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深度解析:第三代半导体材料的关键技术、产业集群、发展趋势与展望等!

作者:DeepTech 更新时间:2022-07-12 15:28 来源:DeepTech 点击数:179
半导体材料


2022年正值中国产业升级与“双碳”政策推进的关键阶段,半导体和新能源行业再度成为关注的焦点。随着第四次工业革命到来,大量新技术需要依靠芯片来实现,但在过去的几十年间,中国的半导体材料过度依赖进口,无法自给自足的半导体产业限制了中国信息技术产业的发展。先进半导体材料作为信息技术产业的基石,在国际局势愈加动荡的背景下,其供需矛盾日益凸显,在诸多关键新材料中的地位也逐渐突出。




先进半导体材料

第三代半导体材料“超越摩尔定律”,成为半导体产业新的发展重心



一、第三代半导体材料战略性、先导性地位凸显

第三代半导体材料,指带隙宽度明显大于Si(1.1eV)和GaAs(1.4eV)的宽禁带半导体材料,主要包括Ⅲ族氮化物(如GaN、AlN等)、碳化硅(SiC)、氧化物半导体(如ZnO、Ga₂O₃等)和金刚石等宽禁带半导体。当前具备产业化条件的以SiC和GaN为主,AlN、ZnO、Ga₂O₃、金刚石等宽禁带半导体大多处于实验室研究阶段,产业化尚需时日。




第三代半导体材料性能更加优异。相对于Si、GaAs和InP,第三代半导体材料具有高击穿电场强度、高热导率、高电子饱和率、高漂移速率以及高抗辐射能力等优越性能,这些优势有望大幅降低装置的损耗和体积/重量,因而第三代半导体材料在高功率、高频率、高电压、高温度、高光效等领域具有难以比拟的优势和广阔的应用前景。

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表1.传统半导体材料与第三代半导体材料电学参数比较(来源:DeepTech)
第三代半导体材料成为半导体产业新的关注点。首先,传统半导体材料遵循摩尔定律演进趋势,随着制程微缩的难度和成本指数级上升,摩尔定律脚步放缓,以新材料、新结构和新工艺为特征的“超摩尔定律”成为产业发展的新方向。其次,能源危机和环保压力日益凸显,第三代半导体材料在功率电子、光电子和微波射频领域具有Si器件所不具备的优异性能,以SiC和GaN为代表的第三代半导体成为产业转型升级驱动因素。第三,半导体产业是国家核心竞争力,建立自主可控集成电路产业体系是国家重要的发展战略。在第一代半导体集成电路竞赛中,中国大幅落后于国际先进水平,但是在第三代半导体集成电路领域中国与国际先进水平的差距相对较小,有可能实现“弯道超车”。
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图1.第三代半导体材料主要应用领域(来源:DeepTech)


二、关键技术取得突破,与全球先进水平差距缩小


通过国家和地方的大力支持,中国第三代半导体材料发展迅速,形成了比较完整的技术链,部分关键技术指标达到国际先进水平。

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图2.第三代半导体材料主要技术环节(来源:DeepTech)

在SiC衬底及外延方面:中国已经实现4英寸SiC衬底的量产,开发出6-8英寸SiC单晶样品,衬底质量与国际水平尚存在一定差距。在SiC外延方面,中国实现了4-6英寸SiC外延片的量产,可以满足3.3kV及以下功率器件制备需求,而超高压(>10kV)SiC功率器件所需的N型SiC外延片以及双极型SiC功率器件所需的P型SiC外延片等方面还处于研究阶段。


