半导体制造业成本占比

原材料成本：包括原料、辅料、模具等，占比约40%；

加工成本：包括工艺、设备、设施等，占比约30%；

管理成本：包括人力、物力、财务等，占比约20%；

质量控制成本：包括质量检测、认证等，占比约10%。

如今的美国仍是半导体行业发展的优势者，在半导体产业发展之初，美国是如何发展并获得如今的地位？ICViews编译了美国半导体发展的简史，期望从美国半导体的发展历程中找到一些答案。

早期的美国产业政策为各种参与者提供了角色：小公司在技术前沿进行试验，而大公司追求流程改进，来扩大这些创新的规模。美国政府的需求确保了实验在财政上是可行的，而技术转让规定确保了大公司和小公司共享进步。重要的是，定期采购为企业提供了继续迭代所需的流动性，而无需依赖大规模的一次性产品。这种工业政策鼓励创新，确保小公司能够获得国内大规模生产创新设计的机会，同时允许大公司获得大规模生产这些创新设计的好处。

随着行业的成熟和竞争环境的变化，美国政策框架也发生了变化。

自20世纪70年代以来，产业政策逐渐被轻资本的“科学政策”战略所取代，而庞大的龙头企业和轻资产创新者已经取代了一个由大小生产型企业组成的强大生态系统。虽然这一战略最初取得了成功，但它已经造成了一个脆弱的体系。如今，半导体行业一方面受到脆弱的供应链的约束，这些供应链仅为少数拥有庞大资金链的公司量身定制，另一方面又受到许多轻资产设计公司的约束。

尽管美国半导体行业在上世纪90年代重获主导地位，但由于这种政策方针，导致如今美国半导体行业的技术和商业优势比以前更加脆弱。随着台积电的崛起超过英特尔，美国已经失去了前沿技术，美国企业面临着关键的供应瓶颈。疫情暴露出的供应链问题表明：半导体作为一种通用技术，在几乎所有主要供应链中都发挥着作用，且半导体生产是一个至关重要的经济和国家安全问题。虽然政策可以发挥明显作用，但对于技术进步的过程又有其限制性，支持新思想的发展，而不是将新技术转向资本。制程技术的创新是一种实践的过程，需要不断建立与营运新的生产线。但在美国的低资本环境中，半导体产业很难达到边做边学。

半导体供应链的每个部分都有技术创新，并受益于多样化的参与者和动态的劳动力市场。劳动力不仅是技术前沿的成本中心，而且是创新过程的关键投入。在解决目前的短缺问题时，政策制定者应该认识到半导体产业政策的教训，创建一种强劲竞争生态系统来激励创新。

在半导体行业成立之初，美国政府利用产业政策和科学政策帮助培育了半导体企业的多样化生态。财政支出为这个高度投机的行业提供了必要的流动性。为了保持创新和充满活力的竞争生态系统，战略也需要持续的干预。

美国美国国防部(DoD)使用采购协议和准监管措施来确保公司的生态系统和技术进步的广泛传播。美国政府合同为早期的公司创造了一个现成的市场，美国国防部渴望扮演第一客户的角色。由于确信会有大规模半导体生产的需求，对于许多早期的小公司来说产能投资在财务方面是可行的。

作为许多公司的核心客户，美国国防部对行业的最新技术发展有着清晰的看法，并利用这种看法直接促进公司和研究人员之间的对话和知识共享。与此同时，“第二来源”合同要求美国国防部购买的任何芯片都必须由至少两家公司生产，将采购与技术转让联系起来。美国国防部甚至要求贝尔实验室和其他大型研发部门公布技术细节，并广泛授权他们的技术，确保所有可能与美国国防部签约的公司都能获得创新的基石。

这一体系加快了行业的创新步伐，并迅速蔓延。政府采购协议确保了投资者的支出意愿，而且也增加了用于重复生产的资本货物的支出，从而帮助流程得到显著改进。与此同时，工人在整个系统中自由流动，可以在一家公司获得的知识应用于改善其他公司的生产流程。

在这种竞争环境下，结合那个时代的反垄断做法，鼓励大公司发展大型研究实验室，鼓励小公司进行疯狂的实验。成功的实验帮助创建了新的大公司，或者被已经存在的大公司扩大规模。来自美国国防部的行业指导帮助推动技术向新的方向发展，同时保持行业产能的一致性和针对性。至关重要的是，这一战略在隐性上优先考虑的是整个板块新技术的发展，而不是让任何一家公司的收入最大化或成本最小化。如果公司需要投资并持有资本货物的话，也有融资的渠道。政府保护这个行业不受所谓的“市场约束”的影响，以便产业把重点放在创新和生产上，而不是狭义的经济成功上。

然而，到20世纪60年代末，行业发展迅速，导致政府采购以及政府通过第二源合同等实施准监管的能力已经变得相对不重要了。20世纪40年代末，半导体行业的存在是以军事采购为基础的，但到60年代末，军事采购在市场中所占的比例不到四分之一。

20世纪70年代：蓬勃发展的商业市场

这一时期，尽管美国政府采购和指导相对不重要，但由于商业应用的繁荣和缺乏严肃的国际竞争，美国国内半导体公司迎来了黄金时代。

虽然产业政策促进了早期的创新和产能建设，但在20世纪70年代，政策的相对缺失却几乎没有被注意到。可以肯定的是，政府采购在20世纪70年代仍然发挥了一定的作用，但随着私营企业开始将电子产品纳入其供应链，它们成为了更重要的采购商。开始大规模生产计算机也与半导体的发展有着共生关系，因为芯片的需求推动了封装和集成的进步。

