由第三代半导体电力电子技术路线图引发的思考

2018-08-08

7月31日，国内首个《第三代半导体电力电子技术路线图》正式发布。该路线图是由第三代半导体产业技术创新战略联盟组织国内外众多大学、科研院所、优势企业的知名院士、学者和专家，历时1年多共同编写而成。

据悉，《第三代半导体电力电子技术路线图》围绕电力电子方向，主要从衬底/外延/器件、封装/模块、SiC应用、GaN应用等四个方面展开论述，提出了中国发展第三代半导体电力电子技术的路径建议和对未来产业发展的预测。

半导体产业进入第三个阶段

半导体产业发展至今经历了三个阶段，第一代半导体材料以硅（Si）为代表，以砷化镓（GaAs）为代表的第二代半导体材料和以氮化镓（GaN）、碳化硅（SiC）、氧化锌（ZnO）等宽禁带为代表的第三代半导体材料。相较前两代产品，第三代半导体的性能优势非常显著且受到业内广泛好评。

以GaN、SiC为代表的第三代半导体材料最大的优点在于能够适应高压，高频和高温的极端环境，性能大幅提升。由于SiC和GaN的禁带宽度远大于Si和GaAs，相应的本征载流子浓度小于Si和GaAs，宽禁带半导体的最高工作温度要高于第一、第二代半导体材料。击穿场强和饱和热导率也远大于Si和GaAs。因此，它们是5G时代基站建设的理想材料。

电力电子应用

当今，许多公司都在研发SiC MOSFET，领先企业包括美国科锐（Cree）旗下的Wolfspeed、德国的SiCrystal、日本的罗姆（ROHM）、新日铁等。而进入GaN市场中的玩家较少，起步也较晚。

SiC的电力电子器件市场在2016年正式形成，市场规模约在2.1亿~2.4亿美金之间。而据Yole最新预测，SiC市场规模在2021年将上涨到5.5亿美金，这期间的复合年均增长率预计将达19%。

全球已有超过30家公司在电力电子领域拥有SiC、GaN相关产品的生产、设计、制造和销售能力。2016年SiC无论在衬底材料、器件还是在应用方面，均有很大进展，已经开发出耐压水平超过20KV的IGBT样片。

各国的发展策略

美、日、欧等国都在积极进行第三代半导体材料的战略部署，其中的重点是SiC。作为电力电子器件，SiC在低压领域如高端的白色家电、电动汽车等由于成本因素，逐渐失去了竞争力。但在高压领域，如高速列车、风力发电以及智能电网等，SiC具有不可替代性的优势。

美国等发达国家为了抢占第三代半导体技术的战略制高点，通过国家级创新中心、协同创新中心、联合研发等形式，将企业、高校、研究机构及相关政府部门等有机地联合在一起，实现第三代半导体技术的加速进步，引领、加速并抢占全球第三代半导体市场。

例如，美国国家宇航局（NASA）、国防部先进研究计划署（DARPA）等机构通过研发资助、购买订单等方式，开展SiC、GaN研发、生产与器件研制；韩国方面，在政府相关机构主导下，重点围绕高纯SiC粉末制备、高纯SiC多晶陶瓷、高质量SiC单晶生长、高质量SiC外延材料生长这4个方面，开展研发项目。在功率器件方面，韩国还启动了功率电子的国家项目，重点围绕Si基GaN和SiC。

发达国家第三代半导体材料政策如下图所示：

资料来源：CASA整理

可见，全球SiC产业格局呈现美国、欧洲、日本三足鼎立态势。其中美国全球独大，居于领导地位，占有全球SiC产量的70%~80%；欧洲拥有完整的SiC衬底、外延、器件以及应用产业链，在全球电力电子市场拥有强大的话语权；日本则是设备和模块开发方面的绝对领先者。

