由第三代半導體電力電子技術路線圖引發的思考-半導體行業觀察

【文/ 微信公眾號“半導體行業觀察” 張健】

7月31日，國內首個《第三代半導體電力電子技術路線圖》正式發佈。該路線圖是由第三代半導體產業技術創新戰略聯盟組織國內外眾多大學、科研院所、優勢企業的知名院士、學者和專家，歷時1年多共同編寫而成。

據悉，《第三代半導體電力電子技術路線圖》圍繞電力電子方向，主要從襯底/外延/器件、封裝/模塊、SiC應用、GaN應用等四個方面展開論述，提出了中國發展第三代半導體電力電子技術的路徑建議和對未來產業發展的預測。

半導體產業進入第三個階段

半導體產業發展至今經歷了三個階段，第一代半導體材料以硅（Si）為代表，以砷化鎵（GaAs）為代表的第二代半導體材料和以氮化鎵（GaN）、碳化硅（SiC）、氧化鋅（ZnO）等寬禁帶為代表的第三代半導體材料。相較前兩代產品，第三代半導體的性能優勢非常顯著且受到業內廣泛好評。

以GaN、SiC為代表的第三代半導體材料最大的優點在於能夠適應高壓，高頻和高温的極端環境，性能大幅提升。由於SiC和GaN的禁帶寬度遠大於Si和GaAs，相應的本徵載流子濃度小於Si和GaAs，寬禁帶半導體的最高工作温度要高於第一、第二代半導體材料。擊穿場強和飽和熱導率也遠大於Si和GaAs。因此，它們是5G時代基站建設的理想材料。

電力電子應用

當今，許多公司都在研發SiC MOSFET，領先企業包括美國科鋭（Cree）旗下的Wolfspeed、德國的SiCrystal、日本的羅姆（ROHM）、新日鐵等。而進入GaN市場中的玩家較少，起步也較晚。

SiC的電力電子器件市場在2016年正式形成，市場規模約在2.1億~2.4億美金之間。而據Yole最新預測，SiC市場規模在2021年將上漲到5.5億美金，這期間的複合年均增長率預計將達19%。

全球已有超過30家公司在電力電子領域擁有SiC、GaN相關產品的生產、設計、製造和銷售能力。2016年SiC無論在襯底材料、器件還是在應用方面，均有很大進展，已經開發出耐壓水平超過20KV的IGBT樣片。

各國的發展策略

美、日、歐等國都在積極進行第三代半導體材料的戰略部署，其中的重點是SiC。作為電力電子器件，SiC在低壓領域如高端的白色家電、電動汽車等由於成本因素，逐漸失去了競爭力。但在高壓領域，如高速列車、風力發電以及智能電網等，SiC具有不可替代性的優勢。

美國等發達國家為了搶佔第三代半導體技術的戰略制高點，通過國家級創新中心、協同創新中心、聯合研發等形式，將企業、高校、研究機構及相關政府部門等有機地聯合在一起，實現第三代半導體技術的加速進步，引領、加速並搶佔全球第三代半導體市場。

例如，美國國家宇航局（NASA）、國防部先進研究計劃署（DARPA）等機構通過研發資助、購買訂單等方式，開展SiC、GaN研發、生產與器件研製；韓國方面，在政府相關機構主導下，重點圍繞高純SiC粉末製備、高純SiC多晶陶瓷、高質量SiC單晶生長、高質量SiC外延材料生長這4個方面，開展研發項目。在功率器件方面，韓國還啓動了功率電子的國家項目，重點圍繞Si基GaN和SiC。

發達國家第三代半導體材料政策如下圖所示：

資料來源：CASA整理

可見，全球SiC產業格局呈現美國、歐洲、日本三足鼎立態勢。其中美國全球獨大，居於領導地位，佔有全球SiC產量的70%~80%；歐洲擁有完整的SiC襯底、外延、器件以及應用產業鏈，在全球電力電子市場擁有強大的話語權；日本則是設備和模塊開發方面的絕對領先者。

