摩爾定律已逼近物理極限。“卷不過”就換賽道，寬禁帶半導體成為後摩爾時代半導體發展的“蹊徑”之一，而在這一領域，國內企業有望實現彎道超車。寬禁帶半導體是指禁帶寬度在2.3eV及以上的半導體材料，以碳化矽（SiC）、氮化鎵（GaN）為代表，也稱“第三代半導體”。
采用SiC、GaN材料制備的半導體器件不僅能在更高的溫度下穩定運行，適用於高電壓、高頻率場景，還能以較少的電能消耗，獲得更高的運行能力。
矽基氮化鎵（GaN on Si）功率器件企業英諾賽科董事長駱薇薇近日在2022年ISES China峰會上表示，寬禁帶半導體不屬於先進工藝，對設備的依賴會小一點，其涉及的很多設備目前基本上可以在國內獲得，核心設備後期也可以實現自主可控。“這是一個新賽道，我們有機會獲得突破。”
寬禁帶半導體：換道超車重要領域
矽（Si）材料的潛力已逐漸開發殆盡。相比於矽，SiC具有其10倍的擊穿電場強度、3倍的禁帶寬度、2倍的極限工作溫度和超過2倍的飽和電子漂移速率。SiC還具有3倍的熱導率，這意味著3倍於Si的冷卻能力。而GaN則具備比SiC更寬的禁帶寬度、擊穿電場強度及飽和電子漂移速率。
目前Si仍是半導體材料主流，占比95%。Yole預測，第三代半導體滲透率將逐年上升，SiC滲透率在2023年有望達到3.75%，GaN滲透率在2023年達到1.0%。
根據CASA數據，2020年我國第三代半導體整體產值超7100億元。其中，SiC、GaN電力電子產值規模達44.7億元，同比增長54%；GaN微波射頻產值達到60.8億元，同比增長80.3%。
據悉，總體來看，寬禁帶半導體國內和海外的技術代差並不大。“SiC材料方面，國際上6英寸是主流，8英寸開始中試，國內6英寸剛剛規模量產，8英寸處於樣品研發階段；SiC器件方面，國內中低功率的SiC MOSFET處於小批量供貨階段，在高耐壓、高厚膜外延、極端動態可靠性等方面性能低於國際水平，同時大規模制造能力與意法半導體、CREE等比較還是有一定差距。”某涉及第三代半導體業務的上市公司內部高管告訴第一財經，GaN方面，國內企業與國際龍頭在材料和器件部分關鍵指標方面基本同步，但器件在動態特性、長期可靠性、缺陷控制等方面與國際水平有一定差距。
賽迪顧問新材料產業研究中心首席分析師李龍近日在2022世界半導體大會上表示，第三代半導體行業總體來看還處於發展早期階段，任何一個玩傢若能實現技術突破，則可以改變目前的市場格局，第三代半導體也因此成為相關企業換道超車的重要領域。
SiC器件最大應用市場在新能源汽車
SiC產業鏈大致可以分為襯底、外延、器件三大環節，器件包括設計、制造和封測。
SiC器件不可直接制作於襯底上，需先用化學氣相沉積法在襯底表面生成所需薄膜材料，形成外延片，再進一步制成器件。從技術難度來看，襯底環節技術難度最大，其次是器件環節。襯底同時也是成本占比最高的環節，占據47%。
襯底技術難度大首先緣於良率低。碳化矽的晶型多達200多種，要生成所需的單一晶型（主流為4H晶型），需要控制十分精確。另一方面，SiC襯底莫氏硬度達9.2，屬於高硬度脆性材料，加工過程中易開裂，加工完成後的襯底易存在翹曲等質量問題。
天嶽先進（688234.SH）招股書顯示，2018-2020年和2021年上半年，公司的晶棒良率分別為41%、38.57%、50.73%和49.90%，襯底良率分別為72.61%、75.15%、70.44%和75.47%，綜合良率最新約為37.7%。
制備條件苛刻也提高襯底制備的門檻。生產SiC晶棒需要2500℃高溫，而矽晶隻需1500℃，因此SiC晶棒需要特殊的單晶爐，還需要精確控制溫度；SiC晶棒的生產周期為7至10天，長度約2cm，而矽晶棒隻需要3~4天即可長成，長度可達2m。
