第三代半導體真的會火嗎？

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

  從投資來看，進入2020年以來，已有8家半導體企業(yè)共計預投資大約430多億，第三代半導體項目在國內(nèi)已處于火熱階段。

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

  政策，是最大的商機。在政策的支持下，第三代半導體真的會持續(xù)會火起來嗎?不過，從產(chǎn)業(yè)的角度來看，中國第三代半導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半導體的研究。最初，針對禁帶半導體的研究與開發(fā)主要是為了滿足軍事國防方面的需求。隨后，美國國防部和能源部先后啟動了"寬禁帶半導體技術(shù)計劃"和"氮化物電子下一代技術(shù)計劃"，積極推動SiC(碳化硅)和GaN(氮化鎵)寬禁帶半導體技術(shù)的發(fā)展。緊跟美國之后，歐洲和日本也相繼開展了相關(guān)研究，經(jīng)過多年發(fā)展，在寬禁帶半導體材料、器件及系統(tǒng)的研究上取得了豐碩的成果，實現(xiàn)了在軍事國防領(lǐng)域的廣泛應用。

  隨著在軍事領(lǐng)域的應用逐步成熟，第三代半導體應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。半導體在節(jié)能領(lǐng)域中應用最多就是功率器件，寬禁帶半導體的帶隙明顯大于硅半導體，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體應用得到極大關(guān)注的還是特斯拉采用碳化硅功率器件，把這個產(chǎn)業(yè)向前快速推進。

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

  第三代半導體的生產(chǎn)步驟包括單晶生長、外延層生長以及器件/芯片制造，分別對應襯底、外延和器件/芯片。總體來說，第三代半導體產(chǎn)業(yè)目前主要處于國外企業(yè)壟斷的局面。

  襯底方面：

  1.碳化硅：目前國際企業(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，而國內(nèi)仍然以 4 英寸為主。國外核心企業(yè)有美國Cree、 DowCorning、德國 SiCrystal、美國 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，其次是美國 II-VI，日本昭和電工，三者合計占據(jù)75%以上的市場。國內(nèi)則以天科合達、山東天岳、同光晶體等公司為主，他們主要供應 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，比如臺灣穩(wěn)懋等國際主流廠家都采用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。這個市場的主導者是日本住友電工，市場占有率約90%。國內(nèi)廠家主要是2~4英寸。

  外延方面：

  1.碳化硅：外延片企業(yè)主要以美國的Cree、 DowCorning、II-VI、日本的羅姆、三菱電機，德國的Infineon 等為主。美國公司就占據(jù)全球70~80%的份額。國內(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、比利時的 EpiGaN 、英國的IQE 、臺灣嘉晶電子等在供應。2012年3月成立的蘇州晶湛半導體，國內(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：國際上600~1700V SiC SBD、MOSFET 已經(jīng)實現(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、意法半導體等。國內(nèi)則主要有泰科天潤、深圳基本半導體、中電科55所、上海瞻芯電子等，相比國外還屬于起步階段。

  2.氮化鎵：分為射頻器件和電力電子器件。設(shè)計公司主要有美國的EPC、MACOM、Transphom、Navitas，德國的Dialog等公司，國內(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，他們的市場占有率均超過30%，其他還有 Qorvo 和 MACOM。國內(nèi)IDM企業(yè)蘇州能訊、英諾賽科、江蘇能華等加起來市場占有率不超過5%。

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

  我國第三代半導體起步晚，2013年的“863計劃”第一次明確將第三代半導體材料及其應用列為重要內(nèi)容。與國外相比，國內(nèi)第三代半導體技術(shù)差距明顯，穩(wěn)定性和可靠性是短板。

第二大問題：市場應用有限

  很多文章介紹第三代半導體氮化鎵和碳化硅，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。

  全球半導體年產(chǎn)值近5000億美金，90%以上來自第一代半導體。根據(jù)Omdia的《2020年SiC和GaN功率半導體報告》，到2020年底，全球SiC和GaN功率半導體的銷售收入預計將從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)增長率，到2029年將超過50億美元。根據(jù)Yole預測，到2024年SiC功率半導體市場規(guī)模將增長至20億美元，其中，汽車市場占SiC功率半導體市場比重到2024年預計將達50%。

  從上面的數(shù)據(jù)可以看出，在第一代半導體面前，第三代半導體的產(chǎn)值非常的小。國外發(fā)展第三代半導體不是因為生意有多么的大，是因為國防和科技信息技術(shù)的發(fā)展需要用到第三代半導體。同時，這是一個增量市場，也是企業(yè)可以尋求的增長空間。

  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代半導體的發(fā)展情況，其主要應用為半導體照明、電力電子器件、激光器和探測器、以及其他領(lǐng)域，每個領(lǐng)域產(chǎn)業(yè)成熟度各不相同。

  1、半導體照明

  在4個應用領(lǐng)域中，半導體照明行業(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，目前市場規(guī)模僅為幾億美元。其應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、智能武器和通信系統(tǒng)等方面。

  3.激光器和探測器

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

  4、其他應用在前沿研究領(lǐng)域

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

  在國內(nèi)，得到高度關(guān)注的第三代半導體應用有：氮化鎵充電器電源IC、氮化鎵基站PA、氮化鎵5G手機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

  第三代半導體要擴大應用市場，成本是最大瓶頸。

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

  前沿新市場的需求并不大，幾十億美金的市場相對于整個全球半導體來講還不到百分之一。國內(nèi)企業(yè)把機會瞄準傳統(tǒng)消費類電子應用，比如：充電器電源芯片、肖特基二極管、MOSFET。也有國內(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。接下來分析第三代半導體的成本瓶頸。

