目前半导体产业受到终端市场影响，终端厂商及芯片供应商的库存水位持续升高，供应链已经提前开始库存去化，如果市况没有改善，2022 下半年半导体各产业将会面临不同程度的冲击。不过相较全球半导体成长放缓，中国台湾的半导体产业受到稳定的 IC 封测与 IC 制造营收支撑，整体成长将优于全球。
即便 2023 年全球半导体产业的成长可能大幅趋缓，但是先进封装的需求将持续上升，全球封测产业市场规模也将持续成长。其中，全球前十大半导体专业封测代工（OSAT）厂商中，有 6 家为中国台湾厂商、3 家为中国大陆厂商，反映出中国台湾与中国大陆在全球封测产业之地位。而除了 OSAT 厂商外，晶圆制造大厂如台积电（TSMC)、三星（Samsung)、英特尔（Intel）亦积极布局先进封装技术，加大先进封装资本支出。
半导体发展趋缓
全球半导体市场持续向上成长，但是预期 2023 年市场成长可能趋缓（图 1)。资策会 MIC 产业分析师杨可歆指出，2021 年半导体产业欣欣向荣，因为各应用领域的芯片需求大幅增加，供应链上游到下游都出现供货紧缺的现象。半导体供不应求的情况，带动出货量与价格成长，市场规模与厂商营收也都向上成长。因此，2021 年全球半导体市场的年复合成长率是 26.2%，产值达到 5559 亿美元。
2022 年初，半导体产业在高基期的基础上预测全年发展，预估 2022 年全球半导体市场将有 10% 以上的成长。但是随着 2022 年第一季度乌克兰问题爆发，以及三月开始中国因为新冠疫情封城，全球的消费性市场受到冲击。加上疫情红利逐渐退去，远程工作设备的需求消失，以及通货膨胀影响消费意愿等问题，连带影响 2022 年全球半导体市场的成长幅度。因此，2022 年的半导体市场 YoY 预估从 10% 下修到 8.9%。而年成长预期虽然下调，2022 年全球半导体市场因 2021 年的需求动能延续，且 2022 上半年各领域的需求有所支撑，仍维持正成长，预期 2022 年全球半导体的产值可达到 6056 亿美元。
针对 2023 年的半导体产业预估并不乐观，因为战争及通货膨胀等外部环境负面因素尚未排除，加上消费市场买气不佳，拉货力道疲软。尤其供应链从终端、系统厂到半导体芯片产销、供应等厂商，目前都面临库存水位过高的问题。在市况不明朗及库存水位过高的情况下，预期 2023 年半导体市场的成长会大幅趋缓，甚至可能与 2022 年持平。
中国大陆半导体（积体电路）产业优惠政策法律分析富兰德林事业群
法律四部主管/中国执业律师 丁德应
一、中国大陆半导体产业发展现状
（一）高速发展的中国大陆半导体产业
中国大陆由於PC、手机及数位消费电子等整机产品的制造向中国大陆地区转移，带动了上游晶片市场需求的增加，半导体市场规模首次突破人民币2000亿元，总销售额达到人民币2074.1亿元，增长率高达41％。其中，PC首次成为中国大陆半导体市场最大的应用领域，对高阶晶片的需求量也大幅增长。
从2001年开始，全球半导体业的平均资本支出每年萎缩了30％，而中国大陆半导体业的资本支出年增长率却高达50％。目前中国大陆地区有中芯国际、上海先进、华虹NEC、和舰和宏力五个主要晶圆代工厂，光是8英寸晶圆厂就达8个，总月产能达到15.5万片，较2003年单月的8.4万片大幅增长83％。
在未来几年，受到中国大陆经济高速增长的拉动、政策的扶持、2008北京奥运会以及2010上海世博会等众多因素的影响，中国大陆半导体需求将持续高速增长，预计2004年中国大陆半导体市场销售额将达到人民币2800亿元，到2008年市场规模将达到人民币6000亿元以上。
（二）不断追赶高端技术
