劉馨

隨著5G移動通訊技術(shù)、高壓智能電網(wǎng)、高速軌道交通、新能源汽車、移動互聯(lián)、海亮光存儲、可見光通訊等市場巨大拉動，全球?qū)σ蕴蓟瑁⊿iC）和氮化鎵（GaN）為代表的具有帶寬度大、擊穿電場高、熱導(dǎo)率大、電子飽和漂移速率高、抗輻射能力強(qiáng)等特征的寬禁帶半導(dǎo)體材料（亦稱“第3代半導(dǎo)體材料”）活躍度日益提高，產(chǎn)業(yè)進(jìn)入了快速發(fā)展階段。

法國悠樂（Yole）公司7月公布的最新數(shù)據(jù)顯示，第3代半導(dǎo)體在電力電子行業(yè)的發(fā)展迅猛，業(yè)務(wù)擴(kuò)展很快。其中，來自太陽能和新能源汽車領(lǐng)域的增長對市場的推動尤為顯著，2015-2016年來自太陽能和新能源汽車逆變器市場增長了20%以上。第3半導(dǎo)體功率器件性能上的巨大優(yōu)勢及市場需求加速了其市場應(yīng)用進(jìn)程，使得這一市場2016-2022年復(fù)合增長率將超過30%。

目前，電力電子市場主流為硅（Si）基器件，但隨著SiC材料的不斷成熟，在全球范圍內(nèi)，高電壓高功率領(lǐng)域新興市場不斷涌現(xiàn)。不少業(yè)內(nèi)人士認(rèn)為，市場的快速增長加快了行業(yè)拐點(diǎn)的顯現(xiàn)。抓住產(chǎn)業(yè)發(fā)展的窗口期，這對于國內(nèi)企業(yè)而言十分關(guān)鍵。

國內(nèi)企業(yè)跟跑趕超

由于發(fā)達(dá)國家早已將第3代半導(dǎo)體列為國家戰(zhàn)略，長期給予扶持，不少企業(yè)已經(jīng)掌握高端先進(jìn)技術(shù)。加之國內(nèi)產(chǎn)業(yè)起步晚（晚于發(fā)達(dá)國家10年以上），技術(shù)和產(chǎn)品受國外封鎖，因此，我國在第3代半導(dǎo)體襯底、外延材料、器件的整體技術(shù)水平比國際領(lǐng)先水平落后3～5年。

SiC功率器件方面，國際市場已經(jīng)基本形成了美國、歐洲和日本三足鼎立的局面。2015年，美國科銳（Cree）公司900V電壓的SiC MOSFET晶體管已經(jīng)面市；2016年，GE公司發(fā)布了面向汽車級應(yīng)用的SiC MOSFET和SiC二極管；2017年，Rohm在展會推出了碳化硅二極管、晶體管和碳化硅功率模塊等全套產(chǎn)品。應(yīng)用端，蘋果公司已在iphone8電源適配器中采用了SiC功率器件；豐田混合動力汽車凱美瑞在驅(qū)動系統(tǒng)采用SiC功率器件，本田也在2016年3月上市的燃料電池車（FCV）“CLARITY FUEL CELL”中配備了SiC功率器件。

就材料而言，全球多家企業(yè)公布其涉足SiC材料開發(fā)及生產(chǎn)，包括美國Cree、Ⅱ-Ⅵ、Dow Corning，德國的SiCrystal，日本的Nippon Steel、Bridegestone、Denso，韓國的SKC以及瑞典的Norstel。從產(chǎn)品來看，國際主流SiC襯底材料產(chǎn)品已經(jīng)向6英寸過渡，8英寸襯底樣品已經(jīng)面市。

由于硅（Si）基半導(dǎo)體器件材料90%的依賴進(jìn)口，因此，在發(fā)展之初，我國就高度重視第3代半導(dǎo)體相關(guān)材料的開發(fā)，試圖彎道超車，掌握固態(tài)光源和電力電子、微波射頻器件的“核芯”。

