半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)發(fā)展至今經(jīng)歷了三個(gè)階段：

第一代半導(dǎo)體材料以硅為代表；

第二代半導(dǎo)體材料砷化鎵也已經(jīng)廣泛應(yīng)用；

而以氮化鎵和碳化硅、氧化鋅、氧化鋁、金剛石等為代表的第三代半導(dǎo)體材料。

相較前兩代產(chǎn)品性能優(yōu)勢(shì)顯著，憑借其高效率、高密度、高可靠性等優(yōu)勢(shì)，在新能源汽車、通信以及家用電器等領(lǐng)域發(fā)揮重要作用，成為業(yè)內(nèi)關(guān)注的新焦點(diǎn)。

一、產(chǎn)業(yè)概述

1.1 半導(dǎo)體硅（Si）材料的限制

上世紀(jì)五十年代以來(lái)，以硅（Si）材料為代表的第一代半導(dǎo)體材料引發(fā)了集成電路（IC）為核心的微電子領(lǐng)域迅速發(fā)展。然而，由于硅材料的帶隙較窄、電子遷移率和擊穿電場(chǎng)較低，Si 在光電子領(lǐng)域和高頻高功率器件方面的應(yīng)用受到諸多限制。

1.2 半導(dǎo)體材料性能對(duì)比

隨著Si材料的瓶頸日益突出，以砷化鎵（GaAs）為代表的第二代半導(dǎo)體材料開始嶄露頭角，使半導(dǎo)體材料的應(yīng)用進(jìn)入光電子領(lǐng)域，尤其是在紅外激光器和高亮度的紅光二極管等方面。第三代半導(dǎo)體材料的興起，則是以氮化鎵（GaN）材料p型摻雜的突破為起點(diǎn)，以高亮度藍(lán)光發(fā)光二極管（LED）和藍(lán)光激光器（LD）的研制成功為標(biāo)志，包括GaN、碳化硅（SiC）和氧化鋅（ZnO）等寬禁帶材料。

1.3 三代半導(dǎo)體材料應(yīng)用情況

第三代半導(dǎo)體（以SiC和GaN為主）又稱寬禁帶半導(dǎo)體，禁帶寬度在2.2eV以上，具有高擊穿電場(chǎng)、高飽和電子速度、高熱導(dǎo)率、高電子密度、高遷移率等特點(diǎn)，逐步受到重視。SiC與GaN相比較，前者相對(duì)GaN發(fā)展更早一些，技術(shù)成熟度也更高一些；兩者有一個(gè)很大的區(qū)別是熱導(dǎo)率，這使得在高功率應(yīng)用中，SiC占據(jù)統(tǒng)治地位；同時(shí)由于GaN具有更高的電子遷移率，因而能夠比SiC或Si具有更高的開關(guān)速度，在高頻率應(yīng)用領(lǐng)域，GaN具備優(yōu)勢(shì)。

二、SIC產(chǎn)業(yè)概況

2.1 SiC產(chǎn)業(yè)概述

SiC生產(chǎn)過(guò)程分為SiC單晶生長(zhǎng)、外延層生長(zhǎng)及器件制造三大步驟，對(duì)應(yīng)的是產(chǎn)業(yè)鏈襯底、外延、器件與模組三大環(huán)節(jié)。

其中SiC襯底通常用Lely法制造，國(guó)際主流產(chǎn)品正從4英寸向6英寸過(guò)渡，且已經(jīng)開發(fā)出8英寸導(dǎo)電型襯底產(chǎn)品。

SiC外延通常用化學(xué)氣相沉積（CVD）方法制造，根據(jù)不同的摻雜類型，分為n型、p型外延片。

SiC器件上，國(guó)際上600~1700VSiCSBD、MOSFET已經(jīng)實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化，主流產(chǎn)品耐壓水平在1200V以下，封裝形式以TO封裝為主。

