前言：【核芯觀察】是電子發(fā)燒友編輯部出品的深度系列專(zhuān)欄，目的是用最直觀的方式令讀者盡快理解電子產(chǎn)業(yè)鏈，理清上、中、下游的各個(gè)環(huán)節(jié)，同時(shí)迅速了解各大細(xì)分環(huán)節(jié)中的行業(yè)現(xiàn)狀。我們計(jì)劃會(huì)對(duì)包括集成電路、分立器件、傳感器、光電器件等半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)上下游進(jìn)行梳理，眼下大家最為關(guān)注，也疑惑最多的是第三代半導(dǎo)體，所以這次就先對(duì)它來(lái)一個(gè)梳理分析。

一什么是第三代半導(dǎo)體

1第三代半導(dǎo)體概念

第三代半導(dǎo)體材料是以 SiC(碳化硅)、 GaN(氮化鎵)為代表(還包括 ZnO 氧化鋅、GaO 氧化鎵等)的化合物半導(dǎo)體，屬于寬禁帶半導(dǎo)體材料。禁帶寬度是半導(dǎo)體的一個(gè)重要特征。固體中電子的能量是不可以連續(xù)取值的，而是一些不連續(xù)的能帶，要導(dǎo)電就要有自由電子或者空穴存在，自由電子存在的能帶稱(chēng)為導(dǎo)帶(能導(dǎo)電)，自由空穴存在的能帶稱(chēng)為價(jià)帶(亦能導(dǎo)電)。被束縛的電子要成為自由電子或者空穴，就必須獲得足夠能量從價(jià)帶躍遷到導(dǎo)帶，這個(gè)能量的最小值就是禁帶寬度。

而更寬的禁帶，意味著從不導(dǎo)通狀態(tài)激發(fā)到導(dǎo)通狀態(tài)需要的能量更大，因此采用寬禁帶半導(dǎo)體材料制造的器件能夠擁有更高的擊穿電場(chǎng)、更高的耐壓性能、更高的工作溫度極限等等。第三代半導(dǎo)體與 Si(硅)、GaAs(砷化鎵)等前兩代半導(dǎo)體相比，在耐高壓、耐高溫、高頻性能、高熱導(dǎo)性等指標(biāo)上具備很大優(yōu)勢(shì)，因此 SiC、GaN 被廣泛用于功率器件、射頻器件等領(lǐng)域。

SiC 與 GaN 相比，擁有更高的熱導(dǎo)率，這使得在高功率應(yīng)用中，SiC 占據(jù)統(tǒng)治地位;與此同時(shí)，GaN 相比 SiC擁有更高的電子遷移率，所以GaN具有高的開(kāi)關(guān)速度，在高頻應(yīng)用中占有優(yōu)勢(shì)。

2第三代半導(dǎo)體發(fā)展歷程

自上世紀(jì)80年代開(kāi)始，以 SiC、GaN 為代表的第三代半導(dǎo)體材料的出現(xiàn)，催生了新型照明、顯示、光生物等等新的應(yīng)用需求和產(chǎn)業(yè)。其中SiC是目前技術(shù)、器件研發(fā)最為成熟的寬禁帶半導(dǎo)體材料。

SiC的一個(gè)重要里程碑是1955年，飛利浦實(shí)驗(yàn)室的 Lely發(fā)明 SiC 的升華生長(zhǎng)法(或物理氣相傳輸法，即 PVT 法)，后來(lái)經(jīng)過(guò)改進(jìn)后的PVT 法成為 SiC 單晶制備的主要方法。這也是SiC作為重要電子材料的起點(diǎn)。

隨著 6 英寸 SiC 單晶襯底和外延晶片的缺陷降低和質(zhì)量提高，使得 SiC 器件制備能夠在目前現(xiàn)有 6 英寸 SiC 基功率器件生長(zhǎng)線上進(jìn)行。而國(guó)際大廠紛紛布局的8英寸的 SiC襯底有望在2022年上半年，由 Wolfspeed 率先實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)，這將進(jìn)一步降低 SiC 材料和器件成本，推進(jìn) SiC 器件和模塊的普及。

