态势。其中美国全球独大,占有全球SiC产量的70%~80%,碳化硅晶圆市场Cree一家市占率高达6成之多属于绝对龙头。欧洲拥有完整的SiC衬底、外延、器件以及应用产业链,在全球电力电子市场拥有强大的话语权;日本是设备和模块开发方面的绝对领先者。

中国企业在衬底、外延和器件方面均有所布局,包括SiC衬底材料厂商露笑科技、天科合达、山东天岳,元件商斯达半导体、华润微、扬杰科技、泰科天润等;代工龙头三安光电。

图:2020年我国第三代半导体企业分布地图 数据来源:CASA Research

集微咨询(JW insights)统计,近两年,从产业链看,国内签约落地的SiC产业相关项目主要是衬底项目,占比44%,主要建设的是6英寸衬底产线。其中,规划建设的8英寸产线相对比4英寸产线建设数量少。以下是集微咨询(JW insights)整理的部分国内SiC晶圆厂最新动态。

得衬底得天下

在多个产业链环节中,第三代半导体发展关键为SiC衬底。SiC电力电子器件与GaN-on-SiC射频器件是成长性较高的两项产品,年复合成长率分别达27%及26%,都需要采用SiC衬底。此外,SiC电力电器器件的成本架构中,也是以衬底价值占比最大,高达50%。其余外延片占25%,制造占20%,后段封测占5%。

据了解,SiC衬底成本高,当前是Si的4-5 倍,预计未来3-4年价格会逐渐降为Si的2倍。而SiC衬底成本居高的原因主要是制备难度大,与硅相比,SiC更难处理。

SiC衬底与传统的硅晶锭有很大不同,从设备、工艺、处理到切割的一切都需要进行开发,以处理SiC。整个SiC产业链最大的瓶颈在自行长晶,SiC长晶效率又比Si慢100至200倍,Si长晶约3天即可制造高度200cm晶棒,SiC要7天才能长出2至5cm的晶球。此外,SiC硬且脆,切割、研磨抛光难度高,会有很多报废物;目前一二代半导体大厂从长晶切片到后段制程也多为一条龙作业。集微咨询(JW insights)了解到,第三代半导体具备经验丰富的后段加工制程,但遇到的难题在于无法长晶,只能向有办法自行长晶的厂商去购买或是合作,借由采购回去的长晶做切片跟加工。

SiC衬底主要玩家目前依旧是Cree、II-VI、ROHM,而英飞凌、意法半导体(ST)都是以采购Cree衬底为主;再者据了解Cree是垂直整合供应商,不太会出售质量最上层的Wafer,也是业内皆知。当前,国内厂商同样面临着长晶技术的挑战,但要突破国外厂商独领风头的寡占地位,或当下的贸易壁垒限制,国内似乎只有提升良率这一条突围之路。

同时,SiC衬底设备的自研自制比重较大,也是衬底技术长期荣登SiC领导厂商寡占市场的主因。当前,SiC市场由美日IDM厂商寡占,主要原因就是掌握衬底材料,且其长晶炉皆为自研自制。

当前,国内SiC商业化衬底以4英寸为主,逐步向6英寸过渡,但国内SiC衬底单晶质量与国外差距明显,存在单晶性能一致性差、成品率低、成本高等问题。第三代半导体产业技术创新战略联盟发布报告指出,国内高性能衬底自给率仍然较低,占全球的市场份额不到5%。反观国外巨头Cree,预计2022年量产8英寸,带来的经济规模的效应会远远超越4或6英寸市场;除此之外,中国台湾地区、日本研发团队积极开发独家专利技术,同步在大陆市场布局,有计划性地掌握建立本土供应链的机会,这些都是大陆厂商需要面对的发展瓶颈。

可以预期,未来,在降低成本和市场需求等多重因素影响下,SiC 衬底尺寸将持续扩大。而我国将推进6英寸衬底规模化量产,突破8英寸衬底关键技术,降低成本,提高自给率。

集微咨询(JW insights)认为,随着国内外SiC产业链日趋成熟,成本也在持续下降,产业链爆发的拐点临近。我国在市场和应用领域有战略优势,已经形成完善的产业链条,有机会实现核心技术突破和产业战略引领,重塑全球半导体产业格局。(校对/holly)