隨著以SiC和GaN為代表的寬禁帶半導體材料（即第三代半導體材料）設備、制造工藝與器件物理的迅速發(fā)展，SiC和GaN基的電力電子器件逐漸成為功率半導體器件的重要發(fā)展方向。第三代半導體功率器件以更高的擊穿電壓、更高的熱導率、更高的電子飽和漂移速率和更高的抗輻射能力開始在軍事、航空航天等領域嶄露頭角。據(jù)悉于2017年10月25日在上海IC CHINA和中國電子展期間舉辦的“第二屆電源半導體技術論壇”將重點探討這一熱點議題。
本文將從第三代半導體材料性能應用、行業(yè)翹楚及市場并購、各國發(fā)展戰(zhàn)略以及中國力量與思考多個角度淺析第三代半導體功率器件市場。
l 第三代半導體性能及應用
半導體產(chǎn)業(yè)發(fā)展至今經(jīng)歷了三個階段，第一代半導體材料以硅（Si）為代表。第二代半導體材料砷化鎵（GaAs）也已經(jīng)廣泛應用。而以氮化鎵（GaN）和碳化硅（SiC）、氧化鋅（ZnO）等寬禁帶為代表的第三代半導體材料，相較前兩代產(chǎn)品，性能優(yōu)勢顯著并受到業(yè)內(nèi)的廣泛好評。第三代半導體具有高擊穿電場、高飽和電子速度、高熱導率、高電子密度、高遷移率等特點，因此也被業(yè)內(nèi)譽為固態(tài)光源、電力電子、微波射頻器件的“核芯”以及光電子和微電子等產(chǎn)業(yè)的“新發(fā)動機”。發(fā)展較好的寬禁帶半導體主要是SiC和GaN，其中SiC的發(fā)展更早一些。SiC、GaN、Si以及GaAs的一些參數(shù)如下圖所示：
可見，SiC和GaN的禁帶寬度遠大于Si和GaAs，相應的本征載流子濃度小于Si和GaAs，寬禁帶半導體的最高工作溫度要高于第一、第二代半導體材料。擊穿場強和飽和熱導率也遠大于Si和GaAs。以SiC為例，其具有寬的禁帶寬度、高的擊穿電場、高的熱導率、高的電子飽和速率及更高的抗輻射能力，非常適合于制作高溫、高頻、抗輻射及大功率器件。
產(chǎn)品被市場所接受，價格和性能是最主要的考慮因素。SiC的性能毋庸置疑，但成本還是比硅產(chǎn)品高，在相同特性、相同電壓、相同使用條件的情況下，大約會比硅產(chǎn)品貴5~6倍，因此，現(xiàn)階段只能從要求高性能、且對價格不是很敏感的應用開始來取代硅產(chǎn)品，例如汽車、汽車充電樁、太陽能等。要取代硅制產(chǎn)品，SiC還是有很大的發(fā)展空間的。當SiC的成本能降到硅的2~3倍的時候，應該會形成很大的市場規(guī)模。到2020年，EV汽車大規(guī)模推出的時候，SiC市場會有爆發(fā)式的增長。
在應用方面，根據(jù)第三代半導體的發(fā)展情況，其主要應用為半導體照明、電力電子器件、激光器和探測器、以及其他4個領域，每個領域產(chǎn)業(yè)成熟度各不相同，如下圖所示。在前沿研究領域，寬禁帶半導體還處于實驗室研發(fā)階段。
下面，我們重點關注一下其在功率管理方面的應用情況。許多公司開始研發(fā)SiC MOSFET，領先企業(yè)包括包括英飛凌（Infineon）、科銳（Cree）旗下的Wolfspeed、羅姆（ROHM）、意法半導體（STMicroelctronics）、三菱和通用電氣等。與此相反，進入GaN市場中的玩家較少，起步較晚。
SiC和GaN商業(yè)化功率器件發(fā)展歷程
SiC的電力電子器件市場在2016年正式形成，市場規(guī)模約在2.1億~2.4億美金之間。而據(jù)Yole最新預測，SiC市場規(guī)模在2021年將上漲到5.5億美金，這期間的復合年均增長率預計將達19%。目前，全球有超過30家公司在電力電子領域擁有SiC、GaN相關產(chǎn)品的生產(chǎn)、設計、制造和銷售能力。2016年SiC無論在襯底材料、器件還是在應用方面，均有很大進展，已經(jīng)開發(fā)出耐壓水平超過20KV的IGBT樣片。
