2月27日，第三代半導(dǎo)體碳化硅材料生產(chǎn)基地在深圳市寶安區(qū)啟用。該基地由深圳市重投天科半導(dǎo)體有限公司（以下簡稱“重投天科”）建設(shè)運(yùn)營，預(yù)計(jì)今年襯底和外延產(chǎn)能達(dá)25萬片，將進(jìn)一步補(bǔ)強(qiáng)深圳第三代半導(dǎo)體“虛擬全產(chǎn)業(yè)鏈（VIDM）”，助力廣東打造國家集成電路產(chǎn)業(yè)發(fā)展“第三極”。

芯片的生產(chǎn)流程可分解為“設(shè)計(jì)、制造、封裝測(cè)試”，襯底和外延材料是芯片制造環(huán)節(jié)的核心基礎(chǔ)，位于整套工藝的最上游端。當(dāng)前，廣東正聚力打造中國集成電路第三極，深圳則在國內(nèi)率先提出了第三代半導(dǎo)體“虛擬全產(chǎn)業(yè)鏈（VIDM）”發(fā)展模式。位于寶安區(qū)石巖街道的深圳市第三代半導(dǎo)體材料產(chǎn)業(yè)園，由重投天科建設(shè)運(yùn)營，總投資32.7億元，重點(diǎn)布局6英寸碳化硅單晶襯底和外延生產(chǎn)線，是廣東省和深圳市重點(diǎn)項(xiàng)目、深圳全球招商大會(huì)重點(diǎn)簽約項(xiàng)目。

以碳化硅為代表的第三代寬禁帶半導(dǎo)體材料，是繼硅以后最有行業(yè)前景的半導(dǎo)體材料之一，主要應(yīng)用于5G通訊、新能源汽車、電力電子以及大功率轉(zhuǎn)換領(lǐng)域等戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)。國際知名市場(chǎng)調(diào)研機(jī)構(gòu)Yole報(bào)告顯示，重投天科的投資方之一，北京天科合達(dá)半導(dǎo)體股份有限公司（以下簡稱“天科合達(dá)”）是第三代半導(dǎo)體材料的頭部企業(yè)，2022年導(dǎo)電型碳化硅襯底營收占全球總營收的12.8%，較2021年大幅提升，評(píng)估認(rèn)為該公司2022年國內(nèi)市占率為60%左右。

據(jù)悉，隨著該項(xiàng)目投產(chǎn)、滿產(chǎn)，將有效解決下游客戶在軌道交通、新能源汽車、分布式新能源、智能電網(wǎng)、高端電源、5G通訊、人工智能等重點(diǎn)領(lǐng)域的碳化硅器件產(chǎn)業(yè)鏈發(fā)展的原材料基礎(chǔ)保障和供應(yīng)瓶頸。

未來，重投天科還將設(shè)立大尺寸晶體生長和外延研發(fā)中心，并與本地重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室在儀器設(shè)備共享及材料領(lǐng)域開展合作，與重點(diǎn)裝備制造企業(yè)加強(qiáng)晶體加工領(lǐng)域的技術(shù)創(chuàng)新合作，聯(lián)動(dòng)下游龍頭企業(yè)在車規(guī)器件、模組研發(fā)等工作上聯(lián)合創(chuàng)新，并助力深圳提升8英寸襯底平臺(tái)領(lǐng)域研發(fā)及產(chǎn)業(yè)化制造技術(shù)水平。


第三代半導(dǎo)體應(yīng)用前景廣闊

各地加碼第三代半導(dǎo)體投資，根本原因在于其應(yīng)用前景廣闊。

以碳化硅(SiC)和氮化鎵(GaN)兩大主流為例：

碳化硅(SiC)器件下游應(yīng)用領(lǐng)域包括電動(dòng)汽車、光伏發(fā)電、軌道交通、智能電網(wǎng)、5G通信等，其中新能源汽車為最大終端應(yīng)用市場(chǎng)。高轉(zhuǎn)換效率和高功率帶來整車系統(tǒng)成本下降，特斯拉、比亞迪、小鵬等車企相繼使用SiC MOSFET。Yole預(yù)計(jì)2027年全球?qū)щ娦吞蓟韫β势骷袌?chǎng)規(guī)模有望達(dá)63億美元，其中電動(dòng)汽車下游領(lǐng)域占比達(dá)80%。

