全球半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)終結(jié)連續(xù)高增長，進(jìn)入調(diào)整周期,。與此形成對比,，在新能源汽車、光伏,、儲能等需求帶動下,，第三代半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)保持高速發(fā)展。

半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)發(fā)展至今經(jīng)歷了三個階段,，第一代半導(dǎo)體材料以硅（Si）為代表,，以砷化鎵（GaAs）為代表的第二代半導(dǎo)體材料和以氮化鎵（GaN）、碳化硅（SiC）,、氧化鋅（ZnO）等寬禁帶為代表的第三代半導(dǎo)體材料,。相較前兩代產(chǎn)品，第三代半導(dǎo)體最大的優(yōu)點(diǎn)在于能夠適應(yīng)高壓,，高頻和高溫的極端環(huán)境,，性能大幅提升。

北京第三代半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)技術(shù)創(chuàng)新戰(zhàn)略聯(lián)盟發(fā)布的第三代半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)發(fā)展白皮書顯示,，總體來看,，我國第三代半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)已進(jìn)入成長期，技術(shù)穩(wěn)步提升,，產(chǎn)能不斷釋放,，國產(chǎn)碳化硅（SiC）器件及模塊開始“上機(jī)”，生態(tài)體系逐漸完善,，自主可控能力不斷增強(qiáng),，整體競爭實(shí)力日益提升,。
2022年全球碳化硅、氮化鎵功率半導(dǎo)體市場約23.7億美元,，GaN微波射頻市場約為12.4億美元,。數(shù)據(jù)顯示，2022年我國第三代半導(dǎo)體功率電子和微波射頻兩個領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)總產(chǎn)值141.7億元,，較2021年增長11.7%,，產(chǎn)能不斷釋放。其中,，SiC產(chǎn)能增長翻番,，GaN產(chǎn)能增長超30%,；新增投資擴(kuò)產(chǎn)計(jì)劃較2021年同比增長36.7%,；資本市場活躍，并購金額超45億元,，66家企業(yè)融資超64億元,。
《白皮書》預(yù)計(jì)，2023年將是第三代半導(dǎo)體大放異彩的一年,，市場將見證一個“技術(shù)快速進(jìn)步,、產(chǎn)業(yè)快速增長、格局大洗牌”的“戰(zhàn)國時代”,。
“未來,，我國第三代半導(dǎo)體企業(yè)將面臨內(nèi)外部的激烈競爭?！薄栋灼氛J(rèn)為,，國際半導(dǎo)體企業(yè)急速擴(kuò)張，力圖迅速搶占市場,，全球供應(yīng)鏈格局正逐步成型,，國際龍頭企業(yè)“卡位戰(zhàn)”即將結(jié)束。而國內(nèi)企業(yè)技術(shù)和產(chǎn)業(yè)化水平依然落后,，產(chǎn)線平臺剛剛搭建,，核心器件尚未進(jìn)入汽車、手機(jī)等龍頭企業(yè)供應(yīng)鏈,，整體國產(chǎn)化率偏低,。

