第三代半導(dǎo)體真的會(huì)火嗎？

  毋庸置疑，第三代半導(dǎo)體最近真的很火。相關(guān)股市板塊逆勢(shì)而上，據(jù)同花順iFinD數(shù)據(jù)，26只第三代半導(dǎo)體概念股半個(gè)月的總市值就漲了100億元以上，股價(jià)漲幅最高者超100%。

  從投資來看，進(jìn)入2020年以來，已有8家半導(dǎo)體企業(yè)共計(jì)預(yù)投資大約430多億，第三代半導(dǎo)體項(xiàng)目在國(guó)內(nèi)已處于火熱階段。

  而真正的大火，來自于媒體消息，中國(guó)正在規(guī)劃將大力支持發(fā)展第三代半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)寫入“十四五”規(guī)劃之中，計(jì)劃在2021到2025年的五年之內(nèi)，在教育、科研、開發(fā)、融資、應(yīng)用等等各個(gè)方面，大力支持發(fā)展第三代半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)，以期實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)獨(dú)立自主，甚至彎道超車。

  政策，是最大的商機(jī)。在政策的支持下，第三代半導(dǎo)體真的會(huì)持續(xù)會(huì)火起來嗎?不過，從產(chǎn)業(yè)的角度來看，中國(guó)第三代半導(dǎo)體真正要火起來并不容易，面臨四大問題。

第一大問題：技術(shù)差距明顯

  早在1987年，科銳公司(Cree)成立，專門從事SiC半導(dǎo)體的研究。最初，針對(duì)禁帶半導(dǎo)體的研究與開發(fā)主要是為了滿足軍事國(guó)防方面的需求。隨后，美國(guó)國(guó)防部和能源部先后啟動(dòng)了"寬禁帶半導(dǎo)體技術(shù)計(jì)劃"和"氮化物電子下一代技術(shù)計(jì)劃"，積極推動(dòng)SiC(碳化硅)和GaN(氮化鎵)寬禁帶半導(dǎo)體技術(shù)的發(fā)展。緊跟美國(guó)之后，歐洲和日本也相繼開展了相關(guān)研究，經(jīng)過多年發(fā)展，在寬禁帶半導(dǎo)體材料、器件及系統(tǒng)的研究上取得了豐碩的成果，實(shí)現(xiàn)了在軍事國(guó)防領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用。

  隨著在軍事領(lǐng)域的應(yīng)用逐步成熟，第三代半導(dǎo)體應(yīng)用開始逐步拓展到民用領(lǐng)域，近年來，大量的以新技術(shù)為基礎(chǔ)的新產(chǎn)品、新應(yīng)用正在迅速普及，所帶來的電力電子設(shè)備的能源消耗量也快速增長(zhǎng)。半導(dǎo)體在節(jié)能領(lǐng)域中應(yīng)用最多就是功率器件，寬禁帶半導(dǎo)體的帶隙明顯大于硅半導(dǎo)體，從而可有效減小電子跨越的鴻溝，減少能源損耗。但真正讓第三代半導(dǎo)體應(yīng)用得到極大關(guān)注的還是特斯拉采用碳化硅功率器件，把這個(gè)產(chǎn)業(yè)向前快速推進(jìn)。

  明星企業(yè)的影響力是市場(chǎng)最大的推手，正如小米科技雷軍發(fā)布GaN手機(jī)充電器，在國(guó)內(nèi)把GaN推向了高潮。

  第三代半導(dǎo)體的生產(chǎn)步驟包括單晶生長(zhǎng)、外延層生長(zhǎng)以及器件/芯片制造，分別對(duì)應(yīng)襯底、外延和器件/芯片?？傮w來說，第三代半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)目前主要處于國(guó)外企業(yè)壟斷的局面。

  襯底方面：

  1.碳化硅：目前國(guó)際企業(yè)正在從 4 英寸襯底向 6 英寸過渡，在研的有 8 英寸硅基襯底，而國(guó)內(nèi)仍然以 4 英寸為主。國(guó)外核心企業(yè)有美國(guó)Cree、 DowCorning、德國(guó) SiCrystal、美國(guó) II-VI、日本昭和電工等，他們占據(jù)主要產(chǎn)能。Cree占據(jù)40%市場(chǎng)，其次是美國(guó) II-VI，日本昭和電工，三者合計(jì)占據(jù)75%以上的市場(chǎng)。國(guó)內(nèi)則以天科合達(dá)、山東天岳、同光晶體等公司為主，他們主要供應(yīng) 3 ~ 4 英寸的單晶襯底。