2.2 SiC 產(chǎn)業(yè)格局

全球 SiC產(chǎn)業(yè)格局呈現(xiàn)美國(guó)、歐洲、日本三足鼎立態(tài)勢(shì)。其中美國(guó)全球獨(dú)大，全球SiC產(chǎn)量的70%~80%來(lái)自美國(guó)公司，典型公司是Cree、Ⅱ-Ⅵ；歐洲擁有完整的SiC襯底、外延、器件以及應(yīng)用產(chǎn)業(yè)鏈，典型公司是英飛凌、意法半導(dǎo)體等；日本是設(shè)備和模塊開發(fā)方面的領(lǐng)先者，典型公司是羅姆半導(dǎo)體、三菱電機(jī)、富士電機(jī)等。

2.3 SiC功率器件市場(chǎng)空間

根據(jù)Yole的預(yù)測(cè)，2017~2023年，SiC功率器件市場(chǎng)將以每年31%的復(fù)合增長(zhǎng)率增長(zhǎng)，2023年將超過(guò)15億美元；而SiC行業(yè)龍頭Cree則更為樂(lè)觀，其預(yù)計(jì)短期到2022年，SiC在電動(dòng)車用市場(chǎng)空間將快速成長(zhǎng)到24億美元，是2017年車用SiC整體收入（700萬(wàn)美元）的342倍。

三、GaN產(chǎn)業(yè)概況

3.1 GaN 材料特性

GaN 材料與Si/SiC 相比有獨(dú)特優(yōu)勢(shì)。GaN與SiC同屬于第三代寬禁帶半導(dǎo)體材料，相較于已經(jīng)發(fā)展十多年的SiC，GaN功率器件是后進(jìn)者，它擁有類似SiC性能優(yōu)勢(shì)的寬禁帶材料，但擁有更大的成本控制潛力。與傳統(tǒng)Si材料相比，基于GaN材料制備的功率器件擁有更高的功率密度輸出，以及更高的能量轉(zhuǎn)換效率，并可以使系統(tǒng)小型化、輕量化，有效降低電力電子裝置的體積和重量，從而極大降低系統(tǒng)制作及生產(chǎn)成本。

3.2 GaN器件發(fā)展情況

基于GaN的LED自上世紀(jì)90年代開始大放異彩，目前已是LED的主流，自20世紀(jì)初以來(lái)，GaN功率器件已經(jīng)逐步商業(yè)化。2010年，第一個(gè)GaN功率器件由IR投入市場(chǎng)，2014年以后，600V GaN HEMT已經(jīng)成為GaN器件主流。2014年，行業(yè)首次在8英寸SiC上生長(zhǎng)GaN器件。

3.3 GaN應(yīng)用場(chǎng)景

GaN與SiC、Si材料各有其優(yōu)勢(shì)領(lǐng)域，但是也有重疊的地方。GaN材料電子飽和漂移速率最高，適合高頻率應(yīng)用場(chǎng)景，但是在高壓高功率場(chǎng)景不如SiC；隨著成本的下降，GaN有望在中低功率領(lǐng)域替代二極管、IGBT、MOSFET等硅基功率器件。以電壓來(lái)分，0~300V是Si材料占據(jù)優(yōu)勢(shì)，600V以上是SiC占據(jù)優(yōu)勢(shì)，300V~600V之間則是GaN材料的優(yōu)勢(shì)領(lǐng)域。

3.4 GaN 產(chǎn)業(yè)鏈概述

GaN與SiC產(chǎn)業(yè)鏈類似，GaN器件產(chǎn)業(yè)鏈各環(huán)節(jié)依次為：GaN單晶襯底（或SiC、藍(lán)寶石、Si）→GaN材料外延→器件設(shè)計(jì)→器件制造。目前產(chǎn)業(yè)以IDM企業(yè)為主，但是設(shè)計(jì)與制造環(huán)節(jié)已經(jīng)開始出現(xiàn)分工，如傳統(tǒng)硅晶圓代工廠臺(tái)積電開始提供GaN制程代工服務(wù)，國(guó)內(nèi)的三安集成也有成熟的GaN制程代工服務(wù)。各環(huán)節(jié)相關(guān)企業(yè)來(lái)看，基本以歐美企業(yè)為主，中國(guó)企業(yè)已經(jīng)有所涉足。
責(zé)任編輯:tzh