第三代半導(dǎo)體何時邁向大硅片？

隨著新能源汽車、電力電網(wǎng)和5G通信等領(lǐng)域迅速發(fā)展，以SiC、GaN為代表的第三代半導(dǎo)體憑借著其在高壓、高溫、高頻應(yīng)用中的優(yōu)勢，逐漸顯露出對硅基半導(dǎo)體的替代作用，被認(rèn)為是半導(dǎo)體行業(yè)的重要發(fā)展方向。

發(fā)展至今，硅晶圓正在從8英寸過渡到12英寸，更大的晶圓尺寸，意味著單片晶圓所能夠制造的芯片數(shù)量更多，晶圓邊緣的浪費減少，單芯片成本降低。第三代半導(dǎo)體也不例外，都在向大尺寸晶圓大跨步。

SiC，進(jìn)入八英寸時代

SiC具有高擊穿電場、高飽和電子速度、高熱導(dǎo)率、高電子密度和高遷移率等特點，是良好的半導(dǎo)體材料，目前已經(jīng)在汽車電子、工業(yè)半導(dǎo)體等領(lǐng)域有了較為廣泛的應(yīng)用。

國內(nèi)企業(yè)在SiC襯底方面以4英寸為主，同時山東天岳、天科合達(dá)、河北同光、中科節(jié)能、露笑科技等廠商已完成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，在SiC單晶襯底技術(shù)上形成自主技術(shù)體系。山西爍科、晶盛機電、天科合達(dá)等公司也在8英寸SiC襯底技術(shù)上有所成績。

國際上也已有Wolfspeed、羅姆、意法半導(dǎo)體、安森美、II-VI、Soitec等企業(yè)成功研發(fā)出了8英寸SiC襯底。

根據(jù)中國寬禁帶功率半導(dǎo)體及應(yīng)用產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟的預(yù)測，預(yù)計2020—2025年國內(nèi)4英寸 SiC 晶圓市場逐步從10萬片減少至5萬片，6英寸晶圓將從8萬片增長至20萬片；2025—2030年，4英寸晶圓將逐步退出市場，6英寸增加至40萬片。

值得注意的是，雖然8英寸SiC的到來的確能夠為產(chǎn)業(yè)帶來一些變化，但目前SiC器件的生產(chǎn)線大都還是6英寸的產(chǎn)線。

雖然在功率半導(dǎo)體制造的離子注入、薄膜沉積、介質(zhì)刻蝕、金屬化等環(huán)節(jié)，8英寸碳化硅與6英寸SiC的差距不大，但是在8英寸SiC的襯底生長、襯底切割加工、氧化工藝等方面存在諸多制造難點。其中，襯底生長方面，擴(kuò)徑到8英寸，對襯底生長的難度會成倍增加；襯底切割加工方面，越大尺寸的襯底切割應(yīng)力、翹曲的問題越顯著；氧化工藝一直是碳化硅工藝中的核心難點，8英寸、6英寸對氣流和溫場的控制有不同需求，工藝需各自獨立開發(fā)。目前頭部的廠商也正在與供應(yīng)鏈上下游技術(shù)廠商合作開發(fā)自己的制造設(shè)備和生產(chǎn)工藝。因此，SiC晶圓升級到8英寸，還需要對制造設(shè)備和整體支持生態(tài)系統(tǒng)進(jìn)行升級更換。

根據(jù)Wolfspeed的數(shù)據(jù)顯示，以32mm2面積的裸片（芯片）為例，8英寸晶圓上的裸片數(shù)量相比6英寸增加近90%，同時邊緣裸片數(shù)量占比從14%降低至7%，也就是說8英寸晶圓利用率相比6英寸提升了7%。因此晶圓往大尺寸發(fā)展是需求增長下的必然趨勢。只是相對于4英寸到6英寸的里程碑式轉(zhuǎn)變，6英寸過渡到8英寸還需要一段時間。在未來一段時間內(nèi)，6英寸產(chǎn)線還是會占據(jù)主流地位。