供給端，目前全球碳化硅市場(chǎng)呈美國、歐洲、日本三足鼎立的格局，海外龍頭主導(dǎo)出貨量，全球有效產(chǎn)能仍不足。據(jù)浙商證券測(cè)算，2025年全球碳化硅襯底市場(chǎng)需求達(dá)188.4億元，碳化硅器件市場(chǎng)需求達(dá)627.8億元。2025年之前行業(yè)仍呈現(xiàn)供給不足的局面。

氮化鎵(GaN)器件也是支撐“新基建”建設(shè)的關(guān)鍵核心部件，在5G基站、新能源充電樁等新基建代表中均有所應(yīng)用。隨著國家政策的推動(dòng)和市場(chǎng)的需求，GaN器件在5G基站、數(shù)據(jù)中心有望集中放量，穩(wěn)定增長。同時(shí)，在太陽能逆變器、風(fēng)力發(fā)電、新能源汽車等方面，GaN也將隨著技術(shù)不斷進(jìn)步陸續(xù)“上車”。

2021年我國5G基站用GaN射頻規(guī)模36.8億元。2023年以后，毫米波基站部署將成為拉動(dòng)市場(chǎng)的主要力量，帶動(dòng)國內(nèi)GaN微波射頻器件市場(chǎng)規(guī)模成倍數(shù)增長。在“快充”場(chǎng)景下，根據(jù)Yole預(yù)測(cè)，2020年全球GaN功率市場(chǎng)規(guī)模約為4600萬美元，預(yù)計(jì)2026年可達(dá)11億美元，2020-2026年CAGR有望達(dá)到70%。

除此以外，2023年，伴隨ChatGPT風(fēng)靡全球，AIGC有望加速推動(dòng)其下游業(yè)務(wù)，對(duì)上游算力支撐提出巨大需求，數(shù)據(jù)中心放量確定性極強(qiáng)。GaN功率半導(dǎo)體主要用于數(shù)據(jù)中心的PSU電源供應(yīng)單元，與傳統(tǒng)Si相比更具優(yōu)勢(shì)。

三條“充滿挑戰(zhàn)但必須要走的路”

芯聯(lián)集成總經(jīng)理趙奇日前做客《滬市匯·硬科硬客》第二期節(jié)目“換道超車第三代半導(dǎo)體”時(shí)表示，國內(nèi)第三代半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)鏈發(fā)展過程中，面臨著三條“充滿挑戰(zhàn)、但必須要走的路”。

趙奇認(rèn)為，必須認(rèn)清，性價(jià)比優(yōu)秀的硅基IGBT產(chǎn)業(yè)是碳化硅的強(qiáng)力競爭對(duì)手，要將碳化硅的單器件成本控制在硅基IGBT的2.5倍，才有可能實(shí)現(xiàn)碳化硅的大規(guī)模商業(yè)化應(yīng)用。應(yīng)當(dāng)從提升良率、迭代溝槽MOSFET、升級(jí)8英寸襯底三個(gè)方向來改進(jìn)。

“中國第三代半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)發(fā)展的‘春秋時(shí)代’已經(jīng)結(jié)束了，2024年將會(huì)進(jìn)入‘戰(zhàn)國時(shí)代’，形成‘戰(zhàn)國七雄’，期間一定會(huì)伴隨激烈競爭。”趙奇預(yù)測(cè)，2024年中國也可能迎來碳化硅爆發(fā)式的增長。