  2.氮化鎵：全球目前商用化合物晶圓尺寸最大為6英寸，比如臺(tái)灣穩(wěn)懋等國(guó)際主流廠家都采用6吋工藝，其中GaAs襯底主流尺寸為6英寸，8英寸在開發(fā)中;GaN襯底以4/6英寸為主。這個(gè)市場(chǎng)的主導(dǎo)者是日本住友電工，市場(chǎng)占有率約90%。國(guó)內(nèi)廠家主要是2~4英寸。

  外延方面：

  1.碳化硅：外延片企業(yè)主要以美國(guó)的Cree、 DowCorning、II-VI、日本的羅姆、三菱電機(jī)，德國(guó)的Infineon 等為主。美國(guó)公司就占據(jù)全球70~80%的份額。國(guó)內(nèi)瀚天天成、東莞天域已能提供4英寸的碳化硅外延片。

  2.氮化鎵：外延片目前主要是日本的NTT-AT、比利時(shí)的 EpiGaN 、英國(guó)的IQE 、臺(tái)灣嘉晶電子等在供應(yīng)。2012年3月成立的蘇州晶湛半導(dǎo)體，國(guó)內(nèi)最早最大的氮化鎵外延片提供商，但市占率依舊很低。

  器件/芯片方面：

  1.碳化硅：國(guó)際上600~1700V SiC SBD、MOSFET 已經(jīng)實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化，主流產(chǎn)品耐壓水平在1200V以下，主流企業(yè)為Infineon、Cree、羅姆、意法半導(dǎo)體等。國(guó)內(nèi)則主要有泰科天潤(rùn)、深圳基本半導(dǎo)體、中電科55所、上海瞻芯電子等，相比國(guó)外還屬于起步階段。

  2.氮化鎵：分為射頻器件和電力電子器件。設(shè)計(jì)公司主要有美國(guó)的EPC、MACOM、Transphom、Navitas，德國(guó)的Dialog等公司，國(guó)內(nèi)有被中資收購的安譜隆(Ampleon)等。IDM企業(yè)則包括住友電工和Cree，他們的市場(chǎng)占有率均超過30%，其他還有 Qorvo 和 MACOM。國(guó)內(nèi)IDM企業(yè)蘇州能訊、英諾賽科、江蘇能華等加起來市場(chǎng)占有率不超過5%。

  晶圓代工的企業(yè)有美國(guó)環(huán)宇通訊半導(dǎo)體(GCS)、穩(wěn)懋半導(dǎo)體、日本富士通、Cree、臺(tái)灣嘉晶電子、臺(tái)積電、歐洲聯(lián)合微波半導(dǎo)體公司(UMS)等為主導(dǎo)，中國(guó)大陸的三安集成和海威華芯也已經(jīng)批量出貨。

  我國(guó)第三代半導(dǎo)體起步晚，2013年的“863計(jì)劃”第一次明確將第三代半導(dǎo)體材料及其應(yīng)用列為重要內(nèi)容。與國(guó)外相比，國(guó)內(nèi)第三代半導(dǎo)體技術(shù)差距明顯，穩(wěn)定性和可靠性是短板。

第二大問題：市場(chǎng)應(yīng)用有限

  很多文章介紹第三代半導(dǎo)體氮化鎵和碳化硅，都是從第一代硅，第二代砷化鎵開始介紹。給人的感覺，一代總比一代強(qiáng)。

  全球半導(dǎo)體年產(chǎn)值近5000億美金，90%以上來自第一代半導(dǎo)體。根據(jù)Omdia的《2020年SiC和GaN功率半導(dǎo)體報(bào)告》，到2020年底，全球SiC和GaN功率半導(dǎo)體的銷售收入預(yù)計(jì)將從2018年的5.71億美元增至8.54億美元。未來十年的年均兩位數(shù)增長(zhǎng)率，到2029年將超過50億美元。根據(jù)Yole預(yù)測(cè)，到2024年SiC功率半導(dǎo)體市場(chǎng)規(guī)模將增長(zhǎng)至20億美元，其中，汽車市場(chǎng)占SiC功率半導(dǎo)體市場(chǎng)比重到2024年預(yù)計(jì)將達(dá)50%。