事实上，美国国防部的优先级和商业客户的优先级出现了分歧。美国国防部为特定的军事问题寻找合适的解决方案，尤其是基于非硅的或宇宙级的半导体的开发，这些涉及的商业应用很小。政府和半导体公司都认识到，这个行业不再需要直接指导。所以，双方的需求开始出现分歧。

在20世纪70年代，蓬勃发展的非国防市场意味着成功的小公司和大公司在没有政府支持或协调的情况下也能共存。技术的改进转化为工艺的改进，后者反过来又推动了前者的进一步改进。MOS IC、微处理器、DRAM等新发明将行业推向了新的高度，并递归式地提出了进一步的创新路径。

在普遍繁荣和创新的环境下，半导体展现出作为通用技术的重要性，在整个经济中都得到了广泛应用。尽管美国的大型研究实验室以及制造部门持有了大量资产，但在国际上缺少竞争以及市场的蓬勃发展确保了无论是在创新还是利润方面，大多数投资最终都是可行的。

20世纪80年代：国际竞争激烈

然而，这种竞争环境所带来乐观情况在上世纪80年代被打断，当时，在日本国际贸易产业省的产业政策指导下，美国将市场和技术主导地位拱手让给了日本企业。

美国政府最初不得不创建半导体市场，而日本能够围绕一个快速增长且已经存在的市场制定产业政策。因此，日本能够采取比美国严厉得多的建设基础设施的政策，协调计算机和半导体领域的合资企业，因为日本知道自己的产品有现成的商业市场。虽然政府支持和协调投资的战略与美国在五六十年代使用的战略相同，但用于实施该战略的战术是为适应上世纪80年代的竞争环境而量身定做的。

来自日本的竞争对美国公司产生了巨大的影响。在随后的市场动荡中，许多人永久退出了DRAM市场。行业还成立了倡导小组来进行生产协调，并游说政府对关税和实施贸易政策进行干预。半导体工业协会游说要对日本的“倾销”采取保护措施，同时成立了半导体研究公司，组织和资助与商业市场相关但与美国国防部无关的半导体开发方面的学术研究。半导体制造联盟由行业成员与美国国防部共同资助，一开始的目的主要是用较早期的产业政策推动企业之间的横向合作。但是，为了成本的最小化，联盟很快就把重点转向供应商与制造商之间的垂直整合上面。

落后的半导体已经成为商品，可互换，并根据单位成本进行判断。由于技术和经济因素的共同作用，传统的垂直整合公司在20世纪80年代开始解体。鉴于当时美国的经济形势，在竞争激烈得多的全球市场上，人们几乎没有兴趣投资于低附加值活动的产能。

相反，大公司吸纳了小公司仍然拥有的生产力，创建了大企业集团。MOS晶体管作为行业主导设计的出现，公司开始采用类似的设计原则，使专攻制造的“代工厂”变得经济。随后的垂直解体导致了大型、垂直整合的企业集团的出现，与专注于设计的小型“无晶圆厂”公司共存，这些公司进行设计，但不生产芯片。理论上，这些“无晶圆厂”公司在追求创新设计策略的同时最小化成本，且保留了灵活性。20世纪90年代，随着美国公司开创新的产品类别，日本公司面临来自韩国的竞争，美国行业对这一战略的接纳导致了市场份额的复苏。

在政策方面，美国从未回归到国内产业政策。相反，国外产业政策计划的成功是国内整合、垄断、贸易保护主义以及科学研究资金合力来实现的。

20世纪90年代：科学政策，而非产业政策

20世纪80年代本行业面临着技术和竞争环境的变化，90年代则见证了美国新的“科学政策”走向高潮。20世纪90年代，无论是美国过去采取的那种政策，还是更多受到日本通产省影响的做法，美国都没有重返产业政策，而是将“科学政策”的引入视为政府在半导体制造领域采取行动的新范式。科学政策的重点是促进与公司个体的公私合作，让行业研发与学术研发更紧密地结合，保证研究力量的广泛性，形成可支持轻资产运营的创新型公司的行业结构。

政策目标从创建一个具有强大供应链的强大竞争生态系统转变为创建公私机构，以协调研究人员、无晶圆厂设计公司、设备供应商和大型“冠军企业”之间的复杂切换。这样一来，没有企业需要在研发上投入过量的资金，从而保持全球成本竞争力，而政府也可以避免大规模投资支出。下面的图表来自于半导体行业协会制作的1994年美国国家半导体技术路线图，展示了科学政策背后的策略：

“科学政策”的中心主题是非冗余的效率，这与早期的产业政策侧重于冗余和重复，形成对比。早期产业政策大大加快创新步伐，并确保了单个公司的失败不会影响供应链的稳健，但这确实意味着大量的重复投资。尽管这种方法有助于推动流程改进的采用，静态股东价值最大化表明，这种重复在经济上太浪费了。

过去几十年的产业政策促进了大规模就业，这是创新的核心驱动力。而20世纪90年代的“科学政策”为了最低效率而避免了这种做法。员工频繁更换公司，边做边学是创新的核心途径。事实上，《经济地理》中的“非交易的相互依赖”文献在一定程度上解释了半导体行业工人群体的融合对该行业的快节奏创新是多么重要。虽然在一个地方保持大量的工人是许多进步的关键，但在这个新的竞争环境中，这被视为一种浪费。劳动力在单位成本中占有相当大的比例，企业相信，如果他们能有策略地缩小规模，全球竞争力就会恢复。