過去兩三年，國內(nèi)第三代半導(dǎo)體整個(gè)產(chǎn)業(yè)鏈都處在快速發(fā)展的進(jìn)程中。

“本土供需缺口正在不斷縮小。”趙奇指出，在以襯底和外延為主的材料端，國內(nèi)廠家不僅能夠保證本土供應(yīng)，并且已經(jīng)開始出口，比如碳化硅二極管、氮化鎵器件都已實(shí)現(xiàn)本土化生產(chǎn)；最難的可以用于車載主驅(qū)逆變器的碳化硅MOSFET器件和模塊，已經(jīng)在國內(nèi)實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)；2023年下半年，用于主驅(qū)逆變的國內(nèi)芯片，也已經(jīng)開始實(shí)際使用。

“由此可見，第三代半導(dǎo)體進(jìn)口替代方面，國內(nèi)產(chǎn)業(yè)鏈各個(gè)方向都已實(shí)現(xiàn)突破，后面就是數(shù)量的逐漸擴(kuò)大了。”趙奇表示。

當(dāng)然，機(jī)遇與挑戰(zhàn)并存。趙奇指出，國內(nèi)第三代半導(dǎo)體行業(yè)發(fā)展過程中，在8英寸碳化硅器件產(chǎn)線建設(shè)、MOSFET器件大規(guī)模量產(chǎn)、國外主流廠商殺向國內(nèi)市場(chǎng)爭奪份額三個(gè)方面還面臨著挑戰(zhàn)。

首先，國外碳化硅主流廠商已開始積極布局8英寸的襯底、外延和器件生產(chǎn)能力，國內(nèi)目前還在發(fā)展6英寸，8英寸只在規(guī)劃和研發(fā)狀態(tài)中。“目前來看，國內(nèi)碳化硅往8英寸切換的速度，確實(shí)比國外稍微落后了一些。”趙奇表示。

究其原因，可能是一個(gè)“先有雞還是先有蛋”的問題。

“襯底廠家可能會(huì)覺得，國內(nèi)一條8英寸的碳化硅產(chǎn)線都沒有，我為什么要大力去做8英寸襯底？而我們器件廠家也會(huì)考慮，國內(nèi)8英寸襯底還不是太成熟，我拿什么來Run這個(gè)線？”趙奇如是解釋。

芯聯(lián)集成希望能打破這個(gè)僵局。

芯聯(lián)集成是一家聚焦MEMS傳感器和功率半導(dǎo)體器件的特色工藝晶圓代工企業(yè)。從2023年起，芯聯(lián)集成開始建設(shè)國內(nèi)第一條8英寸碳化硅器件產(chǎn)線，旨在用此來帶動(dòng)國內(nèi)8英寸襯底、外延、器件生產(chǎn)的整個(gè)鏈條，趕上國外主流廠商們的布局。

“無論是襯底，還是器件制造，從6英寸到8英寸，還有很多技術(shù)改進(jìn)和突破要完成，這是一條充滿挑戰(zhàn)但必須要走的路。”趙奇坦言。

第二個(gè)挑戰(zhàn)是，盡管國內(nèi)襯底和外延在規(guī)模上已相對(duì)成熟，但碳化硅器件批量生產(chǎn)、尤其是用于主驅(qū)逆變的國內(nèi)芯片才剛起步，規(guī)模對(duì)比國外主流廠商還有所差距。

“從開始量產(chǎn)到大規(guī)模量產(chǎn)的過程中，生產(chǎn)端還有很多需要不斷去優(yōu)化的方向。當(dāng)我們襯底、外延和芯片都能夠?qū)崿F(xiàn)大規(guī)模量產(chǎn)了，才能說我們整個(gè)產(chǎn)業(yè)鏈條是成熟和完整的。”趙奇表示。

第三個(gè)挑戰(zhàn)關(guān)乎國外主流廠商對(duì)于中國市場(chǎng)的覬覦。

“中國新能源汽車以及風(fēng)、光、儲(chǔ)的終端已處于全球第一梯隊(duì)，過去一兩年，國外碳化硅主流廠商紛紛在國內(nèi)布局產(chǎn)能。”趙奇指出，他們的目的很明確，就是要搶奪中國的碳化硅市場(chǎng)。