  從上面的數(shù)據(jù)可以看出，在第一代半導(dǎo)體面前，第三代半導(dǎo)體的產(chǎn)值非常的小。國(guó)外發(fā)展第三代半導(dǎo)體不是因?yàn)樯庥卸嗝吹拇?，是因?yàn)閲?guó)防和科技信息技術(shù)的發(fā)展需要用到第三代半導(dǎo)體。同時(shí)，這是一個(gè)增量市場(chǎng)，也是企業(yè)可以尋求的增長(zhǎng)空間。

  從增量來源來看，5G、光伏智能電網(wǎng)、新能源汽車等是主要的增量來源。根據(jù)第3代半導(dǎo)體的發(fā)展情況，其主要應(yīng)用為半導(dǎo)體照明、電力電子器件、激光器和探測(cè)器、以及其他領(lǐng)域，每個(gè)領(lǐng)域產(chǎn)業(yè)成熟度各不相同。

  1、半導(dǎo)體照明

  在4個(gè)應(yīng)用領(lǐng)域中，半導(dǎo)體照明行業(yè)發(fā)展最為迅速，已形成百億美元的成熟產(chǎn)業(yè)規(guī)模。藍(lán)寶石基GaN是最常用的，也是最為成熟的材料體系，大部分LED照明都是通過這種材料體系制造的。SiC基GaN制造成本較高，但由于散熱較好，非常適合制造低能耗、大功率照明器件。

  2、電力電子器件

  在電力電子領(lǐng)域，目前市場(chǎng)規(guī)模僅為幾億美元。其應(yīng)用主要集中在軍事尖端裝備領(lǐng)域，正逐步向民用領(lǐng)域拓展。微波器件方面，GaN高頻大功率微波器件已開始用于軍用雷達(dá)、智能武器和通信系統(tǒng)等方面。

  3.激光器和探測(cè)器

  GaN激光器可以覆蓋到很寬的頻譜范圍，實(shí)現(xiàn)藍(lán)、綠、紫外激光器和紫外探測(cè)的制造。紫色激光器可用于制造大容量光盤，其數(shù)據(jù)存儲(chǔ)盤空間比藍(lán)光光盤高出20倍。除此之外，紫色激光器還可用于醫(yī)療消毒、熒光激勵(lì)光源等應(yīng)用，總計(jì)市場(chǎng)容量為10億美元。

  4、其他應(yīng)用在前沿研究領(lǐng)域

  第三代半導(dǎo)體可用于太陽能電池、生物傳感器、水制氫媒介、及其他一些新興應(yīng)用。

  在國(guó)內(nèi)，得到高度關(guān)注的第三代半導(dǎo)體應(yīng)用有：氮化鎵充電器電源IC、氮化鎵基站PA、氮化鎵5G手機(jī)PA、氮化鎵IGBT、碳化硅SBD、碳化硅MOSFET。

第三大問題：成本是最大瓶頸

  第三代半導(dǎo)體要擴(kuò)大應(yīng)用市場(chǎng)，成本是最大瓶頸。

  從增量市場(chǎng)來看，5G、光伏智能電網(wǎng)、新能源汽車這些主要市場(chǎng)對(duì)半導(dǎo)體技術(shù)要求很高，屬于前沿技術(shù)。中國(guó)第三代半導(dǎo)體從材料，到設(shè)計(jì)，再到晶圓制造都是起步階段。除了國(guó)內(nèi)個(gè)別企業(yè)有成熟的第三代半導(dǎo)體設(shè)計(jì)能力，產(chǎn)品可以批量出貨，其他還是小批量階段。國(guó)內(nèi)第三代半導(dǎo)體要主導(dǎo)5G、光伏智能電網(wǎng)、新能源汽車這三大領(lǐng)域，還需要很長(zhǎng)時(shí)間去沉淀和成長(zhǎng)。如果一定要加個(gè)具體時(shí)間，那也是5年以后的事情。

  前沿新市場(chǎng)的需求并不大，幾十億美金的市場(chǎng)相對(duì)于整個(gè)全球半導(dǎo)體來講還不到百分之一。國(guó)內(nèi)企業(yè)把機(jī)會(huì)瞄準(zhǔn)傳統(tǒng)消費(fèi)類電子應(yīng)用，比如：充電器電源芯片、肖特基二極管、MOSFET。也有國(guó)內(nèi)企業(yè)投入研發(fā)5G基站GaN PA，這是一塊20億美金的潛力市場(chǎng)。接下來分析第三代半導(dǎo)體的成本瓶頸。