2000年以來，國家通過“863”計(jì)劃、國家科技支撐計(jì)劃、國家自然基金、01、02、03重大專項(xiàng)等國家頂層設(shè)計(jì)規(guī)劃，對SiC單晶、外延材料和器件研制以及裝置進(jìn)行了積極的探索，北京市等地方政府也依托科技資源優(yōu)勢積極布局，從一定程度上縮小了國內(nèi)外差距。加之，以LED產(chǎn)業(yè)為代表的光電器件發(fā)展勢頭良好，多年來保持30%的年增長率，為第3代半導(dǎo)體在其他領(lǐng)域的技術(shù)研發(fā)和產(chǎn)業(yè)應(yīng)用奠定了良好的基礎(chǔ)。

盡管產(chǎn)業(yè)上與國際水平有一定差距，但國內(nèi)企業(yè)的自主創(chuàng)新能力正在不斷加強(qiáng)。目前國內(nèi)600-2 500V的SiC肖特基二極管（SBD）已經(jīng)實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)，目前處在用戶驗(yàn)證階段，形成部分產(chǎn)品銷售；3300V SiC SBD、1 200V-3 300V的SiC MOSFET已開發(fā)出原型器件。

產(chǎn)業(yè)上，包括北京天科合達(dá)半導(dǎo)體股份有限公司（TANKEBLUE，簡稱“天科合達(dá)”）、天岳晶體材料有限公司（SICC，簡稱“山東天岳”）在內(nèi)的多家材料企業(yè)已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了4英寸SiC襯底材料商業(yè)化生產(chǎn)，其中，天科合達(dá)實(shí)現(xiàn)6英寸SiC襯底的小批量供貨能力。國內(nèi)企業(yè)突破了國外材料封鎖，在國際上處于產(chǎn)業(yè)跟跑階段，部分領(lǐng)域的技術(shù)研發(fā)水平達(dá)到并跑、趕超階段。

材料深層次問題探討

由于半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)流程較長，普遍涉及晶體生長、晶片加工、器件制備（包括有源層制備、柵極制備、歐姆接觸、鈍化層沉積等工藝段）、器件封裝至最終應(yīng)用多個環(huán)節(jié)，整個產(chǎn)業(yè)的成品率或良率與傳統(tǒng)的制造業(yè)有較大差距。以領(lǐng)域代表性企業(yè)美國Cree公司為例，SiC襯底的成品率也僅達(dá)到70%左右。

目前，從國內(nèi)SiC功率器件的成本構(gòu)成上看，材料綜合成本占到了器件總成本的30%以上，核心材料已成為制約后端器件工藝、成品率、成本控制的關(guān)鍵因素。國際市場上，無論是傳統(tǒng)的Si還是目前功率器件和微波器件所采用的SiC襯底，還都普遍存在著交貨期長、幾乎沒有議價空間、產(chǎn)品供不應(yīng)求的問題。而國內(nèi)SiC材料企業(yè)普遍規(guī)模較小，且市場主流產(chǎn)品商業(yè)化進(jìn)程滯后，產(chǎn)品質(zhì)量存在若干問題，國內(nèi)器件廠商既不敢用，下游用戶也無法承受成本壓力。究其原因，筆者列出如下幾個以供探討。

商業(yè)化生產(chǎn)能力滯后于科技研發(fā)水平

盡管國內(nèi)6英寸技術(shù)路徑已經(jīng)打通，但產(chǎn)品能否能夠?qū)崿F(xiàn)大規(guī)模商業(yè)化生產(chǎn)，與企業(yè)工程化能力及水平直接相關(guān)。具體來看，SiC襯底生產(chǎn)主要包括晶體生長和晶體加工2大部分。其中SiC晶體通過的氣相工藝（大多數(shù)為PVT法）進(jìn)行生長。與其他半導(dǎo)體材料類似，通過晶體生長設(shè)備、生長工藝、原材料、溫場、保溫材料和籽晶進(jìn)行生長控制。但SiC晶體中，對籽晶要求與Si不同，不僅要求無瑕疵，還需要大尺寸。因?yàn)椋丫е械娜魏稳倍伎赡堋斑z傳”到晶體中去，而且SiC也不可能在籽晶直徑較小的情況下長出高質(zhì)量的大尺寸晶體。這對于國內(nèi)自主研發(fā)的生產(chǎn)企業(yè)而言，持續(xù)提高質(zhì)籽晶質(zhì)量才能使生產(chǎn)獲得良性循環(huán)。