在GaN衬底及外延方面:中国形成了具有自主知识产权的氢化物气相外延(HVPE)技术,实现了2英寸自支撑GaN衬底量产和4英寸小批量出货,实现6英寸GaN单晶衬底研发,晶体质量达到了国际先进水平。在GaN外延方面,根据衬底的不同主要分为GaN-on-sapphire、GaN-on-Si、GaN-on-SiC、GaN-on-GaN 四种。GaN-on-sapphire主要应用在LED市场,主流尺寸为4英寸;GaN-on-Si主要应用于电力电子和光电子市场,实现批量生产6-8英寸Si上 GaN外延片,克服了大尺寸Si衬底上GaN外延材料的开裂和翘曲等关键技术问题,部分技术处于国际先进水平;GaN-on-SiC主要应用在微波射频市场,中国已成功生长出高质量的4英寸SiC衬底上GaN HEMT器件外延片;GaN-on-GaN主要应用市场是蓝/绿光激光器,中国还未实现产业化。


在电力电子器件方面:中国多家企业和科研机构已经掌握了SiC SBD和JFET的量产技术,实现650V-1700V的SiC SBD产品大规模出货以及3300V SiC SBD产品样品。研制出650V-1700V的SiC MOSFET产品,尚不具备产业化能力。GaN电力电子器件方面,已经实现了650V及以下Si上GaN电力电子器件的产业化应用,但主要以分立器件为主,系统集成度和导通电阻等关键指标与国际先进水平有差距;已经研发出面向新能源汽车应用的1200V Si上GaN器件,尚未取得应用突破。


在微波射频器件方面:GaN微波射频器件主要包括SiC基GaN、Si基GaN和金刚石基GaN的功率放大器。对于SiC基GaN工艺,主要应用场景是军事和国防领域的雷达、卫星通信,对输出功率要求比较高,中国已经研制出覆盖C波段和Kα波段多款军用GaN HEMT及MMIC;在民用方面,中国推出了用于无线通信基站的GaN微波功率管,但在可靠性、工艺技术方面还存在较大差距。对于Si基GaN器件来说,主要应用场景是规模巨大的5G通信系统,输出功率要求不高,对低成本、高性价比的要求相对比较高,中国已经推出了相关产品,但还未大规模应用。对于金刚石基GaN 射频器件来说,主要应用场景是军事和国防用雷达、卫星通信,对输出功率要求比较高,目前处于实验室研发阶段。


在光电子器件方面:LED技术与国际差距较小,部分技术国际领先。目前中国在蓝宝石衬底上制备的功率型白光LED产业化光效超过160Im/W,在Si衬底上制备的LED产业化光效超过150Im/W,处于国际领先水平。在高端照明如汽车照明,核心专利技术由美国、德国、日本掌握。在新型显示方面,Micro-LED作为下一代显示技术的重要技术路线,中国从关键装备到芯片、封装、驱动、应用系统,国内企业也进行了全面布局。


三、区域发展各具特色,产业集群正在形成


中国半导体照明产业已经有20多年的发展历程,政府高度重视技术创新和产业发展,产业布局相对完善,已经成为全球最重要的半导体照明产品生产国。中国第三
代半导体电力电子、射频及光电子产业发展时间相对较短,从中央到地方密集出台政策措施扶持产业发展,第三代半导体产业集聚态势正在形成。


国家层面,2015年国务院印发了《中国制造2025》国家战略,提出了发展第三代半导体材料的任务和要求;随后,国家各部委相继出台了《“十三五”国家科技创新规划》、《“十三五”国家战略性新兴产业发展规划》等多项重要规划,均布局了第三代半导体相关内容。面向“十四五”,第三代半导体材料相关内容已经写进“十四五”国家发展规划。


地方层面,北京、深圳、广东、福建、江苏、浙江、湖南等省市政府先后出台相关政策(不包括 LED),第三代半导体技术和产业发展均被纳入地方“十三五”和“十四五”相关领域规划内容。各地区依托当地优势研究机构和企业,通过推进技术成果转化、资本投资等多种形式,推动第三代半导体产业发展。

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表2.中国第三代半导体材料相关政策(来源:各部委网站、DeepTech)