中國由於在LED方面已經接近國際先進水平，為第三代半導體在其它方面的技術研發和產業應用打下了一定的基礎。

中國發展狀況

中國開展SiC、GaN材料和器件方面的研究工作比較晚，與國外相比水平較低，阻礙國內第三代半導體研究進展的重要因素是原始創新問題。國內新材料領域的科研院所和相關生產企業大都急功近利，難以容忍長期“只投入，不產出”的現狀。因此，以第三代半導體材料為代表的新材料原始創新舉步維艱。

雖然落後，我國也在積極推進，國家和各地方政府陸續推出政策和產業扶持基金髮展第三代半導體相關產業：地方政策在2016年大量出台，福建、廣東、江蘇、北京、青海等27個地區出台第三代半導體相關政策（不包括LED）近30條。一方面，多地均將第三代半導體寫入“十三五”相關規劃，另一方面，不少地方政府有針對性對當地具有一定優勢的SiC和GaN材料企業進行扶持。

據CASA統計，2017年我國第三代半導體整體產值約為6578億（包括照明），同比增長25.83%。其中電力電子產值規模接近10億元，較上年增長10倍以上。

此次發佈的國內首個《第三代半導體電力電子技術路線圖》的機構是第三代半導體產業技術創新戰略聯盟，該聯盟雖然是由相關科研機構、大專院校、龍頭企業自願發起的民間產業機構，但是，其實背後是國家科技部、工信部以及北京市科委鼎力支持下成立的，其發佈的路線圖在一定程度上代表了國家對於半導體產業發展方向的指引。

從聯盟的成員來看，也對國內半導體產業發展起着舉足輕重的作用，理事會提名中國科學院半導體研究所、北京大學、南京大學、西安電子科技大學、三安光電股份有限公司、國網智能電網研究院、中興通訊股份有限公司、蘇州能訊高能半導體有限公司、山東天嶽先進材料科技有限公司等創新鏈條上的重要機構作為副理事長單位。

國內企業方面，在LED芯片領域已有深厚積累的三安光電，在第三代半導體材料的研發投入達到了330億元。

除三安光電外，揚傑科技、國民技術、海特高新等多家上市公司均開始佈局第三代半導體業務。

揚傑科技曾向投資者透露，其SiC芯片技術已達到國內領先水平。海特高新通過其子公司海威華芯開始建設6英寸的第二代/第三代集成電路芯片生產線。中車時代電氣（中國中車子公司）在高功率SiC器件方面處於國內領先。國民技術也開始佈局這個領域，其全資子公司深圳前海國民公司與成都邛崍市人民政府簽訂了《化合物半導體生態產業園項目投資協議書》，研發第三代半導體外延片。

此外，華潤華晶微電子和華虹宏力也是發展第三代半導體材料的代表企業。

大家知道，仙童半導體已經被安森美收購。而其在2016年1月5日宣佈，將考慮華潤微電子與華創投資的修訂方案。在新方案中，中國資本願以每股21.70美元的現金收購仙童，這一價格遠遠高於安森美提出的每股20美元。

遺憾的是，由於美國政府對中國企業併購的限制，中國人的高價橄欖枝並沒有獲得通行證，仙童還是選擇了同在美國的安森美，讓後者躍居全球功率半導體二當家。

曾經距離收購仙童半導體那麼近，從中可以看出華潤微電子在佈局先進功率器件方面的決心和力度。華潤華晶微電子是華潤微電子旗下從事半導體分立器件的高新技術企業，在國內，其功率器件的規模和品牌具有一定優勢。該公司實現了先進的FS工藝，在該基礎上開發了平面和溝槽產品，具有低損耗，低成本的優勢。

結語

全球都在加碼第三代半導體技術和材料的研發工作，中國自然也不甘落後。此次，《第三代半導體電力電子技術路線圖》的發佈，可以幫助行業和企業把握技術研發和新產品推出的最佳時間，幫助政府更好明確技術研發戰略、重點任務、發展方向和未來市場，集中有限優勢資源為產學研的結合構建平台，能使利益相關方在技術活動中步調一致，減少科研盲目性和重複性，將市場、技術和產品有機結合。

據悉，繼電力電子路線圖之後，第三代半導體產業技術創新戰略聯盟還將陸續組織光電、微波射頻等其他應用領域的技術路線圖。

（原載微信公眾號“半導體行業觀察”  文/半導體行業觀察 張健）