在半导体行业的早期，相对价格不敏感的政府合同占总销售额的很大一部分，这种低效率被看作是创新的成本。随着外国竞争对手的加入，成本敏感的商业市场成为半导体的主要买家，这种能力的复制似乎像是一个纯粹的成本中心，对很多公司却没有什么好处。对盈利能力的担忧意味着要确保重复的工作要尽可能少，以便在对价格敏感、竞争激烈的环境下控制成本。这造成了一个集体行动的问题，即削减开支符合每个企业的利益，但这样做进一步恶化了美国企业的创新能力。

在20世纪90年代，美国政府没有回到产业政策，而是选择了成本低得多的科学政策项目。理想情况下，“科学政策”将允许政府协调企业相互矛盾的节约愿望，而不会在技术上进一步落后。然而，为了符合时代精神，美国政府也在努力节约，不会为产业政策在新的竞争环境中取得成功提供所需的大规模财政支持。

相反，政府将花费更少的钱，并尝试开创一种劳动分工，允许所有参与者在不牺牲技术前沿的前提下削减成本，以追求利润。为此，它一方面资助学术研究实验室的研发，另一方面资助产业集团将研究转化为商业能力。在某种程度上，这进一步降低了单个公司的研发投资，因为进步只创造了最小的竞争优势。这种结构没有建立具有重叠供应链的生态系统，而是形成了一种分工，每家企业与机构都负责一个明显可分割的单独部分。同时，宽松的贸易政策与密切的贸易网络，让企业能更经济地进入无工厂模式，发展轻资产战略。目的是通过解决一个集体行动问题，减少整个系统的冗余，从而为公共和私营部门以最经济的方式重新夺回技术前沿。

在短期内，这个策略奏效了！到上世纪90年代末，美国半导体和其他技术领域的投资普遍繁荣，美国成功地恢复了技术优势。这个行业得以在保持国际竞争力的同时，又不需要国内产业政策大规模财政支持的情况下进行创新。大多数公司个体把研发重点集中在生产过程开发的下一两个节点上，而更长期的研究则是由政府资助的学术研究人员来组织。产业团体介入，将这种学术研究转化为商业行为，并在很大程度上消除了研发和生产的重复劳动成本。大型集中的研究实验室被掏空，供应链变得更狭隘，仅针对少数核心公司的研究需求。

21世纪：互联网泡沫破灭和收益递减

然而，这种策略的短期成功是以巨大的长期成本为代价的。劳动力和资本的冗余有助于确保公司能够快速改进内部化流程，同时也培训下一代工程师和技术人员。虽然从单一时期股东收益静态最大化的角度来看，这种重复可能是多余的，但它对确保长期创新轨迹至关重要。“消除冗余”和“增加脆弱性”是同一枚硬币的两面。

从长期来看，劳动力和资本投资不足会在某些方面显现出来，无论是在资产负债表上，还是在创新能力上，或者两者兼而有之。就目前情况而言，美国有可能失去其在尖端设计方面的优势，而且在尖端制造领域的霸主地位已在很大程度上被台积电夺走。将投资过程中的一部分分配给每家公司可能会使每家公司的资产负债表看起来更加稳健，但由于持续的投资不足，整个行业已经变得更加脆弱。数十年的劳动力成本最小化使得熟练技术人员和工程师的数量减少，而数十年的产能投资不足也阻碍了国内企业应对目前劳动力短缺的能力。

该行业目前的问题是科学政策战略的长期自然结果，该战略在上世纪90年代末和21世纪初似乎非常成功。整合和垂直整合的驱动力集中在学术实验室的长期研究、庞大的“冠军企业”和轻资产的“无晶圆厂”创新者，创造了一个摇摇欲坠的竞争生态系统。

由于这些冠军企业在竞争格局中占据的比例非常大，它们的研发优先级和中间投入需求为整个行业设定了条件。像英特尔这样的大买家可以或明或暗地利用他们的相对垄断权力，围绕他们的需求来构建供应链。当更广泛的经济需求发生转变时，例如疫情爆发以来，这些脆弱的供应链很容易出现问题。这种脆弱性是供应链优化的结果，但这种优化针对的是短期盈利能力以及消除冗余，而不是针对整个经济的需求。

无论是有意还是无意，这些大型也会围绕自身的财务需求和计划来制定技术发展道路。因此，学术实验室的研发与税收优化和私营企业单位成本最小化相结合的政策组合，创造了重大的技术路径依赖。与此同时，从技术意义上讲，这些企业“太大而不能倒”：如果它们错过了流程改进，同样规模的国内竞争对手的缺席意味着整个行业都错过了这一进步。在这个意义上，技术政策作为一个整体被委托给了私营行为者。

从研发到生产的过程，也出现不一致的反馈。科学政策的关键是将知识产权的创新与生产过程的创新分开；也就是说，科学政策优先考虑研究、设计与创意，而不是实施、生产与投资。因此，专注于设计的无工厂公司兴起，并将制造外包给海外的代工厂。