SiC晶體在外場加熱的溫場（兩千多攝氏度）中生長，尺寸越大，溫場控制越難。高純碳化硅粉原材料在升華過程中硅、碳成分的改變，生長室內(nèi)溫度梯度變化及籽晶缺陷的“遺傳性”使得晶體生長控制有很大難度。在具體的操作中，需要有經(jīng)驗(yàn)的工程技術(shù)人員對工藝參數(shù)進(jìn)行調(diào)節(jié)。

SiC材料莫氏硬度9.2，是為數(shù)不多的硬度為9的材料之一。在莫氏硬度表中，鉆石硬度為10（上限），而絕大多數(shù)礦物的硬度鮮有超過7的。因此，能夠用于SiC的研磨加工材料可選種類不多，一般采用金剛石粉，且切割、拋光等加工工藝難度較大。

這些在技術(shù)工程化、商品化的過程中暴露的諸多問題，成為國內(nèi)材料企業(yè)技術(shù)突破之后面臨的突出問題。加之國外高端產(chǎn)品和技術(shù)的封鎖，迫使材料國內(nèi)企業(yè)不得不在領(lǐng)域進(jìn)行長期積淀。

國內(nèi)工業(yè)基礎(chǔ)較弱，配套有待提高

一般來說，基礎(chǔ)材料實(shí)際生產(chǎn)水平與國內(nèi)整個制造業(yè)的水平趨同。就SiC晶體生長而言，據(jù)國內(nèi)企業(yè)普遍反映，除高純硅粉外，晶體生長涉及的部分籽晶、高純碳粉、高純氣體等原材料，以及溫場中的石墨坩堝、碳基保溫材料等生產(chǎn)物料目前均無法實(shí)現(xiàn)國內(nèi)供應(yīng)，大多需要進(jìn)口，使得國產(chǎn)晶體材料制造環(huán)節(jié)成本增高。

晶體生長設(shè)備國產(chǎn)化率不高，目前設(shè)備市場由國外企業(yè)主導(dǎo)，單晶爐主要設(shè)備商包括CCree、Aixtron、LHT等，氮化物晶體生長爐主要由三菱化學(xué)供貨。國內(nèi)絕大多數(shù)設(shè)備從國外進(jìn)口，僅有個別企業(yè)自行開發(fā)了生長設(shè)備，也有一些企業(yè)在進(jìn)口設(shè)備基礎(chǔ)上進(jìn)行仿制，但工藝受制于設(shè)備較難得到提升。SiC研磨機(jī)、SiC拋光機(jī)、SiC外延爐也都主要來自國外廠商。

另外，晶體研發(fā)及生產(chǎn)過程中使用的檢測設(shè)備、微觀分析儀器價格昂貴，分析檢測手段也相對不足，一定程度上制約企業(yè)發(fā)展。

全產(chǎn)業(yè)鏈有待形成協(xié)同研發(fā)機(jī)制

半導(dǎo)體行業(yè)屬于典型的技術(shù)與資本雙密集產(chǎn)業(yè)，第3代半導(dǎo)體材料也不例外，不僅技術(shù)門檻極高，而且資金需求量大。

目前SiC晶片材料生產(chǎn)企業(yè)主要包括2類商業(yè)模式。一類是企業(yè)只做產(chǎn)業(yè)當(dāng)中的一個環(huán)節(jié)，單純的生產(chǎn)SiC晶片或外延產(chǎn)品，或者是單純的利用采購的晶片制作器件。這一類商業(yè)模式的企業(yè)規(guī)模普遍較小，市場份額和營業(yè)收入也不高。另一類企業(yè)覆蓋整個設(shè)計(jì)加工制造全產(chǎn)業(yè)鏈，類似于集成電路產(chǎn)業(yè)的垂直整合制造（IDM），即在生產(chǎn)SiC晶片的同時也進(jìn)行SiC器件、模塊產(chǎn)品的制作及銷售，這一類的企業(yè)行業(yè)積累深，市場份額較高，擁有行業(yè)話語權(quán)，屬于“大玩家”級別。