中国半导体照明产业发展相对成熟,形成了环渤海、长三角、珠三角、闽三角以及中西部五大产业集聚区。从产业基地建设情况来看, 中国形成了13个国家级半导体照明产业基地。2004年,上海、厦门、大连、南昌、深圳、扬州和石家庄7个地区获批建立国家级半导体照明产业化基地,加快了中国半导体照明产业的空间集聚,推动了半导体照明产业快速发展。随着半导体照明产业的发展,越来越多的城市将半导体照明产业列为当地重点布局的战略性产业,着力建设半导体照明相关产业基地和园区,2009年,科技部认定天津、杭州、武汉、东莞、西安和宁波6个地区建立国家级半导体照明产业化基地。依托国家级产业基地,各地建成了数百个半导体照明产业园区,半导体照明产业在中国全面开花,推动中国成为全球最大的半导体照明产品生产和出口地。

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图3.中国国家级半导体照明产业基地分布情况(来源:DeepTech)

中国第三代半导体电力电子、微波射频及光电子产业正在加速形成各具特色的产业集群。中国在SiC、GaN材料及器件方面的发展起步较晚,与全球水平仍有较大差距,目前正在积极布局中。2017年,中国第三代半导体产业全面启动,中央和地方出台相关政策加大对第三代半导体材料及产业化应用扶持力度。从政策分布来看,广东省、江苏省、上海市、北京市、福建省、湖南省相对集中,未来将围绕这些区域形成第三代半导体产业集群。北京市和广东省相继建立北京第三代半导体材料及应用联合创新基地和第三代半导体南方基地,着力发展第三代半导体全产业链,未来将形成全球重要的第三代半导体产业集群;经过几年的发展,中国第三代半导体主要企业由中试进入大规模量产阶段,新建产能主要集中在上海、深圳、湖南、山西等地区,在这些地区依托龙头企业及当地产业基础将形成产业集群。浙江、河北、山东、安徽、四川等地已经集聚了相对完整的第三代半导体产业链,具备建设产业集群条件。

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图4.中国第三代半导体产业分布情况(来源:DeepTech)

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图5.北京市第三代半导体产业链(来源:DeepTech)


2)江苏省苏州市工业园区:苏州工业园区已形成以GaN材料及其应用为优势的第三代半导体产业集聚区。在GaN材料、中游器件及终端应用产品方面形成一定规模,依托中国科学院苏州纳米技术与纳米仿生研究所,集聚了如纳维科技、苏州晶湛、苏州能讯等一批行业领军企业。目前,苏州工业园第三代半导体相关企业共9家,涵盖衬底、外延、器件等环节。

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图6.苏州工业园区第三代半导体产业链(来源:DeepTech)


第三代半导体材料典型企业:


1)山东天岳:山东天岳是中国SiC半绝缘衬底龙头企业,也是第三代半导体材料领域第一家上市企业。截至2021年底,山东天岳SiC衬底产能约为50000片/年,衬底尺寸主要为4英寸。山东天岳在半绝缘型SiC衬底领域国内市场占有率第一,主要客户为中电科13所和55所。2020年,公司招股说明书上表示公司市场占有率较上年增12个百分点,位列世界前三,大大缩小了与国外竞争对手的差距。山东天岳总部位于山东济南,产业化基地位于上海临港新片区,于2020年底开始建设,总投资25亿元。


2)天科合达:天科合达公司是中国SiC导电型衬底龙头企业,公司实现2英寸至6英寸SiC晶片产品的规模化供应,2020年启动8英寸晶片产品研发。截至2021年底,公司SiC衬底折合4英寸产能约为50000片/年。天科合达总部位于北京市大兴区,在北京和江苏徐州有产业化基地,2021年在深圳投资22亿元建设6英寸SiC衬底及外延生产线。