“晶體生長是SiC技術難度最大的環節。”上述上市公司高管告訴第一財經，增加晶圓尺寸，提高長晶與加工環節的良率是降低成本的有效方法；長晶爐熱場設計、晶體生長與加工工藝優化等則能有效提高良率。
“從整個產業鏈來看，目前國內在SiC襯底這一塊比較成熟，雖然在良率、尺寸等方面跟國外還有一些差距，但可以保證整個供應鏈的完整性。”中電科55所化合物產品部副主任劉柱表示，從外延到工藝制造，再到最終的封測，我國具備完整的能力，目前國產產品可以覆蓋到3毫米波段以下。
SiC應用領域主要分為射頻器件（5G、國防等）和功率器件（新能源等）。其中新能源汽車是SiC器件最大的應用市場，據Yole預測，其2025年份額將超過50%。海通證券認為，隨著SiC零部件在電動車中不斷替代滲透，單車SiC價值量也將逐步增加。
從供需方面看，業內人士根據一些市場部門的調研和歸納總結，認為2025年全球SiC襯底產量總共282萬片，其中中國89萬片，中國以外的地區193萬片，而保守情況下需求量為365萬片，樂觀情況下728萬片。這意味著屆時SiC將供不應求。
“目前SiC、GaN器件大規模商用的最大障礙還是產品性價比。”上述高管對第一財經表示，SiC二極管已經規模商用，SiC MOS器件國內部分企業實現技術突破，在大規模制造能力方面還需要持續優化。
從產業鏈角度看，目前國內佈局SiC的上市公司可大致分為五類：1）專註襯底材料，如國內半絕緣型SiC襯底龍頭天嶽先進，導電型襯底市占率國內第一的天科合達；2）器件端IDM，如華潤微（688396.SH）、斯達半導（603290.SH）、聞泰科技（600745.SH）等；3）材料到器件一體化佈局，如三安光電；4）芯片設計廠商，如新潔能（605111.SH）；5）上遊設備廠商等，如露笑科技（002617.SZ）佈局設備和材料，中微公司（688012.SH）佈局外延設備。
其中，三安光電的SiC業務由湖南三安半導體完成，總投資160億元，規劃年配套產能36萬片6英寸SiC晶圓，涵蓋SiC全產業鏈，包括長晶、襯底、外延、芯片制造和封裝測試。2021年6月份一期已經建設完成，二期預計在2024年完成。
國內GaN產業鏈加速佈局
GaN材料具備多重性能優勢。首先，GaN可以進一步提高開關頻率，這意味著可以減少系統材料的體積和面積，其次，GaN的高飽和電子濃度可以大幅降低導頻損耗，實現小尺寸的功率器件設計。
“用650V的GaN器件和SiC器件對比，前者體積約1/2甚至更小。”英諾賽科（珠海）科技有限公司高級副總裁孫毅表示，氮化鎵是解決未來發展矛盾的最佳方案。
GaN在快充領域的應用已經被證明。根據Yole，2021年GaN功率器件下遊應用中，消費電子占比63.2%，以消費類快充應用為主。
不過，由於技術制約，當前GaN器件仍難以實現在10KW、1200V以上的大功率場景應用。以新能源汽車為例，GaN器件當前多用於DCDC、OBC等小功率場景，難以在電機控制器實現應用。因此，SiC MOSFET主攻高壓領域，GaN MOSFET主攻高頻領域。
GaN MOSFET憑借其超高頻率的特性在5G射頻領域廣泛應用。劉柱表示，經過三十多年的發展，目前我國整體GaN射頻器件的水平跟國外基本上保持同步發展，甚至在某些新的技術或新設計方面領先。
“GaN電力電子產品在快充領域已經規模應用，接下來需要進一步提高工作電壓及可靠性、需要持續往高功率密度、高頻與高集成方向發展，並進一步拓展應用領域。”上述高管直言。
GaN產業鏈玩傢的分類與SiC類似，海外企業在GaN功率半導體技術及產能上較為領先，包括英飛凌、Qorvo等。
國內GaN產業鏈也在加速佈局中。國內企業在襯底、外延、設計、制造等領域均已佈局，包括GaN襯底制造商蘇州納維、東莞中鎵；外延制造商晶湛半導體、江蘇能華；設計企業安譜隆、海思半導體；制造企業三安集成、海威華芯等。