為了幫助下文理解，這里解釋一下 SiC 襯底、晶圓、外延片的關(guān)系以及區(qū)別。SiC 襯底是由 SiC 單晶材料制造而成的晶圓片，襯底可以直接進(jìn)入晶圓制造環(huán)節(jié)生產(chǎn)半導(dǎo)體器件，也可以經(jīng)過(guò)外延加工，即在襯底上生長(zhǎng)一層新的單晶，形成外延片。新的單晶層可以是 SiC，也可以是其他材料(如GaN)。而晶圓可以指襯底、外延片、或是已加工完成芯片后但尚未切割的圓形薄片。

而 GaN 于1969 年首次實(shí)現(xiàn)了 GaN 單晶薄膜的制備，在20世紀(jì)90年代中期，中村修二研發(fā)了第一支高亮度的 GaN基藍(lán)光 LED。隨后的十多年時(shí)間里，GaN 分別在射頻領(lǐng)域比如高電子遷移率晶體管(HEMT)和單片微波集成電路(MMIC)，以及功率半導(dǎo)體領(lǐng)域起到了重要作用。2010年，國(guó)際整流器公司(IR，已被英飛凌收購(gòu))發(fā)布了全球第一個(gè)商用GaN功率器件，正式拉開(kāi)GaN在功率器件領(lǐng)域商業(yè)化大幕。2014 年以后，600V GaN HEMT 已經(jīng)成為 GaN 器件主流。2014年，行業(yè)首次在 8 英寸 SiC 上生長(zhǎng) GaN 器件。

二SiC產(chǎn)業(yè)概念

1SiC市場(chǎng)規(guī)模：襯底、功率器件、射頻器件

得益于材料特性的優(yōu)勢(shì)，SiC 在功率器件領(lǐng)域無(wú)疑會(huì)逐漸取代傳統(tǒng)硅器件，成為市場(chǎng)主流。而這個(gè)進(jìn)程隨著 SiC 量產(chǎn)和技術(shù)成熟帶來(lái)的成本下降，以及終端需求的升級(jí)而不斷加速。包括新能源汽車(chē)電驅(qū)系統(tǒng)往 800V 高壓平臺(tái)發(fā)展、480kW 充電樁、光伏逆變器向高壓發(fā)展等，技術(shù)升級(jí)的核心，預(yù)計(jì) 2021 年到 2030 年 SiC 市場(chǎng)年均復(fù)合增長(zhǎng)率(CAGR)將高達(dá)50.6%，2030 年 SiC 市場(chǎng)規(guī)模將超 300 億美元。

在材料端， 2020 年全球 SiC 襯底市場(chǎng)價(jià)值為 2.08 億美元。對(duì)于市場(chǎng)未來(lái)的增長(zhǎng)，Yole預(yù)計(jì)到 2024 年全球 SiC 襯底市場(chǎng)規(guī)模將達(dá)到11億美元，2027年將達(dá)到33億美元，以2018年市場(chǎng)規(guī)模1.21億美元計(jì)算，2018-2027年的復(fù)合增長(zhǎng)率預(yù)計(jì)為44%。

在應(yīng)用端，2020年全球 SiC 功率器件市場(chǎng)規(guī)模為6.29億美元，mordor intelligence 預(yù)計(jì)到2026年將達(dá)到 47.08 億美元，2021-2026 的年復(fù)合增長(zhǎng)率為 42.41%。其中由于電動(dòng)汽車(chē)的爆發(fā)，汽車(chē)行業(yè)將是 SiC 功率器件的主要增長(zhǎng)應(yīng)用，而亞太地區(qū)會(huì)是增長(zhǎng)最快的市場(chǎng)。亞太地區(qū)受到包括中國(guó)大陸、中國(guó)臺(tái)灣、日本、韓國(guó)的驅(qū)動(dòng)，這四個(gè)地區(qū)共占全球半導(dǎo)體分立器件市場(chǎng)的 65% 左右。在光伏逆變器上，SiC 滲透率也呈現(xiàn)高速增長(zhǎng)，華為預(yù)計(jì)在2030年光伏逆變器的碳化硅滲透率將從目前的2%增長(zhǎng)到70%以上，在充電基礎(chǔ)設(shè)施、電動(dòng)汽車(chē)領(lǐng)域滲透率也超過(guò)的80%，通信電源、服務(wù)器電源將全面推廣應(yīng)用。