然而，把研发放在首位反而会降低创新的速度。单是补贴研发跟激励离岸外包没有什么区别：政策奖励的是知识产权的发展，而不是有形资产的所有权。问题在于，过程改进来自于新物理资产所包含的新技术的实施。“边做边学”是技术创新的关键部分。优秀的工程师希望对供应链每一个环节的生产过程的每一个步骤都进行创新。前沿设计的离岸和外包生产给流程周围引入了一个黑箱，导致收益无法实现最大化的类似问题无法得到纠正。只把焦点放在研发上，会把这些过程改进的发展离岸化，导致国内的生产商吃不饱，同时还阻碍了劳动力开发新技能。

学术研究偏离了商业化的道路，无法驱动产业的创新。考虑到学术研究往往围绕着与当前生产相关性低的问题展开，因此有时无法为现有技术的替代应用或替代过程驱动的创新路径提供见解。由于科学政策让这个群体负责整个行业的长期创新战略，这一盲点不能被忽视。事实上，摩尔定律的失败，以及在许多应用中为异质芯片设计独特的转变，这些都很好地说明了创新在任何时候往往都暗示着技术发展存在。

数十年来在工业产能和就业方面的投资失败，造成了美国企业高度依赖外部制造工厂的局面。台积电目前投资于一家中国台湾本土制造工厂的计划，表明该公司试图通过收购来解决这个问题，而不减少我们对单一供应商提供领先设计的依赖。相反，我们应该回顾半导体生产初期的产业政策 历史 ，重新夺回技术前沿，在供应链的每一个节点上推动创新。

如今，美国面临着半导体短缺和创新能力减弱的问题，政策制定者正考虑采取严肃的干预措施。虽然现在解决目前的短缺可能已经太晚了，但可以防止下一次短缺。美国两党对基础设施支出的广泛支持、疫情后重建得更好的必要性，以及对半导体采购的国家安全担忧，都应该鼓励政策制定者认为，现在正是进行雄心勃勃的改革的时候。如上所述，半导体产业政策的 历史 为如何最好地创造高就业、技术创新和强大的国内供应链提供了许多经验教训。

历史 表明，科学政策是产业政策的必要补充，但本身是不够的。协调研发是任何解决方案的必要组成部分，但并非全部解决方案。为了获得工艺改进，并确保劳动力具备在技术前沿 *** 作的足够技能，该行业需要看到持续的产能扩张。然而，正如我们之前所显示的，在低需求环境下，私营企业明显不愿进行不确定的投资。产业政策，通过结合政府采购和融资担保、直接融资等方式，是为该行业提供充足流动性的唯一途径，以确保产能扩张足够快，该行业保持在技术前沿。同时，政府有财政能力让国内企业生产落后的半导体产品，以保障国家安全和供应链的d性理由。从长远来看，以股东最大化为目标的产业外包政策尚未形成。

同样重要的是要认识到强劲的经济需求和因此而紧张的劳动力市场，特别是半导体生产的劳动力市场，对这些政策的成功至关重要。由政府主导的强有力的投资建设将为各种经验和技能水平的人创造良好的就业机会。这将创造高技能的劳动力，以及驱动有意义的过程改进的边做边学的充足机会。在高技能、高资本密集度的行业，劳动力几乎就像另一种形式的资本商品，为投资支付明显的红利。然而，在缺乏足够的就业机会的情况下，这些专业技能会随着工人转向其他行业而消失。这并不是说提高劳动力技能就足够了：如果立法创造了培训项目，却没有同时创造必要的就业机会和投资，那么很快就会弄巧成拙。

在半导体和其他关键行业的产业政策所需的资金投入规模上，一些人可能会犹豫不决。这是一个巨大的市场，有着巨大的价格标签，现代制造工厂的成本高达数十亿美元。然而，半导体是一种关键的通用技术，几乎进入每一个供应链。大规模的产业政策可以防止瓶颈时期拖累经济增长，同时为国家安全需求创建一个强大的国内供应链。相对于最初对半导体技术的投资，回归产业政策的成本要高得多，但回报会更高。作为4万亿美元基础设施或两党供应链法案的一部分，振兴落后和领先的行业，并恢复一个强大的竞争生态系统，是一项不容错过的好投资。

政策目标很简单：制定一个扩大的产业政策工具包，以鼓励创新、国内劳动力市场紧张以及维护关键的供应链基础设施。半导体作为一个产业，由于投资规模和所需的工作岗位，是制定这些政策工具的理想起点。重建一个强劲的创新环境，也将有助于美国持久地回到技术前沿，并创造就业和投资，在未来几年带来回报。半导体在现代工业经济中发挥着至关重要的作用，它们的技术路线太重要了，不能以短期盈利能力为指导。政府有机会也有责任利用产业政策在下一次短缺发生之前阻止它，同时确保美国保持其在技术前沿的地位。

随着绿色低碳战略的不断推进,提升能源利用效率和能源转换效率已经成为各行各业的共识,如何利用现代化新技术建成可循环的高效、高可靠性的能源网络,无疑是当前各国重点关注的问题。

值此背景下,以碳化硅(SiC)、氮化镓(GaN)为代表的第三代半导体成为市场聚焦的新赛道。根据Yole预测数据, 2025年全球以半绝缘型衬底制备的GaN器件市场规模将达到20亿美元,2019-2025年复合年均增长率高达12%! 其中,军工和通信基站设备是GaN器件主要的应用市场,2025年市场规模分别为11.1亿美元和7.31亿美元

全球以导电型碳化硅衬底制备的SiC器件市场规模到2025年将达到25.62亿美元,2019- 2025年复合年均增长率高达30%! 其中,新能源汽车和光伏及储能是SiC器件主要的应用市场, 2025年市场规模分别为15.53亿美元和3.14亿美元。