消耗大量二極管的功率因素校正（PFC）電源市場，仍將是SiC功率半導體最主要的應用。緊隨PFC電源市場之后的應用領域是光伏逆變器。目前，許多光伏逆變器制造商將SiC二極管和MOSFET應用于他們的產(chǎn)品之中。SiC二極管的應用能夠為光伏逆變器提供諸多性能優(yōu)勢，包括提高效率、降低尺寸和重量等。此外，SiC二極管能在一定功率范圍內(nèi)降低系統(tǒng)成本。
SiC器件市場發(fā)展趨勢
l 行業(yè)翹楚及市場并購
根據(jù)Yole地統(tǒng)計，目前行業(yè)的龍頭，Infineon和Cree兩家公司，已經(jīng)占據(jù)了整個SiC市場份額68%。緊隨其后的便是ROHM和STMicroelctronics。
在SiC市場，Infineon 和 Cree一直是業(yè)界領先的企業(yè)
目前，這兩家公司都把目光放在如何實現(xiàn)將SiC器件集成到功率組件和轉(zhuǎn)換器上的工業(yè)化應用問題，同時也能為這些SiC器件系統(tǒng)提供經(jīng)特別設計的封裝。Infineon公司已經(jīng)具備了開發(fā)用于SiC器件功率組件所需的技術基礎。
除了Infineon和Cree外，日本的ROHM也是在SiC功率器件研發(fā)方面有大投入的公司。
由于SiC功率器件可顯著減少功率轉(zhuǎn)換損耗，2010年，ROHM率先宣布量產(chǎn)SiC MOSFET產(chǎn)品，開始了這一產(chǎn)品的市場化進程。與其他SiC廠商相比，ROHM的優(yōu)勢在于一條龍的生產(chǎn)體制。2009年，ROHM收購了SiCrystal公司，它是一家專門做SiC材料的德國企業(yè)，有了它提供材料，ROHM會在德國完成晶圓，然后在日本的福岡、京都做芯片的封裝和SiC模組，據(jù)悉，ROHM是全球唯一一家可以實現(xiàn)一條龍生產(chǎn)的SiC廠商。其產(chǎn)品電壓為650V和1200V，今后還會推出1700V甚至更高電壓的產(chǎn)品，主要針對鐵路、太陽能、風能等應用。
太陽能和風能功率產(chǎn)品的最大區(qū)別在于，太陽能通常有1200V就可以了，而風能必須要1700V，甚至3300V。家用車一般為650V，大巴需要1200V，高鐵則可能需要1700V或3300V以上。降低芯片尺寸；或是在同樣芯片尺寸的情況下，降低導通電阻，都是各巨頭的攻關方向。
2016年的半導體領域并購案中，直接涉及第三代半導體的有4項，涉及交易金額達100億美元。其中以Infineon收購Cree分拆的Wolfspeed對產(chǎn)業(yè)格局影響最大，如果能夠成功收購Wolfspeed的話，Infineon將在原有的基礎上進一步壯大，會成為全球排名第一的SiC功率器件供應商。但該項交易于2017年2月16日，因為美國外國投資委員會（CFIUS）關注的國家安全問題而被迫中止。
資料來源：CASA整理
在模擬、特別是功率并購市場，Infineon一直扮演著急先鋒的角色。為擴大功率半導體業(yè)務，該公司于2015年初，用大約30億美元收購了功率半導體元件和功率管理IC廠商——美國國際整流器（IR）公司，這是英飛凌公司史上最大規(guī)模的收購案。英飛凌多年以來一直是功率半導體行業(yè)規(guī)模最大的廠商，通過收購IR，其全球市場份額進一步提升，達到20％。
2015年，Infineon還并購了韓國企業(yè)LS Power Semitech的股權，收購了專注于駕駛輔助系統(tǒng)的PCB制造商Schweizer Electronic and TTTech的股權，以及與松下就未來的GaN技術開展合作等戰(zhàn)略性收購和合作項目，其在模擬，特別是功率業(yè)務方面的拓展動作頻頻。為什么會這樣呢？一方面是基于大的產(chǎn)業(yè)環(huán)境，這些年全球半導體產(chǎn)業(yè)增長乏力，甚至出現(xiàn)了負增長，廠商利潤率下降明顯，像英飛凌這樣有一定規(guī)模和實力的廠商則面向具有巨大增長潛力的物聯(lián)網(wǎng)、車聯(lián)網(wǎng)、5G等市場，基于自身的技術優(yōu)勢，尋求資產(chǎn)的優(yōu)化整合，以豐富、加強自身的產(chǎn)品線，擴大產(chǎn)品組合，增強企業(yè)的抗風險能力，通過合并推動營收增長，贏得更多的市場份額。另一方面，頻繁并購也是基于企業(yè)充足的現(xiàn)金儲備，英飛凌2015年的財報表現(xiàn)優(yōu)異，收入達到58億歐元，同比增長34％。其4大業(yè)務部門（汽車電子、電源管理及多元化市場、工業(yè)功率控制、智能卡與安全）均有不俗表現(xiàn)，基于此，英飛凌曾經(jīng)表示，會將并購行動當作企業(yè)未來發(fā)展和強化自身實力的重要策略。