3)纳维科技:苏州纳维科技有限公司是中国首家GaN衬底晶片供应商,GaN衬底尺寸以2英寸为主,4英寸至6英寸已经小批量出货,技术水平全球领先。纳维科技2英寸GaN衬底产量接近10000片/年,客户主要为全球研发型机构,面向激光器、LED、电子器件、探测器和太赫兹等应用。


四、创新生态生机勃勃,助力打造核心竞争力


中国建立了较为完善的第三代半导体技术创新体系。与全球同步,中国科研院所和大学也相继开展了第三代半导体材料的研究,主要包括中科院物理所、山东大学、中科院硅酸盐所、中科院半导体所以及中国电子科技集团第46研究所等单位,这些科研单位的超前研究成果构建了中国第三代半导体产业技术基础。随着全球第三代半导体产业化水平的持续推进,中国越来越多的科研单位在细分领域和主要环节进行科学研究,如清华大学、北京大学、浙江大学、西安电子科技大学、复旦大学等单位,这些单位完善了中国第三代半导体研究体系。为建设以企业为主体、市场为导向、产学研用深度融合的技术创新体系,全面提升中国第三代半导体领域的自主创新能力,支撑第三代半导体产业集群式发展,深圳、苏州、南京、山西、湖南、北京等国家级第三代半导体技术创新中心相继成立,中国第三代半导体技术研发格局基本形成。


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图7.中国第三代半导体产业研究机构分布图(来源:DeepTech)

中国第三代半导体技术创新机构形成以北京、江苏和广东三地为核心全国多点分布的格局。北京市研发力量全国最强,不仅有顶级的科研单位代表,如中科院半导体所、中科院物理所、清华大学、北京大学、国网研究院等,主要企业如天科合达、中科钢研、泰科天润、世纪金光等也汇聚于此。江苏省和广东省紧随其后,形成了以大学、科研院所、国家级技术创新中心、省市级技术创新平台、企业研发中心为代表的完善的研发体系。上海市、山东省、山西省、湖南省、江西省、福建省、安徽省、浙江省等地区依托大学、大院、大所以及龙头企业正在建设符合区域发展的研究队伍。


中国第三代半导体技术创新人才形成以院士为引领,杰青、长江学者、国家高层次人才计划、青年学者等多层次人才梯队结构。郑有炓、甘子钊、王立军、江风益、郝跃、刘明等院士专家构成了中国第三代半导体领域第一人才梯队,在前沿领域进行探索研究,为中国第三代半导体技术指明了方向。以徐现刚、陈小龙、张荣、王新强、龙世兵等杰青和长江学者为代表的专家,以及张清纯、严群、张波等国家计划重点人才形成了中国第三代半导体领域第二人才梯队,在学科建设、技术引领、人才培养方面发挥重要作用。广大的青年专家、学者、企业技术负责人等构成了中国第三代半导体领域第三人才梯队,在技术研究、工程研发、产业化推进等方面贡献力量。另外,依托早期半导体照明产业的发展,中国在第三代半导体领域初步积累了人才基础,三安光电、国星光电、乾照光电等半导体照明龙头企业都为第三代半导体领域的重要参与者。


典型研究机构:


1)电子科技大学电子科技大学国家示范性微电子学院依托现有的电子科学与工程学院,拥有电子薄膜与集成器件国家重点实验室、电子科技大学功率集成技术实验室、国家电磁辐射控制材料工程技术研究中心、极高频复杂系统国防重点学科实验室、微波电真空器件国防科技重点实验室、国家集成电路人才培养基地、国家集成电路设计成都产业化基地研发培训中心、3个国家级实验教学示范中心、10个省部级重点实验室及工程中心等实验平台。