本文中,我们将针对第三代半导体产业多个方面的话题,与国内外该领域知名半导体厂商进行探讨解析。

20世纪50年代以来,以硅(Si)、锗(Ge)为代的第一代半导体材料的出现,取代了笨重的电子管,让以集成电路为核心的微电子工业的发展和整个IT产业的飞跃。人们最常用的CPU、GPU等产品,都离不开第一代半导体材料的功劳。可以说是由第一代半导体材料奠定了微电子产业的基础。

然而由于硅材料的带隙较窄、电子迁移率和击穿电场较低等原因,硅材料在光电子领域和高频高功率器件方面的应用受到诸多限制。因此,以砷化镓(GaAs)为代表的第二代半导体材料开始崭露头角,使半导体材料的应用进入光电子领域,尤其是在红外激光器和高亮度的红光二极管方面。与此同时,4G通信设备因为市场需求增量暴涨,也意味着第二代半导体材料为信息产业打下了坚实基础。

在第二代半导体材料的基础上,人们希望半导体元器件具备耐高压、耐高温、大功率、抗辐射、导电性能更强、工作速度更快、工作损耗更低特性,第三代半导体材料也正是基于这些特性而诞生。

笔者注意到,对于第三代半导体产业各家半导体大厂的看法也重点集中在 “高效”、“降耗”、“突破极限” 等核心关键词上。

安森美中国汽车OEM技术负责人吴桐博士 告诉笔者: “第三代半导体优异的材料特性可以突破硅基器件的应用极限,同时带来更好的性能,这也是未来功率半导体最主流的方向。” 他表示随着第三代半导体技术的普及,传统成熟的行业设计都会有突破点和优化的空间。

英飞凌科技电源与传感系统事业部大中华区应用市场总监程文涛 则从能源角度谈到,到2025年,全球可再生能源发电量有望超过燃煤发电量,将推动第三代半导体器件的用量迅速增长。 在用电端,由于数据中心、5G通信等场景用电量巨大,节电降耗的重要性凸显,也将成为率先采用第三代半导体器件做大功率转换的应用领域。

第三代半导体材料区别于前两代半导体材料最大的区别就在于带隙的不同。 第一代半导体材料属于间接带隙,窄带隙第二代半导体材料属于直接带隙,同样也是窄带隙二第三代半导体材料则是全组分直接带隙,宽禁带。

和前两代半导体材料相比,更宽的禁带宽度允许材料在更高的温度、更强的电压与更快的开关频率下运行。

随着碳化硅、氮化镓等具有宽禁带特性(Eg>2.3eV)的新兴半导体材料相继出现,世界各国陆续布局、产业化进程快速崛起。具体来看:

与硅相比, 碳化硅拥有更为优越的电气特性 : 

1.耐高压 :击穿电场强度大,是硅的10倍,用碳化硅制备器件可以极大地 提高耐压容量、工作频率和电流密度,并大大降低器件的导通损耗

2.耐高温 :半导体器件在较高的温度下,会产生载流子的本征激发现象,造成器件失效。禁带宽度越大,器件的极限工作温度越高。碳化硅的禁带接近硅的3倍,可以保证碳化硅器件在高温条件下工作的可靠性。硅器件的极限工作温度一般不能超过300℃,而碳化硅器件的极限工作温度可以达到600℃以上。同时,碳化硅的热导率比硅更高,高热导率有助于碳化硅器件的散热,在同样的输出功率下保持更低的温度,碳化硅器件也因此对散热的设计要求更低,有助于实现设备的小型化

3.高频性能 :碳化硅的饱和电子漂移速率是硅的2倍,这决定了碳化硅器件可以实现更高的工作频率和更高的功率密度。基于这些优良的特性,碳化硅衬底的使用极限性能优于硅衬底,可以满足高温、高压、高频、大功率等条件下的应用需求,已应用于射频器件及功率器件。

氮化镓则具有宽禁带、高电子漂移速度、高热导率、耐高电压、耐高温、抗腐蚀、耐辐照等突出优点。 尤其是在光电子器件领域,氮化镓器件作为LED照明光源已广泛应用,还可制备成氮化镓基激光器在微波射频器件方面,氮化镓器件可用于有源相控阵雷达、无线电通信、基站、卫星等军事 或者民用领域氮化镓也可用于功率器件,其比传统器件具有更低的电源损耗。

半导体行业有个说法: “一代材料,一代技术,一代产业” ,在第三代半导体产业规模化出现之前,也还存在着不少亟待解决的技术难题。

第三代半导体全产业链十分复杂,包括衬底→外延→设计→制造→封装。 其中,衬底是所有半导体芯片的底层材料,起到物理支撑、导热、导电等作用外延是在衬底材料上生长出新的半导体晶层,这些外延层是制造半导体芯片的重要原料,影响器件的基本性能设计包括器件设计和集成电路设计,其中器件设计包括半导体器件的结构、材料,与外延相关性很大制造需要通过光刻、薄膜沉积、刻蚀等复杂工艺流程在外延片上制作出设计好的器件结构和电路封装是指将制造好的晶圆切割成裸芯片。