縱觀近幾年中國半導體的發(fā)展，借助產(chǎn)業(yè)扶持基金進行海外收購已經(jīng)成為提升我國產(chǎn)業(yè)實力的有力武器。但考慮到第三代半導體產(chǎn)業(yè)的資金和技術雙密集屬性，特別是SiC和GaN材料和芯片大量應用于軍事領域，海外收購第三代半導體相關技術和公司將會越來越困難。美國政府以“國家安全”為由阻止金沙江收購Lumiled、宏芯投資基金收購德國Aixtron就是其佐證。仙童半導體于2015年12月拒絕了中國投資財團第一次提出的收購方案，但隨后于2016年1月5日宣布，將考慮華潤微電子與華創(chuàng)投資的修訂方案。在新方案中，中國資本愿以每股21.70美元的現(xiàn)金收購仙童，這一價格遠遠高于安森美提出的每股20美元。遺憾的是，由于美國政府對中國企業(yè)并購的限制，中國人的高價橄欖枝并沒有獲得通行證，仙童在拒絕了英飛凌，ST之后，還是選擇了同在美國的安森美，讓后者躍居功率半導體二當家！
l 各國的SiC戰(zhàn)略
第三代半導體材料引發(fā)全球矚目，并成為半導體技術研究前沿和產(chǎn)業(yè)競爭焦點，美、日、歐等國都在積極進行戰(zhàn)略部署。作為電力電子器件，SiC器件在低壓領域如高端的白色家電、電動汽車等由于成本因素，逐漸失去了競爭力。但在高壓領域，如高速列車、風力發(fā)電以及智能電網(wǎng)等，SiC具有不可替代性的優(yōu)勢。
SiC材料與電力電子器件的發(fā)展 （數(shù)據(jù)來源：賽迪智庫整理）
美國等發(fā)達國家為了搶占第三代半導體技術的戰(zhàn)略制高點，通過國家級創(chuàng)新中心、協(xié)同創(chuàng)新中心、聯(lián)合研發(fā)等形式，將企業(yè)、高校、研究機構(gòu)及相關政府部門等有機地聯(lián)合在一起，實現(xiàn)第三代半導體技術的加速進步，引領、加速并搶占全球第三代半導體市場。例如，美國國家宇航局（NASA）、國防部先進研究計劃署（DARPA）等機構(gòu)通過研發(fā)資助、購買訂單等方式，開展SiC、GaN研發(fā)、生產(chǎn)與器件研制；韓國方面，在政府相關機構(gòu)主導下，重點圍繞高純SiC粉末制備、高純SiC多晶陶瓷、高質(zhì)量SiC單晶生長、高質(zhì)量SiC外延材料生長這4個方面，開展研發(fā)項目。在功率器件方面，韓國還啟動了功率電子的國家項目，重點圍繞Si基GaN和SiC。
美國等發(fā)達國家2016年第三代半導體材料相關部分政策措施如下圖所示：
資料來源：CASA整理
l 中國的力量與思考
我國開展SiC、GaN材料和器件方面的研究工作比較晚，水平較低，阻礙國內(nèi)第三代半導體研究進展的重要因素是原始創(chuàng)新問題。國內(nèi)新材料領域的科研院所和相關生產(chǎn)企業(yè)大都急功近利，難以容忍長期“只投入，不產(chǎn)出”的現(xiàn)狀。因此，以第三代半導體材料為代表的新材料原始創(chuàng)新舉步維艱。
但與此同時政府也在積極推進，國家和各地方政府陸續(xù)推出政策和產(chǎn)業(yè)扶持基金發(fā)展第三代半導體相關產(chǎn)業(yè)：地方政策在2016年大量出臺，福建、廣東、江蘇、北京、青海等27個地區(qū)出臺第三代半導體相關政策（不包括LED）近30條。一方面多地均將第三代半導體寫入“十三五”相關規(guī)劃，另一方面不少地方政府有針對性對當?shù)鼐哂幸欢▋?yōu)勢的SiC和GaN材料企業(yè)進行扶持。福建省更是計劃投入500億，成立專門的安芯基金來建設第三代半導體產(chǎn)業(yè)集群。