中国由于在LED方面已经接近国际先进水平，为第三代半导体在其它方面的技术研发和产业应用打下了一定的基础。

中国发展状况

中国开展SiC、GaN材料和器件方面的研究工作比较晚，与国外相比水平较低，阻碍国内第三代半导体研究进展的重要因素是原始创新问题。国内新材料领域的科研院所和相关生产企业大都急功近利，难以容忍长期“只投入，不产出”的现状。因此，以第三代半导体材料为代表的新材料原始创新举步维艰。

虽然落后，我国也在积极推进，国家和各地方政府陆续推出政策和产业扶持基金发展第三代半导体相关产业：地方政策在2016年大量出台，福建、广东、江苏、北京、青海等27个地区出台第三代半导体相关政策（不包括LED）近30条。一方面，多地均将第三代半导体写入“十三五”相关规划，另一方面，不少地方政府有针对性对当地具有一定优势的SiC和GaN材料企业进行扶持。

据CASA统计，2017年我国第三代半导体整体产值约为6578亿（包括照明），同比增长25.83%。其中电力电子产值规模接近10亿元，较上年增长10倍以上。

此次发布的国内首个《第三代半导体电力电子技术路线图》的机构是第三代半导体产业技术创新战略联盟，该联盟虽然是由相关科研机构、大专院校、龙头企业自愿发起的民间产业机构，但是，其实背后是国家科技部、工信部以及北京市科委鼎力支持下成立的，其发布的路线图在一定程度上代表了国家对于半导体产业发展方向的指引。

从联盟的成员来看，也对国内半导体产业发展起着举足轻重的作用，理事会提名中国科学院半导体研究所、北京大学、南京大学、西安电子科技大学、三安光电股份有限公司、国网智能电网研究院、中兴通讯股份有限公司、苏州能讯高能半导体有限公司、山东天岳先进材料科技有限公司等创新链条上的重要机构作为副理事长单位。

国内企业方面，在LED芯片领域已有深厚积累的三安光电，在第三代半导体材料的研发投入达到了330亿元。

除三安光电外，扬杰科技、国民技术、海特高新等多家上市公司均开始布局第三代半导体业务。

扬杰科技曾向投资者透露，其SiC芯片技术已达到国内领先水平。海特高新通过其子公司海威华芯开始建设6英寸的第二代/第三代集成电路芯片生产线。中车时代电气（中国中车子公司）在高功率SiC器件方面处于国内领先。国民技术也开始布局这个领域，其全资子公司深圳前海国民公司与成都邛崃市人民政府签订了《化合物半导体生态产业园项目投资协议书》，研发第三代半导体外延片。

此外，华润华晶微电子和华虹宏力也是发展第三代半导体材料的代表企业。

大家知道，仙童半导体已经被安森美收购。而其在2016年1月5日宣布，将考虑华润微电子与华创投资的修订方案。在新方案中，中国资本愿以每股21.70美元的现金收购仙童，这一价格远远高于安森美提出的每股20美元。

遗憾的是，由于美国政府对中国企业并购的限制，中国人的高价橄榄枝并没有获得通行证，仙童还是选择了同在美国的安森美，让后者跃居全球功率半导体二当家。

曾经距离收购仙童半导体那么近，从中可以看出华润微电子在布局先进功率器件方面的决心和力度。华润华晶微电子是华润微电子旗下从事半导体分立器件的高新技术企业，在国内，其功率器件的规模和品牌具有一定优势。该公司实现了先进的FS工艺，在该基础上开发了平面和沟槽产品，具有低损耗，低成本的优势。

结语

全球都在加码第三代半导体技术和材料的研发工作，中国自然也不甘落后。此次，《第三代半导体电力电子技术路线图》的发布，可以帮助行业和企业把握技术研发和新产品推出的最佳时间，帮助政府更好明确技术研发战略、重点任务、发展方向和未来市场，集中有限优势资源为产学研的结合构建平台，能使利益相关方在技术活动中步调一致，减少科研盲目性和重复性，将市场、技术和产品有机结合。

据悉，继电力电子路线图之后，第三代半导体产业技术创新战略联盟还将陆续组织光电、微波射频等其他应用领域的技术路线图。