前两个环节衬底和外延生长正是第三代半导体生产工艺及其难点所在。我们重点挑选碳化硅、氮化镓两种典型的第三代半导体材料来看,它们的生产制备到底还面临哪些问题。

从碳化硅来看,还需要“降低衬底生长缺陷,以及提高工艺效率” 。首先碳化硅单晶制备目前最常用的是物理气相输运法(PVT)或籽晶的升华法,而碳化硅单晶在形成最终的短圆柱状之前,还需要通过机械加工整形、切片、研磨、抛光等化学机械抛光和清洗等工艺才能成为衬底材料。

这一机械、化学制造过程存在着加工困难、制造效率低、制造成本高等问题。此外,如果再加上考虑单晶加工的效率和成本问题,那还能够保障晶片具备良好的几何形貌,如总厚度变化、翘曲度、变形,而且晶片表面质量(粗糙度、划伤等)是否过关等,这都是碳化硅衬底制备中的巨大挑战。

此外,碳化硅材料是目前仅次于金刚石硬度的材料,材料的机械加工主要以金刚石磨料为基础切割线、切割刀具、磨削砂轮等工具。这些工具的制备难度大,使用寿命短,加工成本高,为了延长工具寿命、提高加工质量,往往会采用微量或极低速进给量,这就牺牲了碳化硅材料制备的整体生产效率。

对于氮化镓来说,则更看重“衬底与外延材料需匹配”的难题 。由于氮化镓在高温生长时“氮”的离解压很高,很难得到大尺寸的氮化镓单晶材料,当前大多数商业器件是基于异质外延的,比如蓝宝石、AlN、SiC和Si材料衬底来替代氮化镓器件的衬底。

但问题是这些异质衬底材料和氮化镓之间的晶格失配和热失配非常大,晶格常数差异会导致氮化镓衬底和外延层界面处的高密度位错缺陷,严重的话还会导致位错穿透影响外延层的晶体质量。这也就是为什么氮化镓更看重衬底与外延材料需匹配的难点。

在落地到利用第三代半导体材料去解决具体问题时,程文涛告诉OFweek维科网·电子工程, 英飞凌的碳化硅器件所采用的沟槽式结构解决了大多数功率开关器件的可靠性问题。

比如现在大多数功率开关器件产品采用的是平面结构,难以在开关的效率上和长期可靠性上得到平衡。采用平面结构,如果要让器件的效率提高,给它加点电,就能导通得非常彻底,那么它的门级就需要做得非常薄,这个很薄的门级结构,在长期运行的时候,或者在大批量运用的时候,就容易产生可靠性的问题。

如果要把它的门级做的相对比较厚,就没办法充分利用沟道的导通性能。而采用沟槽式的做法就能够很好地解决这两个问题。

吴桐博士则从产业化的角度提出, 第三代半导体技术的难点在于有关设计技术和量产能力的协调,以及对长期可靠性的保障。尤其是量产的良率,更需要持续性的优化,降低成本,提升可靠性。

观察当前半导体市场可以发现,占据市场九成以上的份额的主流产品依然是硅基芯片。

但近些年来,“摩尔定律面临失效危机”的声音不绝于耳,随着芯片设计越来越先进,芯片制造工艺不断接近物理极限和工程极限,芯片性能提升也逐步放缓,且成本不断上升。

业界也因此不断发出质疑,未来芯片的发展极限到底在哪,一旦硅基芯片达到极限点,又该从哪个方向下手寻求芯片效能的提升呢?笔者通过采访发现,国内外厂商在面对这一问题时,虽然都表达出第三代半导体产业未来值得期待,但也齐齐提到在这背后还需要重点解决的成本问题。

“目前硅基半导体从架构上、从可靠性、从性能的提升等方面,基本上已经接近了物理极限。第三代半导体将接棒硅基半导体,持续降低导通损耗,在能源转换的领域作出贡献,” 程文涛也为笔者描述了当前市场上的一种现象:可能会存在一些定价接近硅基半导体的第三代半导体器件,但并不代表它的成本就接近硅基半导体。因为那是一种商业行为,就是通过低定价来催生这个市场。

以目前的工艺来讲,第三代半导体的成本还是远高于硅基半导体 ,程文涛表示:“至少在可见的将来,第三代半导体不会完全取代第一代半导体。因为从性价比的角度来说,在非常宽的应用范围中,硅基半导体目前依然是不二之选。第三代半导体目前在商业化上的瓶颈就是成本很高,虽然在迅速下降,但依然远高于硅基半导体。”

作为中国碳化硅功率器件产业化的倡导者之一,泰科天润同样也表示对第三代半导体产业发展的看好。

虽然碳化硅单价目前比硅高不少,但从系统整体的角度来看,可以节约电感电容以及散热片。如果是大功率电源系统整体角度看成本未必更高,同时还能更好地提升效率。 这也是为什么现阶段虽然单器件碳化硅比硅贵,依然不少领域客户已经批量使用了。

从器件的角度来看,碳化硅从四寸过度到六寸,未来往八寸甚至十二寸发展,碳化硅器件的成本也将大幅度下降。据泰科天润介绍,公司新的碳化硅六寸线于去年就已经实现批量出货,为客户提供更高性价比的产品,有些产品实现20-30%的降价幅度。除此之外,泰科天润耗时1年多成功开发了碳化硅减薄工艺,在Vf水平不变的情况下,可以缩小芯片面积,进一步为客户提供性价比更高的产品。

泰科天润还告诉笔者:“这两年随着国外友商的缺货或涨价,比如一些高压硅器件,这些领域已经出现碳化硅取代硅的现象。随着碳化硅晶圆6寸产线生产技术的成熟,8寸晶圆的发展,碳化硅器件有望与硅基器件达到相同的价格水平。”