虽然中国大陆的半导体制造制程整体上落后於台湾，但由於近年来的迅猛发展，中芯国际、宏力、苏州和舰等晶圆代工厂陆续进入了0.18mm制程的量产阶段，中国大陆各主要晶圆代工厂都有计划在今年年底前导入0.13mm的制程。而且，为了能与晶圆代工业巨头台积电、联电相抗衡，中国大陆晶圆代工报价普遍低於台湾，正不断蚕食台、联两家的市场份额。
从2004起，中国大陆前4大晶圆代工厂相继导入0.18mm制程，直到产品的量产，相关的制程技术已经达到了成熟阶段，且中国大陆晶圆代工厂在技术上也在快速追赶台湾晶圆厂。
对於半导体设计业，整机生产的下游客户大多集中在中国大陆地区，中国大陆晶圆厂又有能力提供越来越先进的制程，部分台湾半导体设计业者甚至计画将主力产品转移至中国大陆代工厂。
因此，在市场规模迅速扩大的同时，中国大陆半导体的制造工艺与国际先进水准将日益缩小，0.13mm的晶片制造将规模化，0.09mm的工艺也将走向市场，系统晶片（SoC）将成为发展的主 要方向。
（三）中国大陆半导体产业的地区分布
从地域上来看，中国大陆半导体产业主要分布在长江三角洲、京津环渤海湾和珠江三角洲地区，三个地区的产值占全中国大陆半导体行业产值的95%以上。
在三大经济区域中，由於长三角地区近几年的高速发展，成为中国大陆地区半导体最主要的开发和生产基地，在中国大陆半导体产业中占有重要地位。在半导体设计方面，长三角地区的半导体设计业销售额占中国大陆地区的45%左右。晶圆制造约占中国大陆的70%左右，2003年近80%的封装测试企业和近65%的封装测试量都集中在长三角地区。目前，长三角地区已形成半导体设计、制造、封装、测试及设备、材料等配套齐全、较为完整的半导体产业链。在半导体产业链下游整机部分，长三角地区的笔记型电脑产量占中国大陆的80％，DVD产量占50％以上。目前，长三角地区已经有上海张江开发区、苏州工业园、无锡等众多电子园区和上海、杭州、无锡三个半导体设计产业化基地，还有常州高新技术开发区和常州新区。中芯国际、宏力半导体、先进和华虹NEC都落户在上海张江开发区；台积电落户在了上海松江开发区；和舰落户在苏州工业园。这些晶圆生产企业带动了集群效应，初步形成了长三角地区半导体设计、晶圆制造、封测、设备材料企业以及下游整机生产完整的半导体产业链。
在京津环渤海区域，有北京、天津、山东、河北、辽宁行政区域，其中北京、天津的资讯产业在中国大陆占有重要地位。中国大陆第一座12英寸晶圆厂，中芯国际四厂正是设在北京经济技术开发区；现被中芯国际收购的原摩托罗拉8英寸晶圆厂位於天津。晶圆生产业是高耗水工业，而且对水质和空气的品质要求非常高。但北京地区面临缺水的环境以及沙尘暴气候，这无疑增加晶圆生产的成本，不过，北京在发展环境、市场条件、技术基础和人才资源上的优势大大抵消了环境上的影响。
珠江三角洲地区是中国大陆地区电子产品的重要制造地，集中了大量的下游整机制造商，对进口半导体产品的依赖程度极高，消费量占中国大陆进口总量的80%以上。
二、中国大陆半导体的优惠扶持政策
半导体业在中国大陆的迅速发展，尽管有中国大陆中央政府和地方政府在土地、环境、手续等方面的大力支持，也有中国大陆市场的巨大需求和运作成本较低等因素的存在，但不可否认的是，目前中国大陆政府所颁布的各种优惠政策和给予的各种优惠措施也同样功不可没。其中，首当其冲的是国务院在2000年颁布和实施的《鼓励软体产业和积体电路产业发展的若干政策》，即业界所称的“18号文件”。其次，中国大陆财政部、税务总局、海关总署和各地政府还分别在自己的责任范围内为鼓励半导体行业制定了优惠政策的实施细则，如关於《鼓励软体产业和积体电路产业发展有关税收政策问题》的通知（财税[2000]25号）、《财政部、国家税务总局关於进一步鼓励软体产业和积体电路产业发展税收政策的通知》（财税〔2002〕70号）、上海市《关於本市鼓励软体产业和积体电路产业发展的若干政策规定》、《江苏省鼓励软体产业和积体电路产业发展的若干政策》等。这些政策的颁布为半导体产业链上游的半导体设计、中游的晶圆生产、下游的封装测试环节给予了优惠，进一步推动半导体产业在中国大陆的发展。