学院开展了SiC JBS、SiC PiN和SiC功率MOSFET(平面和槽栅)研究。650V/1200V(10A/20A)SiC JBS二极管已获批量应用;1200V/25A、1700V/15A SiC MOSFET以及4.5kV/6.5kV/10kV(50A/100A)SiC PiN二极管已经流片成功,可以进行产业化推广;实现10kV SiC MOSFET晶体管以及 10kV SiC JBS二极管样品开发工作。自研650V GaN HEMT器件,导通电阻 70mΩ,电流40A,达到国际商用器件Navitas NV6128芯片技术水平;自研100V GaN HEMT器件,导通电阻21mΩ,电流45A ,与国际商用器件EPC 2051器件性能相当。


2)松山湖材料实验室松山湖材料实验室第三代半导体材料与器件团队涵盖了从上游薄膜材料外延、中游芯片设计制备、到下游器件模组封装等全部产业链研究布局。构建外延片生长及表征系统、紫外LED芯片制备系统、AlN陶瓷基板及封装应用系统与应用级产品测试开发系统等四大板块。2020年松山湖材料实验室成功建设了一条SiC外延工艺研发产线。

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表3.中国第三代半导体产业研究机构分布图(来源:DeepTech)


五、中国第三代半导体材料未来展望


第三代半导体材料和技术正在加速发展,在新一代显示、5G移动通信、相控阵雷达、高效智能电网、新能源汽车、自动驾驶、工业电源、消费类电子产品等领域展示出广阔的、不可替代的应用前景,并逐渐成为人工智能、未来智联网等发展的核心关键元器件的材料基础。预计将形成万亿美元的应用市场,成为新一代制造业必争的战略要地,成为全球各国提升未来核心竞争力的重要手段和重要支撑。


1)更大尺寸晶圆将成为主流,材料质量与器件性能不断提升


生产成本成为推动大尺寸晶圆的主要推动力,较大的晶圆直径能提升单晶利用率降低晶圆制造成本,且全球先进水平已经突破大尺寸晶圆生长技术,如wolfspeed即将实现8英寸SiC晶圆量产,而国内主流尺寸为4英寸,加速实现6英寸SiC衬底和外延材料的产业化转移成为中国企业的必然选择。不断开发新工艺和新技术,降低材料的缺陷密度、提高产品良率和降低成本,加速突破衬底材料、外延、芯片和封装测试瓶颈将成为整个行业未来发展的主旋律。


2)产业集群发展态势将逐渐形成,企业兼并重组整合加速


中国第三代半导体工程化技术已经取得突破,有能力的企业进行产业化布局,支持政策完善、配套资源齐全、产业生态较好的区域将吸引企业落户,形成产业聚集,未来中国将围绕这些区域形成多个产业集聚区。另外,企业间的兼并重组也将加剧,全球主要企业如Ⅱ-Ⅵ、wolfspeed等已经开启整合模式,中国优势企业为了扩大影响力也将通过兼并重组向上下游延伸;传统半导体企业为了寻求新的利润增长点以及布局新技术的需要,也将并购具备硬实力的初创公司;下游应用企业从自身供应链安全考虑,也将向上游延伸产业链。


3)第三代半导体渗透将加快,新的应用蓝海将逐渐开启

第三代半导体材料在新能源汽车、PV光伏、消费类电子产品、轨道交通、半导体照明、5G射频等方面应用优势明显,随着第三代半导体量产技术突破、成本进一步降低,渗透率将逐步提高。电力电子器件在新能源汽车上的应用、光电子器件在Mini/Micro-LED等新一代显示产业及UV-LED方面的应用将成为未来5年新的风口。


4)新的材料体系将逐渐成熟


Ga₂O₂、AlN和金刚石等超宽禁带半导体材料具有更高击穿电压、更低导通电阻、更高频率、更大功率的特点,是支撑未来轨道交通、新能源汽车、能源互联网等产业创新发展和转型升级的重点核心材料。国外近几年对超宽禁带半导体愈发重视,布局和投入显著增加,中国也有越来越多的科技人员关注和开展对超宽禁带半导体的研究,前景为业界看好,未来几年会逐步推出相关产品。(文章来源:DeepTech)