吴桐博士认为, 目前来看在不同的细分市场,第三代半导体跟硅基器件是一个很好的互补,也是价钱vs性能的一个平衡。随着第三代半导体的成熟以及成本的降低,最终会慢慢取代硅基产品成为主流方案。

那么对于企业而言,该如何发挥第三代半导体的综合优势呢?吴桐博士表示,于安森美而言,首先是要垂直整合,保证稳定的供应链,可长期规划的产能布局以及达到客观的投资回报率其次是在技术研发上继续发力,比如Rsp等参数,相比行业水准,实现用更小的半导体面积实现相同功能,这样单个器件成本得以优化第三是持续地提升FE/BE良率,等效的降低成本第四是与行业大客户共同开发定义新产品,保证竞争力以及稳定的供需关系最后也是重要的一点,要帮助行业共同成长,蛋糕做大,产能做强,才能使得单价有进一步下降的空间。

第三代半导体产业究竟掀起了多大的风口?根据《2020“新基建”风口下第三代半导体应用发展与投资价值白皮书》内容:2019年我国第三代半导体市场规模为94.15亿元,预计2019-2022年将保持85%以上平均增长速度,到2022年市场规模将达到623.42亿元。

其中,第三代半导体衬底市场规模从7.86亿元增长至15.21亿元,年复合增速为24.61%,半导体器件市场规模从86.29亿元增长至608.21亿元,年复合增速为91.73%。

得益于第三代半导体材料的优良特性,它在 光电子、电力电子、通讯射频 等领域尤为适用。具体来看:

光电子器件 包括发光二极管、激光器、探测器、光子集成电路等,多用于5G通信领域,场景包括半导体照明、智能照明、光纤通信、光无线通信、激光显示、高密度存储、光复印打印、紫外预警等

电力电子器件 包括碳化硅器件、氮化镓器件,多用于新能源领域,场景包括消费电子、新能源汽车、工业、UPS、光伏逆变器等

微波射频器件 包括HEMT(高电子迁移率晶体管)、MMIC(单片微波集成电路)等,同样也是用在5G通信领域,不过场景则更加高端,包括通讯基站及终端、卫星通讯、军用雷达等。

现阶段,欧美日韩等国第三代半导体企业已形成规模化优势,占据全球市场绝大多数市场份额。我国高度重视第三代半导体发展,在研发、产业化方面出台了一系列支持政策。国家科技部、工信部等先后开展了“战略性第三代半导体材料项目部署”等十余个专项,大力支持第三代半导体技术和产业发展。

早在2014年,工信部发布的《国家集成电路产业发展推进纲要》提出设立国家产业投资基金,重点支持集成电路等产业发展,促进工业转型升级,同时鼓励社会各类风险投资和股权投资基金进入集成电路领域在去年全国人大发布《中华人民共和国国民经济和社会发展第十四个五年规划和2035年远景目标纲要》中,进一步强调培育先进制造业集群,推动集成电路、航空航天等产业创新发展。瞄准人工智能、量子信息、集成电路等前沿领域,实施一批具有前瞻性、战略性的国家重大科技项目。

具体来看当前主要应用领域的发展情况:

1.新能源汽车

新能源汽车行业是未来市场空间巨大的新兴市场,全球范围内新能源车的普及趋势明朗。随着电动汽车的发展,对功率半导体器件需求量日益增加,成为功率半导体器件新的经济增长点。得益于碳化硅功率器件的高可靠性及高效率特性,在车载级的电机驱动器、OBC及DC/DC部分,碳化硅器件的使用已经比较普遍。对于非车载充电桩产品, 由于成本的原因,目前使用比例还相对较低,但部分厂商已开始利用碳化硅器件的优势,通过降低冷却等系统的整体成本找到了市场。

2.光伏

光伏逆变器曾普遍采用硅器件,经过40多年的发展,转换效率和功率密度等已接近理论极限。碳化硅器件具有低损耗、高开关频率、高适用性、降低系统散热要求等优点,将在光伏新能源领域得到广泛应用。例如,在住宅和商业设施光伏系统中的组串逆变器里,碳化硅器件在系统级层面带来成本和效能的好处。

3.轨道交通

未来轨道交通对电力电子装置,比如牵引变流器、电力电子电压器等提出了更高的要求。采用碳化硅功率器件可以大幅度提高这些装置的功率密度和工作效率,有助于明显减轻轨道交通的载重系统。目前,受限于碳化硅功率器件的电流容量,碳化硅混合模块将首先开始替代部分硅IGBT模块。未来随着碳化硅器件容量的提升,全碳化硅模块将在轨道交通领域发挥更大的作用。

4.智能电网

目前碳化硅器件已经在中低压配电网开始了应用。未来更高电压、更大容量、更低损耗的柔性输变电将对万伏级以上的碳化硅功率器件具有重大需求。碳化硅功率器件在智能电网的主要应用包括高压直流输电换流阀、柔性直流输电换流阀、灵活交流输电装置、高压直流断路器、电力电子变压器等装置中。

第三代半导体自从在2021年被列入十四五规划后,相关概念持续升温,迅速成为超级风口,投资热度高居不下。

时常会听到业内说法称,第三代半导体国内外都是同一起跑线出发,目前大家差距相对不大,整个产业发展仍处于爆发前的“抢跑”阶段,对国内而言第三代半导体材料更是有望成为半导体产业的“突围先锋”,但事实真的是这样吗?