SiC產(chǎn)業(yè)鏈
SiC的產(chǎn)業(yè)鏈主要由單晶襯底、外延,、器件,、制造和封測等環(huán)節(jié)構(gòu)成。1）在這些環(huán)節(jié)中,，SiC襯底是發(fā)展SiC的關(guān)鍵,。
襯底是將高純度多晶SiC粉末經(jīng)過升華,、晶體生長、切割,、研磨,、清洗等過程制造而成的晶圓，為薄片形態(tài),。為使材料能滿足不同芯片的功能要求,，需要制備電學(xué)性能不同的SiC襯底，主要是兩種：低電阻率的導(dǎo)電型SiC襯底,，和高電阻率的半絕緣型SiC襯底,。
襯底和器件是兩個技術(shù)門檻高的環(huán)節(jié)，與國外差距明顯,；位錯國外可以達(dá)到1000/c㎡,，國內(nèi)目前是5000/c㎡，技術(shù)差距大約有5-8年時間差距,；國外MOSFET已經(jīng)大批量出貨了,，國內(nèi)目前還是在二極管領(lǐng)域。世界主流尺寸是6英寸,，但目前國內(nèi)主流還是在4英寸,，而且國外Cree已經(jīng)研制出8英寸。
2）但襯底是不能直接拿來制造大功率和高壓高頻器件,，而必須在單晶襯底上額外沉積一層高質(zhì)量的外延材料,，并在外延層上制造各類器件。在拋光晶圓上采用真空蒸發(fā)的方式形成幾微米厚度的新的碳化硅單晶層,，這就是外延片,。幾乎所有SiC功率器件的制備均是基于高質(zhì)量SiC外延片，外延技術(shù)對于碳化硅器件性能的充分發(fā)揮具有決定性的作用,。
但就技術(shù)門檻而言,，碳化硅領(lǐng)域技術(shù)瓶頸較低的就是外延，目前外延有商用商業(yè)化設(shè)備的主要有兩家國外企業(yè),，一家是意大利的LPE,，另一家是德國的Aixtron，他們在銷售設(shè)備的時候也會附帶工藝,，大約1000萬左右就能買一臺設(shè)備就可以做出合格的外延產(chǎn)品,，后續(xù)的研發(fā)主要體現(xiàn)在讓厚度更厚，性能更好以及在保證品質(zhì)的情況下降成本,。因?yàn)槠骷幸r底成本大約占到50%,，外延成本在20-25%，所以外延工藝控制好，成本可以降低很多,。3）在導(dǎo)電型SiC襯底上生長SiC外延層制得的SiC外延片,，可進(jìn)一步制成功率器件，功率器件是電力電子行業(yè)的重要基礎(chǔ)元器件之一,，廣泛應(yīng)用電力設(shè)備的電能轉(zhuǎn)化和電路控制等領(lǐng)域,。
在半絕緣型SiC襯底上生長氮化鎵外延層制得的SiC基氮化鎵（GaN-on-SiC）外延片，可進(jìn)一步制成微波射頻器件,，微波射頻器件是實(shí)現(xiàn)信號發(fā)送和接收的基礎(chǔ)部件,，是無線通訊的核心，主要包括射頻開關(guān),、LNA,、功率放大器、濾波器等器件,。
器件的難度體現(xiàn)在工藝步驟很多,，比如1個二極管大約幾十步工藝，1個MOSFET大約上百步工藝,；以及一些核心高溫工藝,，如高溫柵氧高溫注入等,，另一方面前期需要大規(guī)模投資,，襯底一條產(chǎn)線可能幾億，器件至少在10億人民幣以上,。
4）接下來的流程就跟硅基半導(dǎo)體類似,，進(jìn)行制造、封測到最終出來各種各樣的SiC器件,。
封裝環(huán)節(jié)的核心矛盾在于,，碳化硅材料的主要特性是高溫高頻，但目前封裝還是照搬硅封裝,，所以高溫高頻性能并不能得到有效發(fā)揮,，但這部分國內(nèi)外都還沒有突破，國內(nèi)斯達(dá)半導(dǎo)體在做硅封裝模塊比較優(yōu)秀,，目前在碳化硅方面也有布局,。
碳化硅在半導(dǎo)體芯片中的主要形式為襯底。半導(dǎo)體芯片分為集成電路和分立器件,，但不論是集成電路還是分立器件,，其基本結(jié)構(gòu)都可劃分為“襯底-外延-器件”結(jié)構(gòu)。