（一）在半导体设计企业方面
“18号档”将半导体设计企业视同於软体企业，享受与软体企业同等优惠。而依据18号档和其他相关档可知，半导体企业优惠政策主要为：
1、 所得税方面，可以享受自获利年度开始“两免三减半”的优惠政策；
2、 增值税方面，在销售自行设计的半导体产品时，可以享受“2010年前按17％的法定税率徵收增值税，对实际税负超过3％的部分即徵即退”的优惠；
3、 对经认定的半导体设计企业引进半导体技术和成套生产设备，单项进口的半导体专用设备与仪器，除国务院规定的《外商投资专案不予免税的进口商品目录》和《国内投资项目不予免税的进口商品目录》所列商品外，免徵关税和进口环节增值税；
4、 半导体设计企业设计的半导体，如在境内确实无法生产，可在国外生产晶片，其加工合同(包括规格、数量)经行业主管部门认定后，进口时按优惠暂定税率徵收关税；
5、 半导体设计企业的工资和培训费用，可按实际发生额在计算应纳税所得额时扣除；
6、 企业对购进半导体产品，凡购置成本达到固定资产标准或构成无形资产，可以按照固定资产或无形资产进行核算。投资额在3000万美元以上的外商投资企业，报由税务总局批准；投资额在3000万美元以下的外商投资企业，经主管税务机关核准，其折旧或摊销年限可以适当缩短，最短可为2年。
不过要提醒注意的是，要享受这样的优惠条件，半导体设计企业应按照《积体电路设计企业及产品认定管理办法》之规定获得资讯产业部和税务总局的认定，并取得《积体电路设计企业认定证书》和《积体电路产品认定证书》。
（二）关於半导体生产企业方面
按照目前半导体企业的分类可知，除了半导体设计企业之外，其他制造、封装测试等企业都属於半导体生产企业，根据“18号档”和其他相关规定可知，目前中国大陆对於半导体生产企业的优惠政策主要有：
1、所得税方面：作为生产性企业，可以依照《外商投资企业和外国企业所得税法》等规定，享受“两免三减半”之税收优惠。
2、增值税方面：
半导体生产企业销售自己生产的半导体产品（含单晶矽片），2010年前按17%法定税率徵收增值税，对实际税负超过3%的部分即徵即退；对投资超过80亿人民币或半导体线宽小於0.25微米的，企业所得税为“五免五减半”。
3、对经认定的半导体生产企业引进半导体技术和成套生产设备，单项进口的半导体专用设备与仪器，除国务院规定的《外商投资专案不予免税的进口商品目录》和《国内投资项目不予免税的进口商品目录》所列商品外，免徵关税和进口环节增值税。
4、投资额超过80亿元人民币或半导体线宽小於0.25微米的半导体生产企业，除了享受所得税“五免五减半”之外，对於其进口自用生产性原材料、消耗品，免徵关税和进口环节增值税。
5、对於半导体生产企业的生产性设备，投资额在3000万美元以上的外商投资企业，报由税务总局批准；投资额在3000万美元以下的外商投资企业，经主管税务机关核准，其折旧年限可以适当缩短，最短可为3年。
此外，半导体产业相对集中的地方政府也制定了配套的优惠政策，如上海市颁布了《上海市鼓励软体产业和积体电路产业发展的若干政策》，其中：（1）对新建的半导体制造及相关专案，经有关科技和税务部门认定，属於技术先进、市场前景良好，可以享受鼓励外商对能源、交通投资的税收优惠政策，即“五免五减半”；（2）将新建的半导体晶片生产线专案，列为市政府重大工程项目，对其建设期内固定资产投资贷款人民币部分，提供1个百分点的贷款贴息；（3）对新建的半导体晶片生产项目，自认定之日起3年内，免收购置生产经营用房的交易手续费和产权登记费；免收该专案所需的自来水增容费、煤气增容费和供配电贴费；（4）境外企业向中国大陆企业转让半导体设计技术等使用权或所有权，其中技术先进，经同级财税部门核准，免徵预提所得税。