“國外這些比我們走得早的碳化硅廠家‘殺’到門口來，就需要我們更加努力在技術(shù)領(lǐng)先、技術(shù)創(chuàng)新、成本優(yōu)勢(shì)方面下功夫。你要有性價(jià)比更好的產(chǎn)品去跟他們競爭。”趙奇認(rèn)為這對(duì)處在成長期的國內(nèi)產(chǎn)業(yè)鏈而言也是嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。

MOCVD設(shè)備有機(jī)會(huì)爆發(fā)

金屬有機(jī)化學(xué)氣相沉積（或MOCVD）設(shè)備市場(chǎng)是外延設(shè)備市場(chǎng)的一個(gè)子細(xì)分市場(chǎng)，過去十年來，它通常只占整個(gè)晶圓制造設(shè)備（或WFE（ wafer fabrication equipment））市場(chǎng)的個(gè)位數(shù)百分比。雖然MOCVD并不是一項(xiàng)廣泛使用的技術(shù)，但它確實(shí)有其特定的用途。MOCVD工具使用精確控制的惰性氣體在晶圓上制造原子薄層，長期以來一直用于制造LED和其他光電子設(shè)備。事實(shí)上，現(xiàn)有的GaN和SiC的半導(dǎo)體材料生產(chǎn)商在大約10-15年前（2009-2012年）享受到了大規(guī)模投資LED生產(chǎn)能力的繁榮，然后在2016-2018年又享受到了另一波繁榮，因?yàn)楣就顿Y生產(chǎn)與3D感測(cè)相關(guān)的VCSEL和其他組件（主要是為了滿足蘋果公司手機(jī)的需求）。

由于基于GaN和SiC的半導(dǎo)體材料能夠更好地滿足電動(dòng)汽車逆變器、光伏電池逆變器、工業(yè)電源、服務(wù)器和電信電源等領(lǐng)域的全新高功率應(yīng)用的特殊要求，市場(chǎng)需求蓬勃發(fā)展，那些具有GaN和SiC的新型專用高功率半導(dǎo)體的生產(chǎn)能力的公司迎來了新一輪的繁榮。盡管SiC當(dāng)前備受矚目，因?yàn)樗梢杂糜谄囯妱?dòng)化，但GaN（適用于高功率和高頻RF應(yīng)用）同樣具有巨大的市場(chǎng)，，并且存在更多專業(yè)應(yīng)用領(lǐng)域中的其他機(jī)遇，例如鎵砷(GaAs)、磷化銦(InP)和氮化鎵-碳化硅(GaN-on-SiC)。

我們預(yù)計(jì)未來幾年碳化硅（SiC）市場(chǎng)份額將會(huì)有顯著增長。隨著200mm晶圓的推廣，市場(chǎng)上出現(xiàn)了新的生產(chǎn)工具銷售機(jī)會(huì)，例如G10-SiC系統(tǒng)能夠處理150mm和200mm兩種尺寸的晶圓，但關(guān)鍵在于它是一個(gè)多批次處理工具，可以處理多達(dá)九個(gè)150mm晶圓和六個(gè)200mm晶圓。

我們預(yù)計(jì)至少未來三年的強(qiáng)勁資本支出投資于金屬有機(jī)化學(xué)氣相沉積（或稱MOCVD）設(shè)備；而接下來發(fā)生的事情是看漲和看跌之間爭論的一個(gè)要點(diǎn)；Infineon，ON Semi，STMicro和Wolfspeed都在雄心勃勃地推進(jìn)資本支出擴(kuò)張計(jì)劃，但這種資本支出不會(huì)一直持續(xù)下去——最終它們將不再追趕需求，而是將有過剩的產(chǎn)能；不過在這一點(diǎn)上，預(yù)計(jì)金屬有機(jī)化學(xué)氣相沉積（或稱MOCVD）設(shè)備廠商將從電力/射頻客戶那里得到補(bǔ)充。