SiC是高功率器件理想材料
硅是半導(dǎo)體行業(yè)第一代基礎(chǔ)材料,，目前全球95%以上的集成電路元器件是以硅為襯底制造的,。目前，隨著電動汽車、5G等應(yīng)用的發(fā)展,，高功率,、耐高壓、高頻率器件需求快速增長,。
當(dāng)電壓大于900V,，要實(shí)現(xiàn)更大功率時，硅基功率MOSFET和IGBT就暴露出短板,，其在轉(zhuǎn)換效率,，開關(guān)頻率，工作溫度等多方面都將受限,。而碳化硅材料由于具有禁帶寬度大(Si的3倍),、熱導(dǎo)率高(Si的3.3倍或GaAs的10倍)、電子飽和遷移速率高(Si的2.5倍)和擊穿電場高(Si的10倍或GaAs的5倍)等性質(zhì),，SiC器件在高溫,、高壓、高頻,、大功率電子器件領(lǐng)域和航天,、軍工、核能等極端環(huán)境應(yīng)用領(lǐng)域有著不可替代的優(yōu)勢,，彌補(bǔ)了傳統(tǒng)半導(dǎo)體材料器件在實(shí)際應(yīng)用中的缺陷,，正逐漸成為功率半導(dǎo)體的主流。
先進(jìn)半導(dǎo)體材料已上升至國家戰(zhàn)略層面
2025年目標(biāo)滲透率超過50%,。底層材料與技術(shù)是半導(dǎo)體發(fā)展的基礎(chǔ)科學(xué),，在2025中國制造中，分別對第三代半導(dǎo)體單晶襯底,、光電子器件/模塊,、電力電子器件/模塊、射頻器件/模塊等細(xì)分領(lǐng)域做出了目標(biāo)規(guī)劃,。在任務(wù)目標(biāo)中提到2025實(shí)現(xiàn)在5G通信,、高效能源管理中的國產(chǎn)化率達(dá)到50%；在新能源汽車,、消費(fèi)電子中實(shí)現(xiàn)規(guī)模應(yīng)用,，在通用照明市場滲透率達(dá)到80%以上。
其他國家如,，美,、日、歐等國都在積極進(jìn)行第三代半導(dǎo)體材料的戰(zhàn)略部署,，其中的重點(diǎn)是SiC,。作為電力電子器件,，SiC在低壓領(lǐng)域如高端的白色家電、電動汽車等由于成本因素,，逐漸失去了競爭力,。但在高壓領(lǐng)域，如高速列車,、風(fēng)力發(fā)電以及智能電網(wǎng)等,，SiC具有不可替代性的優(yōu)勢。
美國等發(fā)達(dá)國家為了搶占第三代半導(dǎo)體技術(shù)的戰(zhàn)略制高點(diǎn),，通過國家級創(chuàng)新中心,、協(xié)同創(chuàng)新中心、聯(lián)合研發(fā)等形式,，將企業(yè),、高校、研究機(jī)構(gòu)及相關(guān)政府部門等有機(jī)地聯(lián)合在一起,，實(shí)現(xiàn)第三代半導(dǎo)體技術(shù)的加速進(jìn)步,，引領(lǐng)、加速并搶占全球第三代半導(dǎo)體市場,。
例如,，美國國家宇航局（NASA）、國防部先進(jìn)研究計(jì)劃署（DARPA）等機(jī)構(gòu)通過研發(fā)資助,、購買訂單等方式,，開展SiC、GaN研發(fā),、生產(chǎn)與器件研制,；韓國方面,，在政府相關(guān)機(jī)構(gòu)主導(dǎo)下,，重點(diǎn)圍繞高純SiC粉末制備、高純SiC多晶陶瓷,、高質(zhì)量SiC單晶生長,、高質(zhì)量SiC外延材料生長這4個方面，開展研發(fā)項(xiàng)目,。在功率器件方面,，韓國還啟動了功率電子的國家項(xiàng)目，重點(diǎn)圍繞Si基GaN和SiC,。
行業(yè)競爭格局
從產(chǎn)業(yè)格局看,，目前全球SiC產(chǎn)業(yè)格局呈現(xiàn)美國、歐洲,、日本三足鼎立態(tài)勢,。其中美國全球獨(dú)大，占有全球SiC產(chǎn)量的70%~80%，碳化硅晶圓市場CREE一家市占率高達(dá)6成之多,；歐洲擁有完整的SiC襯底,、外延、器件以及應(yīng)用產(chǎn)業(yè)鏈,，在全球電力電子市場擁有強(qiáng)大的話語權(quán),；日本是設(shè)備和模塊開發(fā)方面的絕對領(lǐng)先者。領(lǐng)先企業(yè)包括美國科銳（Cree）旗下的Wolfspeed,、德國的SiCrystal,、日本的羅姆（ROHM）、新日鐵等,。
國內(nèi)目前已實(shí)現(xiàn)4英寸襯底的量產(chǎn),；同時山東天岳、天科合達(dá),、河北同光,、中科節(jié)能均已完成6英寸襯底的研發(fā)；中電科裝備已成功研制出6英寸半絕緣襯底,。

盡管全球碳化硅器件市場已經(jīng)初具規(guī)模,，但是碳化硅功率器件領(lǐng)域仍然存在一些諸多共性問題亟待突破，比如碳化硅單晶和外延材料價格居高不下,、材料缺陷問題仍未完全解決,、碳化硅器件制造工藝難度較高、高壓碳化硅器件工藝不成熟,、器件封裝不能滿足高頻高溫應(yīng)用需求等,，全球碳化硅技術(shù)和產(chǎn)業(yè)距離成熟尚有一定的差距，在一定程度上制約了碳化硅器件市場擴(kuò)大的步伐,。