其实，正是在这些优惠政策的扶持下，中国大陆的半导体从2000年开始突飞猛进，形成了目前中国大陆半导体产业链的布局。
三、中国大陆半导体产业的政策尴尬
在政府的中国大陆扶持和种种优惠政策下，境外资金纷纷投资中国大陆半导体业，但后来发现实际并没有想像的那麼特别美好，主要原因在於“18号档”与中国大陆出口导向型的税收政策、严格的外汇管理制度之间存在一定的落差，这种政策上的弊病，已使半导体产业链感到尴尬。
（一）增值税退税政策的难以享受
在增值税退税上，相关文件规定了实际税负超过3％的部分退税，但是对於半导体产业链中关键的封装测试企业来说并没有享受到什麼优惠，因为封测企业接受委托加工半导体产品不能视为销售自产产品，故虽然其实际税负高於3％，却不能享受增值税退税的优惠。此外，由於在成品出口的情况下，采用进料加工和来料加工装配的贸易方式进口的原材料或原器件不徵收进口环节增值税，对出口成品增值税允许退税。在这样的条件下，封测企业将产品出口才可以享受增值税退税，然后下游的整机生产企业也用同样的方式先进口再出口。
对於晶圆生产企业也同样如此，生产型企业出口可以退还17％的增值税（2004年初降为13％），而内销则只退还超过实际税负3％的部分，企业都尽可能将产品出口到境外以获得退税的优惠，再由下游封测企业当作原材料进口。这样即使一墙之隔的晶圆厂与封测企业，产品在产业链中流转都要先出口再进口，无疑增加了企业的成本。
此外，因为企业的实际税负要超过3％的部分才能即徵即退，所以，从财税角度计算，如果企业要享受实际税负超过3%而享受增值税退还的优惠，至少要把70－80％的产品内销，且毛利率要在30％以上，而从目前情况来看，考虑到出口退税的优惠、毛利率、境外客户及外汇方面等原因，很少企业能够达到如此高的内销比例和毛利率。
（二）“原材料和成品关税不同”的政策影响了中国半导体企业的国际竞争力。目前半导体优惠政策虽对於半导体技术和成套生产设备、单项进口的半导体专用设备与仪器免徵关税和增值税，但对於某些必须进口的材料和设备如用於制造半导体的专用材料（塑胶、导电橡胶等）进口时还要徵收近10％的平均关税，这其实大大加大了半导体行业的生产成本，与此同时，中国大陆政府对於进口半导体产品的进口关税税率却为零，这使得很多企业从成本角度考虑出发，宁愿直接从国外进口产品，也不愿意从中国大陆半导体加工厂购买产品，而且半导体设计公司委托中国大陆国内的封装测试厂加工产品时，因有些中国大陆厂商受到“原材料和成品关税不同”的政策影响，也不愿意购买相应的技术设备进行加工，这其实客观上削弱了中国大陆半导体企业在国际上的竞争力，且不利於外国企业对中国大陆进行投资。
（三）外汇平衡政策也导致很多企业无法内销。以封装企业为例，因为目前中国大陆对於半导体企业没有专门的外汇政策，这样使得企业如果将半导体产品直接出售给本地整机制造商，则只能以人民币结算，而封装企业所用的原材料大部分需要进口的，这需要大笔外汇。同时，半导体作为国际性产业，封装企业一般由下订单的国外半导体设计企业支付加工费，而不是整机制造商，但中国大陆实行“谁出口谁收汇”的外汇管理体制，卖给本地企业的产品被视为内销，封装企业无法收汇。