縱觀國內(nèi)市場，目前具有材料量產(chǎn)能力的企業(yè)數(shù)量十分有限，且多為單一的晶體材料生產(chǎn)企業(yè)。這些企業(yè)普遍處于求生存狀態(tài)，盡管訂單數(shù)量較多，但客戶訂單額有限，缺少大訂單的完成能力。這導(dǎo)致材料企業(yè)對下游客戶反饋積累的數(shù)據(jù)不足，國內(nèi)材料企業(yè)晶體產(chǎn)品控制水平有限，不能與器件廠商一起有效實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的快速迭代。而下游器件廠商為了器件工藝驗(yàn)證，又不敢貿(mào)然采用缺陷相對較高的國產(chǎn)材料進(jìn)行設(shè)計(jì)制作。

與此同時，應(yīng)用技術(shù)涉及能源、交通、信息、裝備和自動化等多個領(lǐng)域，多學(xué)科交叉、融合的特點(diǎn)明顯，從基礎(chǔ)研發(fā)到工程化應(yīng)用的創(chuàng)新鏈很長，而核心材料、器件與應(yīng)用端分離，無法形成利益共同體，產(chǎn)業(yè)一體化實(shí)施存在困難。因此，如何通過機(jī)制體制創(chuàng)新，打通整個產(chǎn)業(yè)的創(chuàng)新鏈條，形成全產(chǎn)業(yè)鏈協(xié)同創(chuàng)新體系，成為上游材料廠商關(guān)注的焦點(diǎn)。

實(shí)現(xiàn)國產(chǎn)材料的中國夢

當(dāng)前，材料企業(yè)的困惑，暴露出來的已不再是單純的材料企業(yè)本身的發(fā)展問題，而是延伸到了整個產(chǎn)業(yè)鏈。材料問題不快速突破，產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新體系不能有效建立，彎道超車的夢想可能就無法實(shí)現(xiàn)。不過，盡管如此，國內(nèi)產(chǎn)業(yè)界已經(jīng)意識到材料問題的重要性和緊迫性。積極布局，各自發(fā)力，實(shí)現(xiàn)國產(chǎn)材料突破的“中國夢”。

企業(yè)創(chuàng)新發(fā)力

從企業(yè)層面看，SiC材料、器件、應(yīng)用的全產(chǎn)業(yè)鏈條已經(jīng)初步建立。

據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)顯示，國內(nèi)已經(jīng)形成了天科合達(dá)、山東天岳、北京世紀(jì)金光半導(dǎo)體有限公司、河北同光晶體有限公司等SiC襯底廠商，瀚天天成電子科技（廈門）有限公司、東莞市天域半導(dǎo)體科技有限公司（TYSiC）等SiC外延廠商，揚(yáng)州揚(yáng)杰電子科技股份有限公司、泰科天潤半導(dǎo)體科技（北京）有限公司（Global Power Technology）等SiC器件廠商，嘉興斯達(dá)半導(dǎo)體股份有限公司（Starpower）、河南森源電氣股份有限公司等SiC模塊廠商。國家電網(wǎng)、株洲南車時代電氣股份有限公司等下游用戶也深度參與到了產(chǎn)業(yè)發(fā)展中來。

此外，SiC襯底生產(chǎn)企業(yè)天科合達(dá)、山東天岳各自分別牽頭成立了中關(guān)村天合寬禁帶半導(dǎo)體技術(shù)創(chuàng)新聯(lián)盟和中國寬禁帶功率半導(dǎo)體及應(yīng)用產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟，并從材料向產(chǎn)業(yè)延伸，以各自不同的角度，圍繞全產(chǎn)業(yè)鏈展開上下游合作，建立研發(fā)平臺，集中突破技術(shù)研發(fā)、生產(chǎn)制造環(huán)節(jié)的實(shí)際問題，取得一定的成效。其中，中關(guān)村天合寬禁帶半導(dǎo)體技術(shù)創(chuàng)新聯(lián)盟還牽頭起草并制定了有關(guān)材料、模塊、應(yīng)用、檢測多項(xiàng)相關(guān)團(tuán)體標(biāo)準(zhǔn)，率先建立起行業(yè)的標(biāo)準(zhǔn)體系和檢測技術(shù)規(guī)范。