GaN，六英寸正在加速

GaN具有耐高壓、耐高溫、低能量損耗的特點，在功能上與SiC各有側(cè)重。SiC側(cè)重高壓，GaN側(cè)重高頻。不過，GaN成本昂貴，刻蝕困難，其產(chǎn)業(yè)化的進(jìn)度要比SiC慢，目前GaN的市場較小，連1%都不到，其晶圓正處于4英寸向6英寸過渡的階段。

國內(nèi)商業(yè)化的GaN襯底尺寸以2英寸為主，4英寸實現(xiàn)小批量出貨，預(yù)計2025年前完成6英寸襯底的批量生產(chǎn)并進(jìn)入市場。主要企業(yè)包括蘇州納維和東莞中鎵等公司。

國際GaN單晶襯底供應(yīng)商包括日本的住友電工、古河機械、三菱化學(xué)、美國的Kyma、法國的Lumilog等公司，日本是全球最大GaN晶圓生產(chǎn)地，占據(jù)了90%以上的市場份額。其中主流的量產(chǎn)產(chǎn)品還是2英寸，4英寸與6英寸GaN單晶襯底已經(jīng)有多家廠商宣布完成研發(fā)，其中4英寸有部分廠商實現(xiàn)量產(chǎn)。

GaN器件的常用襯底是硅基和碳化硅基：碳化硅基GaN射頻器件具有高導(dǎo)熱性能和大功率射頻輸出優(yōu)勢，適用于5G基站、衛(wèi)星、雷達(dá)等領(lǐng)域。硅基GaN功率器件主要應(yīng)用于電力電子器件領(lǐng)域。而基于GaN襯底的GaN器件，雖然在各個性能指標(biāo)都處于領(lǐng)先水平，但是襯底價格過高。

GaN產(chǎn)業(yè)鏈上游原材料包括GaN襯底及GaN外延片，原材料成本較高，進(jìn)口依賴嚴(yán)重，國產(chǎn)化率約10%。在襯底領(lǐng)域，GaN襯底存在著嚴(yán)重的技術(shù)困難，一片2英寸的GaN襯底，在國際市場上的售價高達(dá)5000美元，而且一片難求。所以硅基和碳化硅基的GaN器件將會率先商用。

GaN應(yīng)用范圍廣泛，作為支撐“新基建”建設(shè)的關(guān)鍵核心器件，其下游應(yīng)用切中了“新基建”中5G基站、特高壓、新能源充電樁、城際高鐵等主要領(lǐng)域。此外，GaN的高效電能轉(zhuǎn)換特性，能夠幫助實現(xiàn)光伏、風(fēng)電（電能生產(chǎn)），直流特高壓輸電（電能傳輸），新能源汽車、工業(yè)電源、機車牽引、消費電源（電能使用）等領(lǐng)域的電能高效轉(zhuǎn)換，助力“碳達(dá)峰，碳中和”目標(biāo)實現(xiàn)。根據(jù)Market and Market 、Yole等機構(gòu)的增長幅度測算，預(yù)計到2026年全球GaN元件市場規(guī)模將增長到423億美元，年均復(fù)合增長率約為13.5%。

目前來看，由于制備工藝、后續(xù)加工及原料來源等因素影響，硅材料依然是主流半導(dǎo)體材料。不過隨著終端應(yīng)用需求的激增會推動SiC、GaN晶圓尺寸向8英寸方向升級。現(xiàn)在SiC及GaN晶圓主要被限制在4-6英寸，相信頭部供應(yīng)商在8英寸晶圓方面的發(fā)力，將帶動8英寸寬禁帶功率半導(dǎo)體晶圓產(chǎn)能的增多。未來幾年內(nèi)，SiC、GaN晶圓尺寸往8英寸方向發(fā)展的趨勢將持續(xù)存在。

作者：豐寧