（四）“18号文件”规定，投资额超过80亿元人民币或半导体线宽小於0.25微米的半导体生产企业进口自用生产原材料、消耗品，免徵关税和进口环节增值税，而中国大陆本地企业采购本地材料和设备要缴纳17％的增值税，这样促使很多企业不愿意从中国大陆本地企业购买材料和设备，从而使得材料和设备受制於境外市场，且材料和设备如果都靠进口，其实也使得外国投资者因为无法购买本地相对便宜的材料，而造成成本增加，从而影响了投资的兴趣，也限制了作为支撑中国大陆半导体发展的本地半导体材料企业的发展。
（五）从2004年1月1日开始，包括半导体产品在内的多种产品出口退税比例由原来的17％降到13％，这无疑又加重了半导体企业的税负。
另外，目前中美之间有关半导体增值税退税的争端，即美国认为中国大陆对於进口半导体产品要徵17％的增值税，而对於本地企业销售半导体产品却能享受实际税负超过3％部分的退税，这是一种歧视性的税收政策，与中国大陆加入世界贸易组织时所做出的“国民待遇” 承诺不相符合，并为此向WTO提出指控。尽管目前没有最终定论，但不可否认的是，这也间接影响了目前中国半导体企业优惠政策稳定性。
半导体市场发展前景 亚洲推动平稳增长
参加Semicon新加坡2006年研讨会的分析家和行业代表认为，全球半导体工业有望盼来一段时期的
稳定增长，其中很大一部分受到亚洲新兴经济的推动。
国际半导体设备及材料(SEMI)总裁兼CEO Stanley Myers表示，SEMI预计市场总体上今年将上升
10%，主要受到诸如手机和数字音频播放机等消费产品需求不断增长的推动。全球IC设备市场今年将
大约增长31.2亿美元达到361.2亿美元。芯片材料的市场预计将由313.8亿美元增至345.1亿美元。其
中，亚洲将成为领头羊，增长超过全球平均水平。而中国的半导体材料和设备市场预计增长率将超
过20%。
Gartner公司半导体研究副总裁Philip Koh称，该公司预计半导体行业未来5年内的年复合增长率为
7.9%，对3G手机和存储设备的需求激增，将弥补PC市场“饱和”所带来的损失。作为全球最主要的
芯片市场，中国市场将持续增长，到2010年市场份额将接近60%。而更多发达市场如台湾和新加坡的
发展将保持相对“平缓”。除了将制造业务转向中国之外，越来越多的台湾大公司也将研发活动转
向大陆。
尽管“中国的IC和系统设计行业仍然存在问题，”但Gartner预计中国的电子制造商仍将继续积极
在中国投资，同时也更加努力开发自有的标准和技术。
STATS ChipPAC首席战略官Scott Jewler指出，已经连续第5年增长的全球半导体行业，似乎已经摆
脱以往繁荣-低谷循环往复的阴影。在技术和财务上均可以投资得起300mm晶圆厂或前沿封装解决方
案的公司越来越少，这将使产能被“重复预订”的情况减少，同时“非理性资本投资也减少”。但
Jewler也表示，更先进的消费设备和技术整合也将带来挑战。
“企业的选择很少，只能互相合作，因为很少有公司拥有制造如手机等设备所需要的知识产权。此
外，集成设计制造(IDM)工艺日益复杂。”他说。规模较小，专注于利基市场的企业，在资本密集市
场上的生存能力也受到质疑，而在历史上他们却是许多行业创新的源泉。
IP版权保护和行业标准将成为“未来3到5年内的较突出问题，”尤其是随着制造向中国等地区转移
。到2015年，随着小于45nm的IC出现及采用诸如纳米线和碳纳米管等材料，纳米技术将主宰半导体
市场。他还预测将出现450mm晶圆厂，尽管这种厂房耗资高达100亿美元。同时，他还建议要留意中
国背景的IDM，一些中国IDM已经“在前沿参与竞争，”中国也正试图用“本土的设计来替换进口芯
片。”
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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