行業(yè)聯(lián)合整合

作為第3代半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)的排頭兵，基于GaN材料體系的LED照明產(chǎn)業(yè)率先發(fā)展起來。來自第三代半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)技術(shù)創(chuàng)新戰(zhàn)略聯(lián)盟公布的數(shù)據(jù)，2016年LED照明產(chǎn)業(yè)整體產(chǎn)值達(dá)到5216億元。盡管發(fā)展路徑不同，但具有中國特色的“政產(chǎn)學(xué)研用”協(xié)同創(chuàng)新模式，為第3代半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)的發(fā)展提供了可借鑒的經(jīng)驗(yàn)。

2017年6月，第3代半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)技術(shù)創(chuàng)新戰(zhàn)略聯(lián)盟發(fā)布了“第3代半導(dǎo)體創(chuàng)新戰(zhàn)略”，提出了振奮人心的2030年行業(yè)發(fā)展目標(biāo)：全產(chǎn)業(yè)鏈進(jìn)入世界先進(jìn)行列，部分核心關(guān)鍵技術(shù)國際引領(lǐng)，產(chǎn)業(yè)鏈核心環(huán)節(jié)形成1～3家世界龍頭企業(yè)，光電子、電力電子和微波射頻全面規(guī)模應(yīng)用，市場滲透率超過70%，國產(chǎn)化率超過70%。

針對目前行業(yè)面臨的現(xiàn)狀及困境，聯(lián)盟研究制定了第3代半導(dǎo)體發(fā)展路線圖。針對產(chǎn)業(yè)發(fā)展過程中暴露的技術(shù)研發(fā)、公共研發(fā)平臺建設(shè)、創(chuàng)新鏈打造、產(chǎn)業(yè)體系建設(shè)等核心問題，提出建設(shè)“小核心、大網(wǎng)絡(luò)、主平臺、全體系”的發(fā)展路徑，并從頂層設(shè)計(jì)的角度，規(guī)劃出理性發(fā)展路徑，通過聯(lián)盟開展的一系列工作逐步落實(shí)。

國家引導(dǎo)資本涌入

2016年12月，國家新材料產(chǎn)業(yè)發(fā)展領(lǐng)導(dǎo)小組成立，從國家層面進(jìn)行頂層設(shè)計(jì)，協(xié)調(diào)重點(diǎn)難點(diǎn)問題，推動包括第3代半導(dǎo)體材料在內(nèi)的新材料產(chǎn)業(yè)快速發(fā)展，為材料企業(yè)帶來極大利好。

此外，我國成立規(guī)模超過1300億的“國家集成電路產(chǎn)業(yè)投資基金”（簡稱“大基金”），對半導(dǎo)體全產(chǎn)業(yè)鏈的投資帶動效應(yīng)已經(jīng)初步顯現(xiàn)。據(jù)第3代半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)技術(shù)創(chuàng)新戰(zhàn)略聯(lián)盟公布的數(shù)據(jù)，在大基金的帶動下，民間資金也開始投入第3代半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)。2015-2016年已經(jīng)立項(xiàng)（已經(jīng)環(huán)評公示）的第3代半導(dǎo)體相關(guān)項(xiàng)目達(dá)18項(xiàng)，總投資金額近180億元。其中，SiC材料相關(guān)投資項(xiàng)目8項(xiàng)，投資額約64億元。SiC單晶襯底環(huán)節(jié)，在建項(xiàng)目主要有青海矽珂和蕪湖太赫茲，將新增超過10萬片SiC單晶的產(chǎn)能。

越來越多的地方政府、社會資本均關(guān)注到了材料企業(yè)。盡管由于投資建設(shè)周期、下游應(yīng)用、成本突破等問題，第3代半導(dǎo)體材料的大規(guī)模爆發(fā)尚未顯現(xiàn)。不過，各種各樣的積極訊號，讓產(chǎn)業(yè)界看到了國產(chǎn)材料突破的曙光。下一個10年，我們有理由期待中國的材料企業(yè)乃至整個第3代半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)能夠快速活躍于國際產(chǎn)業(yè)舞臺！