  以碳化硅來說，技術(shù)難度在于3點(diǎn)：

  1.在長(zhǎng)晶的源頭晶種純度要求相當(dāng)高

       2.長(zhǎng)晶的時(shí)間相當(dāng)長(zhǎng)，碳化硅晶棒約需要7天。一般硅材料長(zhǎng)晶平均約3-4天即可長(zhǎng)成一根晶棒。

       3.長(zhǎng)一根碳化硅的長(zhǎng)晶棒只能長(zhǎng)出2公分，量產(chǎn)的成本高很多。而一般的硅晶棒約有200公分的長(zhǎng)度。

  據(jù)說，第三代半導(dǎo)體材料，這樣一片厚度只有0.5毫米的“碳化硅”6英寸晶片，市場(chǎng)售價(jià)高達(dá)2000美金。而12吋硅晶圓的平均單價(jià)在108～112美元價(jià)位，再加上制造成本和良率，第三代半導(dǎo)體比第一代半導(dǎo)體硅晶成本要貴很多倍。

  氮化鎵也是如此，氮化鎵在傳統(tǒng)消費(fèi)電子領(lǐng)域要取代砷化鎵和硅晶，成本是最大的挑戰(zhàn)。

  新興市場(chǎng)，半導(dǎo)體不看價(jià)格，但沒有量，技術(shù)要求高。工業(yè)電子市場(chǎng)，尤其是汽車電子市場(chǎng)，半導(dǎo)體單價(jià)高，需求量不大，但對(duì)技術(shù)和品質(zhì)的要求很高，國(guó)內(nèi)的半導(dǎo)體企業(yè)在時(shí)間上和技術(shù)難度上能不能扛得住是個(gè)很大的問題，短平快的投資環(huán)境，不會(huì)給企業(yè)那么多時(shí)間，沒有時(shí)間，技術(shù)如何積累?其實(shí)，最適合國(guó)內(nèi)半導(dǎo)體企業(yè)的是傳統(tǒng)消費(fèi)類電子行業(yè)。

  充電器電源芯片、肖特基二極管、MOSFET才是國(guó)內(nèi)第三代半導(dǎo)體企業(yè)最適合的領(lǐng)域。要用第三代半導(dǎo)體來研發(fā)生產(chǎn)這些產(chǎn)品，從而取代硅基，成本是最大瓶頸。

第四大問題：產(chǎn)業(yè)人才短缺

  第三代半導(dǎo)體最大的瓶頸是成本，中國(guó)半導(dǎo)體最大的瓶頸是人才。錢能解決很多問題，但不能解決眼下半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)人才短缺的問題，中國(guó)第三代半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)人才短缺更為明顯。

  在中國(guó)的大地上，芯片依舊很火，各行各業(yè)都來做芯片。搶人，成為時(shí)下最大的風(fēng)景?！吨行緡?guó)際為什么留不住人才》一度成為熱搜，甚至把所有的責(zé)備指向中芯國(guó)際。全國(guó)各地大建晶圓廠，產(chǎn)業(yè)人才哪里找?當(dāng)然是龍頭企業(yè)中芯國(guó)際。不是薪水低留不住人才，而是無論你薪水多高，人家都會(huì)更高薪水挖你人才。因?yàn)殄X不是自己掙出來的，是投資者和政策支持的。

  中國(guó)大陸企業(yè)做第三代半導(dǎo)體也就幾年時(shí)間，最初的人才來自海外。產(chǎn)業(yè)的發(fā)展需要大量人才，前期的人才培養(yǎng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)跟不上產(chǎn)業(yè)的發(fā)展和擴(kuò)張。從襯底材料到外延，再到晶圓制造，哪個(gè)環(huán)節(jié)都缺少人才。氮化鎵和碳化硅工藝的半導(dǎo)體設(shè)計(jì)公司也是最近幾年才開始，之前也沒有這方面的設(shè)計(jì)研發(fā)人才。第三代半導(dǎo)體也是化合物半導(dǎo)體，不能完全依靠EDA軟件，很大程度取決于經(jīng)驗(yàn)和對(duì)工藝的熟悉及理解?；衔?A href="http://huaquanjd.cn/site/CN/Search.aspx?page=1&keywords=%e5%8d%8a%e5%af%bc%e4%bd%93&column_id=ALL&station=%E5%85%A8%E9%83%A8" target="_blank">半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)人才的培養(yǎng)時(shí)間比第一代半導(dǎo)體人才的培養(yǎng)時(shí)間更長(zhǎng)，沒有個(gè)3-5年根本就成長(zhǎng)不起來。