从起步时间来看,欧日美厂商率先积累专利布局,比如 英飞凌一直走在碳化硅技术的最前沿,从30年前(1992年)开始包含碳化硅二极管在内的功率半导体的研发,在2001年发布了世界上第一款商业化碳化硅功率二极管 ,此后至今英飞凌不断推出了各种性能优异的碳化硅功率器件。除了产品本身,英飞凌在2018年收购了Siltectra,致力于通过冷切割技术优化工艺流程,大幅提高对碳化硅原材料的利用率,有效降低碳化硅的成本。

安森美也是第三代半导体产业布局中的佼佼者,据笔者了解, 安森美通过收购上游碳化硅供应企业GTAT实现了产业链的垂直整合,确保产能和质量的稳定。同时借助安森美多年的技术积累以及几年前收购Fairchild半导体基因带来的技术补充,安森美的碳化硅技术已经进入第三代,综合性能在业界处于领先地位 。目前已成为世界上少数提供从衬底到模块的端到端碳化硅方案供应商,包括碳化硅球生长、衬底、外延、器件制造、同类最佳的集成模块和分立封装方案。

具体到技术上, 北京大学教授、宽禁带半导体研究中心主任沈波 也曾提出,国内第三代半导体和国际上差距比较大,其中很重要的领域之一是碳化硅功率电子芯片。这一块国际上已经完成了多次迭代,虽然8英寸技术还没投入量产,但是6英寸已经是主流技术,二极管已经发展到了第五代,三极管也发展到了第三代,IGBT也已进入产业导入前期。

另外车规级的碳化硅MOSFET模块在意法半导体率先通过以后,包括罗姆、英飞凌、科锐等国际巨头也已通过认证,国际上车规级的碳化硅芯片正逐渐走向规模化生产和应用。反观国内,目前真正量产的主要还是碳化硅二极管,工业级MOSFET模块估计到明年才能实现规模量产,车规级碳化硅模块要等待更长时间才能量产。

泰科天润也直言,国内该领域仍处于后发追赶阶段:器件方面,从二极管的角度, 国产碳化硅二极管基本上水平和国外差距不大,但是碳化硅MOSFET国内外差距还是有至少1-2代的差距 可靠性方面,国外碳化硅产品市场应用推广较早,积累了更加丰富的应用经验,对产品可靠性的认知,定义以及关联解决可靠性的方式都走得更前一些,国内厂家也在推广市场的过程中逐步积累相关经验产业链方面,国外厂家针对碳化硅的材料优势,相关匹配的产业链都做了对应的优化设计,使之能更加契合的体现碳化硅的材料优势。

OFweek维科网·电子工获悉,泰科天润在湖南新建的碳化硅6寸晶圆产线,第一期60000片/六寸片/年。此产线已经于去年实现批量出货,2022年始至4月底已经接到上亿元销售订单。 作为国内最早从事碳化硅芯片生产研发的公司,泰科天润积累了10余年的生产经验,针对特定领域可以结合自身的研发,生产和工艺一体化,快速为客户开发痛点新品 ,例如公司全球首创的史上最小650V1A SOD123,专门针对解决自举驱动电路已经替换高压小电流Si FRD解决反向恢复的痛点问题而设计。

虽然说IDM方面,我国在碳化硅器件设计方面有所欠缺,少有厂商涉及于此,但后发追赶者也不在少数。

就拿碳化硅产业来看,单晶衬底方面国内已经开发出了6英寸导电性碳化硅衬底和高纯半绝缘碳化硅衬底。 山东天岳、天科合达、河北同光、中科节能 均已完成6英寸衬底的研发,中电科装备研制出6英寸半绝缘衬底。

此外,在模块、器件制造环节我国也涌现了大批优秀的企业,包括 三安集成、海威华芯、泰科天润、中车时代、世纪金光、芯光润泽、深圳基本、国扬电子、士兰微、扬杰科技、瞻芯电子、天津中环、江苏华功、大连芯冠、聚力成半导体 等等。

OFweek维科网·电子工程认为,随着我国对新型基础建设的布局展开和“双碳”目标的提出,碳化硅和氮化稼等第三代半导体的作用也愈发凸显。

上有国家支持政策,下有新能源汽车、5G通信等旺盛市场需求, 我国第三代半导体产业也开始由“导入期”向“成长期”过渡,初步形成从材料、器件到应用的全产业链。但美中不足在于整体技术水平还落后世界顶尖水平好几年,因此在材料、晶圆、封装及应用等环节的核心关键技术和可靠性、一致性等工程化应用问题上还需进一步完善优化。

当前,全球正处于新一轮科技和产业革命的关键期,第三代半导体产业作为新一代电子信息技术中的重点组成部分,为能源革命带来了深刻的改变。

在此背景下,OFweek维科网·电子工程作为深耕电子产业领域的资深媒体,对全球电子产业高度关注,紧跟产业发展步伐。为了更好地促进电子工程师之间技术交流,推动国内电子行业技术升级,我们继续联袂数十家电子行业企业技术专家,推出面向电子工程师技术人员的专场在线会议  「OFweek 2022 (第二期)工程师系列在线大会」  。

本期在线会议将于6月22日在OFweek官方直播平台举办,将邀请国内外知名电子企业技术专家,聚焦半导体领域展开技术交流,为各位观众带来技术讲解、案例分享和方案展示。

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