另外，在射頻 GaN行業(yè)，采用 SiC 襯底，也就是 GaN-on-SiC(碳化硅基氮化鎵)技術(shù)發(fā)展得最早，市占率也最高，同時(shí)在射頻應(yīng)用領(lǐng)域已經(jīng)成為L(zhǎng)DMOS和砷化鎵的主要競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手。除了在軍用雷達(dá)領(lǐng)域的深度滲透，GaN-on-SiC 還一直是華為、諾基亞等通信基站廠商的5G大規(guī)模MIMO基礎(chǔ)設(shè)施的選擇。根據(jù) Yole 的統(tǒng)計(jì)，2020 年全球 GaN-on-SiC 射頻器件市場(chǎng)規(guī)模為8.86億美元，預(yù)計(jì) 2026 年將達(dá)到 22.2 億美元，2020-2026 年復(fù)合增長(zhǎng)率為17%。

2SiC市場(chǎng)供需情況

盡管 SiC 無(wú)論在功率器件還是在射頻應(yīng)用上市場(chǎng)需求都有巨大增長(zhǎng)空間，但目前對(duì)于 SiC 的應(yīng)用，還面臨著產(chǎn)能不足的問(wèn)題，主要是 SiC 襯底產(chǎn)能跟不上需求的增長(zhǎng)。據(jù)統(tǒng)計(jì)，2021年全球 SiC 晶圓全球產(chǎn)能約為 40-60 萬(wàn)片，結(jié)合業(yè)內(nèi)良率平均約50%估算，2021 年 SiC 晶圓全球有效產(chǎn)能僅20-30萬(wàn)片。

與此同時(shí)，SiC 需求方的增長(zhǎng)在近年呈現(xiàn)爆發(fā)式增長(zhǎng)。以特斯拉為例，2021 年特斯拉電動(dòng)汽車(chē)全年產(chǎn)量約 93 萬(wàn)輛，據(jù)測(cè)算，如果這些車(chē)輛搭載的功率器件全采用 SiC ，單車(chē)用量將達(dá)到 0.5 片6寸 SiC 晶圓，一年的6寸 SiC 晶圓需求就高達(dá)46.5萬(wàn)片，以如今全球 SiC 襯底產(chǎn)能來(lái)看甚至無(wú)法滿(mǎn)足一家車(chē)企的需求。

與此同時(shí)，襯底又是整個(gè) SiC 產(chǎn)業(yè)鏈中技術(shù)門(mén)檻最高、成本占比最大的環(huán)節(jié)，占市場(chǎng)總成本的50%左右。華為在《數(shù)字能源2030》白皮書(shū)中提到，SiC 的瓶頸當(dāng)前主要在于襯底成本高(是硅的 4-5 倍，預(yù)計(jì)未來(lái) 2025 年前年價(jià)格會(huì)逐漸降為硅持平)，受新能源汽車(chē)、工業(yè)電源等應(yīng)用的推動(dòng)，碳化硅價(jià)格下降，性能和可靠性進(jìn)一步提高。碳化硅產(chǎn)業(yè)鏈爆發(fā)的拐點(diǎn)臨近，市場(chǎng)潛力將被充分挖掘。

但目前 SiC 產(chǎn)業(yè)仍處于產(chǎn)能鋪設(shè)初期，2020年開(kāi)始海內(nèi)外大廠都紛紛加大投入到 SiC 產(chǎn)能建設(shè)中。國(guó)內(nèi)僅 2021 年第一季度新增的 SiC 項(xiàng)目投資金額就已經(jīng)超過(guò) 2020 年全年水平，是 2012-2019 年 SiC 領(lǐng)域合計(jì)總投資值的5倍以上。三安光電預(yù)測(cè)，2025年 SiC 晶圓需求在保守與樂(lè)觀情形下分別為219和437萬(wàn)片，車(chē)用碳化硅需求占比60%，保守情況下碳化硅產(chǎn)能缺口將達(dá)到123萬(wàn)片，樂(lè)觀情況下缺口將達(dá)到486萬(wàn)片。