  以碳化硅來說，技術(shù)難度在于3點：

  1.在長晶的源頭晶種純度要求相當高

       2.長晶的時間相當長，碳化硅晶棒約需要7天。一般硅材料長晶平均約3-4天即可長成一根晶棒。

       3.長一根碳化硅的長晶棒只能長出2公分，量產(chǎn)的成本高很多。而一般的硅晶棒約有200公分的長度。

  據(jù)說，第三代半導體材料，這樣一片厚度只有0.5毫米的“碳化硅”6英寸晶片，市場售價高達2000美金。而12吋硅晶圓的平均單價在108～112美元價位，再加上制造成本和良率，第三代半導體比第一代半導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，半導體不看價格，但沒有量，技術(shù)要求高。工業(yè)電子市場，尤其是汽車電子市場，半導體單價高，需求量不大，但對技術(shù)和品質(zhì)的要求很高，國內(nèi)的半導體企業(yè)在時間上和技術(shù)難度上能不能扛得住是個很大的問題，短平快的投資環(huán)境，不會給企業(yè)那么多時間，沒有時間，技術(shù)如何積累?其實，最適合國內(nèi)半導體企業(yè)的是傳統(tǒng)消費類電子行業(yè)。

  充電器電源芯片、肖特基二極管、MOSFET才是國內(nèi)第三代半導體企業(yè)最適合的領(lǐng)域。要用第三代半導體來研發(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

  第三代半導體最大的瓶頸是成本，中國半導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體產(chǎn)業(yè)人才短缺的問題，中國第三代半導體產(chǎn)業(yè)人才短缺更為明顯。

  在中國的大地上，芯片依舊很火，各行各業(yè)都來做芯片。搶人，成為時下最大的風景。《中芯國際為什么留不住人才》一度成為熱搜，甚至把所有的責備指向中芯國際。全國各地大建晶圓廠，產(chǎn)業(yè)人才哪里找?當然是龍頭企業(yè)中芯國際。不是薪水低留不住人才，而是無論你薪水多高，人家都會更高薪水挖你人才。因為錢不是自己掙出來的，是投資者和政策支持的。

  中國大陸企業(yè)做第三代半導體也就幾年時間，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)遠遠跟不上產(chǎn)業(yè)的發(fā)展和擴張。從襯底材料到外延，再到晶圓制造，哪個環(huán)節(jié)都缺少人才。氮化鎵和碳化硅工藝的半導體設(shè)計公司也是最近幾年才開始，之前也沒有這方面的設(shè)計研發(fā)人才。第三代半導體也是化合物半導體，不能完全依靠EDA軟件，很大程度取決于經(jīng)驗和對工藝的熟悉及理解。化合物半導體產(chǎn)業(yè)人才的培養(yǎng)時間比第一代半導體人才的培養(yǎng)時間更長，沒有個3-5年根本就成長不起來。

  一家半導體工廠的負責人跟筆者講，當?shù)禺a(chǎn)業(yè)基金鼓勵企業(yè)做第三代半導體，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，找一個人沒用，得找一個團隊。就算找到了，可能也只有一點點經(jīng)驗，需要邊做邊學，要花很長的時間去積累。這一點，很有感觸。例如，三伍微基于第二代半導體砷化鎵工藝做射頻前端芯片設(shè)計，同屬于化合物半導體。有一次，我問公司一個做了5年基于砷化鎵工藝設(shè)計WIFI FEM的研發(fā)，“公司怎么幫助你，才能成為國內(nèi)WIFI FEM領(lǐng)域最頂級的人才?” 他延遲了幾秒鐘回答我：時間。

  在設(shè)計的過程中，研發(fā)會摸索出了一些經(jīng)驗和思路，但需要時間去試驗和總結(jié)?；衔?A href="http://3xchallenge.com/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">半導體對經(jīng)驗很依賴，技術(shù)的解決和突破必須基于兩點：時間累積和Know-how。

  廠房可以一兩年建好，機器設(shè)備可以一兩年引進安裝好，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)第三代半導體在國內(nèi)遍地開花火起來是不可能的。

結(jié)語

  正如愛默生所說：“對于一心向著目標前進的人，全世界都會為他讓路”。但前提是，對產(chǎn)業(yè)的理解必須正確。在文章的結(jié)尾，引用下面網(wǎng)上的一個觀點做個討論。

  為什么說第三代半導體是中國大陸半導體的希望?

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

  第二，中國有第三代半導體的應用市場，可以根據(jù)市場定義產(chǎn)品，而不是像之前跟著國際巨頭做國產(chǎn)化替代。----產(chǎn)品仍是國外先做出來，先在市場推廣，國內(nèi)企業(yè)跟在后面做國產(chǎn)化替代。(筆者觀點)

  第三，第三代半導體難點不在設(shè)備、不在邏輯電路設(shè)計，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)定的第三代半導體工藝開發(fā)比第一代硅更難了。(筆者觀點)

  第四，對設(shè)備要求相對較低，投資額小，國內(nèi)可以有很多玩家。在資本的推動下，可以全國遍地開花，最終走出來幾家第三代半導體公司的概率很大。----沒有產(chǎn)業(yè)人才，如何遍地開花?(筆者觀點)

  因為相信，才能看見。相信中國大陸一定能把第三代半導體做起來，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體決定的。

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