我國多家半導體廠商也在積極布局SiC和GaN器件，華潤華晶微電子和華虹宏力就是其中的代表企業(yè)。曾經(jīng)距離收購仙童半導體那么近，可以看出華潤微電子在布局先進功率器件方面的決心和力度。華潤華晶微電子是華潤微電子旗下從事半導體分立器件的國家高新技術企業(yè)，在國內(nèi)，其功率器件的規(guī)模和品牌具有一定優(yōu)勢。華虹宏力則是業(yè)內(nèi)首個擁有深溝槽超級結(jié)（Deep Trench Super Junction，DT-SJ）及場截止型IGBT（Field Stop，F(xiàn)S IGBT）工藝平臺的200mm代工廠。中國企業(yè)已經(jīng)具備一定規(guī)模。
從分析中不難看出：
縱觀全球功率器件市場，機遇與挑戰(zhàn)并存。全球SiC產(chǎn)業(yè)格局呈現(xiàn)美國、歐洲、日本三足鼎立態(tài)勢。其中美國全球獨大，占有全球SiC產(chǎn)量的70%~80%；歐洲擁有完整的SiC襯底、外延、器件以及應用產(chǎn)業(yè)鏈，在全球電力電子市場擁有強大的話語權；日本是設備和模塊開發(fā)方面的絕對領先者。我國由于在LED方面已經(jīng)接近國際先進水平，為第三代半導體在其它方面的技術研發(fā)和產(chǎn)業(yè)應用打下了一定的基礎。
對比美歐日等發(fā)達國家，中國可以在以下幾個方面做出更大努力：
1．集中優(yōu)勢資源扶持龍頭企業(yè)和研究機構(gòu)。在我國SiC領域本身就不具備優(yōu)勢的情況下，國家和地方的投資基金卻又很分散的投入到很多企業(yè)里面去，大大分散本來就不足的研發(fā)投入，難以形成規(guī)模效應。
2．公共研發(fā)平臺的參與。第三代半導體涉及多個學科、跨領域的技術和應用。很多基礎性研發(fā)不是企業(yè)能夠解決的。國內(nèi)的研究院所大多按照領域劃分，也很難形成跨領域、多學科合作。可以以國家項目形式組織多個研究院所共同攻克基礎技術。
3．產(chǎn)業(yè)規(guī)劃先行。借助行業(yè)協(xié)會的力量，先行規(guī)劃產(chǎn)業(yè)發(fā)展線路，在標準、檢測、認證等方面內(nèi)容。是產(chǎn)業(yè)發(fā)展更趨合理性和指導性。解決現(xiàn)行標準、檢測、認證等規(guī)則、程序和新材料產(chǎn)業(yè)發(fā)展特點不匹配之處。
中國在第三代半導體材料方面要彎道超車還是受制于人？這是廣大從業(yè)者最關注的問題。高技術產(chǎn)業(yè)的振興需要我們腳踏實地地去努力，去奮斗。
第九十屆中國電子展 / IC CHINA 2017
第二屆（上海）電源半導體技術論壇
看到這里您是否還想進一步了解功率器件的技術及行業(yè)發(fā)展？在2017年10月25日，第九十屆中國電子展（CEF）及同期的第十五屆中國國際半導體博覽會（IC CHINA 2017）將推出半導體展區(qū)！包括展訊、中芯國際、華潤微電子、華虹宏力、京瓷、昂寶等多家企業(yè)參展。同期將舉辦第二屆（上海）電源半導體技術論壇！
本屆論壇以SiC、IGBT為核心議題，邀請了Infineon、ROHM、Vicor、華虹等多家業(yè)內(nèi)核心企業(yè)專家，共同探討第三代半導體功率器件、電源集成化的成熟技術及行業(yè)發(fā)展。歡迎廣大工程師和電子愛好者報名參加。
時間：2017年10月25日 13：00
地點：上海市新國際博覽中心（花木路）四號館
論壇官網(wǎng)： http://shanghai.icef.com.cn/news1659.html%20
報名鏈接： http://www.zhihuihuiwu.com/event/sign/4186
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