  一家半導(dǎo)體工廠的負(fù)責(zé)人跟筆者講，當(dāng)?shù)禺a(chǎn)業(yè)基金鼓勵(lì)企業(yè)做第三代半導(dǎo)體，在資金和政策上給予支持，最大的問題是不知道從哪里找人，找一個(gè)人沒用，得找一個(gè)團(tuán)隊(duì)。就算找到了，可能也只有一點(diǎn)點(diǎn)經(jīng)驗(yàn)，需要邊做邊學(xué)，要花很長(zhǎng)的時(shí)間去積累。這一點(diǎn)，很有感觸。例如，三伍微基于第二代半導(dǎo)體砷化鎵工藝做射頻前端芯片設(shè)計(jì)，同屬于化合物半導(dǎo)體。有一次，我問公司一個(gè)做了5年基于砷化鎵工藝設(shè)計(jì)WIFI FEM的研發(fā)，“公司怎么幫助你，才能成為國(guó)內(nèi)WIFI FEM領(lǐng)域最頂級(jí)的人才?” 他延遲了幾秒鐘回答我：時(shí)間。

  在設(shè)計(jì)的過程中，研發(fā)會(huì)摸索出了一些經(jīng)驗(yàn)和思路，但需要時(shí)間去試驗(yàn)和總結(jié)?；衔?A href="http://huaquanjd.cn/site/CN/Search.aspx?page=1&keywords=%e5%8d%8a%e5%af%bc%e4%bd%93&column_id=ALL&station=%E5%85%A8%E9%83%A8" target="_blank">半導(dǎo)體對(duì)經(jīng)驗(yàn)很依賴，技術(shù)的解決和突破必須基于兩點(diǎn)：時(shí)間累積和Know-how。

  廠房可以一兩年建好，機(jī)器設(shè)備可以一兩年引進(jìn)安裝好，但產(chǎn)業(yè)人才不是一兩年可以培養(yǎng)起來的。沒有產(chǎn)業(yè)人才，短期內(nèi)第三代半導(dǎo)體在國(guó)內(nèi)遍地開花火起來是不可能的。

結(jié)語

  正如愛默生所說：“對(duì)于一心向著目標(biāo)前進(jìn)的人，全世界都會(huì)為他讓路”。但前提是，對(duì)產(chǎn)業(yè)的理解必須正確。在文章的結(jié)尾，引用下面網(wǎng)上的一個(gè)觀點(diǎn)做個(gè)討論。

  為什么說第三代半導(dǎo)體是中國(guó)大陸半導(dǎo)體的希望?

  第一，第三代半導(dǎo)體相比較第一代第二代半導(dǎo)體處于發(fā)展初期，國(guó)內(nèi)和國(guó)際巨頭基本處于同一起跑線。----以為是同一起跑線，實(shí)際上不是，落后5~10年。(筆者觀點(diǎn))

  第二，中國(guó)有第三代半導(dǎo)體的應(yīng)用市場(chǎng)，可以根據(jù)市場(chǎng)定義產(chǎn)品，而不是像之前跟著國(guó)際巨頭做國(guó)產(chǎn)化替代。----產(chǎn)品仍是國(guó)外先做出來，先在市場(chǎng)推廣，國(guó)內(nèi)企業(yè)跟在后面做國(guó)產(chǎn)化替代。(筆者觀點(diǎn))

  第三，第三代半導(dǎo)體難點(diǎn)不在設(shè)備、不在邏輯電路設(shè)計(jì)，而在于工藝，工藝開發(fā)具有偶然性，相比較邏輯芯片難度降低。----難度并沒有降低，成熟穩(wěn)定的第三代半導(dǎo)體工藝開發(fā)比第一代硅更難了。(筆者觀點(diǎn))

  第四，對(duì)設(shè)備要求相對(duì)較低，投資額小，國(guó)內(nèi)可以有很多玩家。在資本的推動(dòng)下，可以全國(guó)遍地開花，最終走出來幾家第三代半導(dǎo)體公司的概率很大。----沒有產(chǎn)業(yè)人才，如何遍地開花?(筆者觀點(diǎn))

  因?yàn)橄嘈?，才能看見。相信中?guó)大陸一定能把第三代半導(dǎo)體做起來，即使如此，也只是解決了小部分問題，絕大部分問題仍然是第一代半導(dǎo)體決定的。

  作者：鐘林，晉江三伍微電子有限公司 zhonglin@gsrmicro.com