3SiC產(chǎn)業(yè)主要運(yùn)作模式

經(jīng)過(guò)超過(guò) 60 年的發(fā)展，硅基半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)自臺(tái)積電創(chuàng)始人張忠謀開(kāi)創(chuàng)晶圓代工模式后，目前已經(jīng)形成了高度垂直分工的產(chǎn)業(yè)運(yùn)作模式。但與硅基半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)不同，SiC 產(chǎn)業(yè)目前來(lái)看，主要是以 IDM 模式為主。

SiC 產(chǎn)業(yè)目前以IDM模式為主的主要原因：

1) 設(shè)備相比硅晶圓制造較為便宜，產(chǎn)線資本投入門(mén)檻相對(duì)較低;

2) 受益于成熟的半導(dǎo)體工藝，SiC 器件設(shè)計(jì)相對(duì)不復(fù)雜;

3) 掌握上下游整合能力可以加速產(chǎn)品迭代周期，有效控制成本以及產(chǎn)品良率。

當(dāng)前 SiC 市場(chǎng)中，全球幾大主要龍頭 Wolfspeed、羅姆、ST、英飛凌、安森美等都已經(jīng)形成了 SiC 襯底、外延、設(shè)計(jì)、制造、封測(cè)的垂直供應(yīng)體系。其中，除了 Wolfspeed 之外，其他廠商基本通過(guò)并購(gòu)等方式來(lái)布局 SiC 襯底等原材料，以更好地把控上游供應(yīng)。

同時(shí)，這種趨勢(shì)也導(dǎo)致目前 SiC 產(chǎn)業(yè)中不僅僅是下游往上游布局，而上游廠商也同時(shí)在下游發(fā)展。SiC 產(chǎn)業(yè)可以說(shuō)是“得襯底者得天下”，SiC 襯底廠商掌握著業(yè)內(nèi)最重要的資源，這也為他們帶來(lái)了極大的行業(yè)話語(yǔ)權(quán)。

國(guó)內(nèi)方面，由于產(chǎn)業(yè)布局相比海外大廠要晚，而 IDM 模式是加速發(fā)展的最有效方式之一，包括三安光電、泰科天潤(rùn)、基本半導(dǎo)體等 SiC 領(lǐng)域公司都在往 IDM 模式發(fā)展。三安光電投資160億元的湖南三安半導(dǎo)體基地在去年6月正式投產(chǎn)，這也是國(guó)內(nèi)第一條、全球第三條 SiC 垂直整合產(chǎn)業(yè)鏈，提供從襯底、外延、晶圓代工、裸芯粒直至分立器件的靈活多元合作方式，有利于形成當(dāng)?shù)貙捊麕О雽?dǎo)體產(chǎn)業(yè)聚落，加速上游 IC 設(shè)計(jì)公司設(shè)計(jì)與驗(yàn)證迭代，縮短下游終端產(chǎn)品上市周期。

4SiC產(chǎn)業(yè)鏈結(jié)構(gòu)

SiC 產(chǎn)業(yè)鏈可以分為四個(gè)主要環(huán)節(jié)，分別是襯底/晶片、外延片，器件制造以及終端應(yīng)用。其中每個(gè)環(huán)節(jié)的具體構(gòu)成會(huì)在后面幾期中逐一解析。

下一期，帶你了解SiC器件成本構(gòu)成、產(chǎn)業(yè)鏈各環(huán)節(jié)構(gòu)成，探討國(guó)內(nèi)外SiC產(chǎn)業(yè)鏈差距究竟有多大?

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原文標(biāo)題：SiC得襯底者得天下?為何IDM模式能成為產(chǎn)業(yè)主流

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審核編輯：湯梓紅