23、第三代半导体：为什么那么多SiC晶圆厂拔地而起

《第三代半导体：为什么那么多SiC晶圆厂拔地而起》

透视中国芯，探索引爆点，喜马拉雅的听众朋友们大家好，我是本期内容的主讲人赵新，我在四川大学教微电子。今天我们要跟大家一起分享和讨论的是以SiC为代表的第三代半导体材料及其相关的公司。

首先我们来了解一下什么是第三代半导体？第三代半导体又称宽禁带半导体化合物，以碳化硅为例，它的禁带宽度是3.2ev, 是第一代半导体硅的3倍左右。由于这一的特性带来了其高频，高压和抗辐照的特点。更加适合电动汽车和高铁中功控电路系统的应用。

有的听友可能会问，赵老师，ev是啥？禁带宽度为什么会带来这么大的电学特性的改变呢？回答这个问题只需要搞懂一个概念就行，那就是“禁带”。我们知道，金属之所以容易导电是因为它的导带和价带是重叠的，这意味着电子可以非常容易地在二者之间移动。而绝缘体之所以大多数情况下不导电，是因为它的导带和价带之间的间距太大，电子无法逾越这么宽的鸿沟，而这个间距我们称之为禁带宽度。而半导体呢，其“半”字的意思就是有时可以导电，有时无法导电。在外加电压足够大时，价带上的电子获得足够高的能量就能越过禁带跃迁到导带上，从宏观上讲就是半导体导电了，半导体对应的晶体管有电流产生了。那么针对于不同的半导体材料，电子跨越的禁带宽度是不同的，硅材料是1.12ev，第二代的砷化镓是1.4ev, 锑化铟是1.3ev,其中电子伏特，它是能量的单位。因此相对的我们称硅是窄带半导体。正是因为禁带宽度比硅更大，第二代半导体才在频率和温度特性上优于硅材料的晶体管。技术发展到21世纪的今天，随着像特斯拉这样的电动汽车的兴起，作为汽车功控核心的单元器件--功率半导体晶体管的工作电压越来越高，约为1500V~1700V左右。这一点与我们在第十讲和第二十讲中的内容相呼应，大家感兴趣的话可以再听一下。而为了满足高功率和高电压的需求，禁带宽度更大的第三代半导体被研发出来，比如碳化硅（SiC）、氮化镓（GaN）等，他们对应的禁带宽度分别为3.2和3.39ev，像之前所讲几乎是硅的3倍，带来的耐压特性分别是硅的7倍和11倍。而比电动汽车要求更高的是高铁，2010年中国北车永济电机公司就为我国的高铁研制出了6500V/600A的绝缘栅双极型晶体管IGBT，这是世界上电压等级最高的产品，其各项指标都达到了国际标准。从而打破了国外核心技术的长期垄断，为中国高铁走向世界奠定了技术基础。而其背后的主要贡献者就是第三代半导体。此外，频率特性随着禁带宽度的增加也进一步提高，氮化镓（GaN）的Baliga高频优值BHFOM是硅的77.8倍。碳化硅（SiC）的Baliga优值BFOM是硅的223倍。比较完了各代半导体的性能和特点，我们来比较一下同属第三代半导体的碳化硅和氮化镓，前者相对氮化镓发展更早一些，技术成熟度也更高一些；两者有一个很大的区别是热导率，这使得在高功率应用中，碳化硅占据统治地位；同时由于氮化镓具有更高的电子迁移率，因而能够比碳化硅或者硅具有更高的开关速度，在高频率比如5G通信领域，氮化镓具备优势。

除了在高压和高频领域具有优势以外，第三代半导体在抗辐照方面也有着优异的性能。很多听友可能会问，抗辐照不是应该外太空的事吗？跟我们的生活有什么关系呢？有，而且关系很大。2015年3月18日和6月23日地磁暴在京港的客运专线鹤壁东站轨道电路回路上产生了较大的影响，电路回路的GIC最大值分别为1.30和1.80 A,小地磁暴产生的PSP会超过油气管道的阴极保护装置的启动限值。也就是说地磁暴的辐照会对高铁中的电路造成影响，甚至导致突然停车的现象。其实，不仅是高铁，地表上的所有电子设备都可能不同程度地受到地磁暴的影响。有的影响重新开机就解决了，有的影响却是永久的。因此第三代半导体在抗辐照方面的性能，将为我国的国计民生保驾护航。

这里我们要回头强调一点的是，其实用第几代来形容这些半导体并不是十分合适。他们彼此之间并不是后者完全替代前者的意思。其实真实情况是，针对于不同领域的设计要求采用不同的材料来设计晶体管而已。集成电路领域，显然硅更适合。电动汽车和高铁的功控领域第二代和第三代的用武之地更多一些。

OK,说了这么多第三代半导体的好，我们来看它的另外一面，那就是具体的商业应用和成本。以SiC为例，SiC的研发起始于20世纪70年代，在2001年首次实现了SBD的商用，2010年实现了MOSFET的商用，2020年已经出现了IGBT的商用。目前SiC器件的价值主要体现在新能源车上，具体组成的电路模块为功率控制单元(PCU)、逆变器，DC-DC转换器、车载充电器等。相较于硅材料，碳化硅使得新能源汽车节省77%的能量损耗。据预测到2023年，SiC功率半导体的市场总额将达到30亿美元，到2027年将达到172亿美元，是2017年的46倍。成本方面，相较于硅片，根据赵老师的亲身经历，6英寸的硅片也就是几十块钱，但是同样大小的碳化硅晶片却要上万块钱。之所以这么贵是因为其高昂的研发和制造成本，以及物以稀为贵带来的市场定价。

从国际上看，各大芯片公司也纷纷对第三代半导体进行了产业布局，2018年12月，英飞凌与美国的化合物半导体业领先者科锐公司（CREE）签署了长期协议，科锐将向英飞凌供应150mm碳化硅晶圆，帮助英飞凌积极拓展光伏逆变器和新能源汽车领域的产品供应。2019年，意法半导体收购了瑞典碳化硅晶圆厂商Norstel AB。意法半导体总裁兼CEO Jean-Marc Chery表示，在全球碳化硅产能受限的环境下，并购Norstel将有助于增强ST内部的碳化硅生态系统，保证意法半导体的晶圆供给量，满足汽车和工业客户未来几年增长的MOSFET和二极管需求。 为了满足包括英飞凌和意法半导体等公司的长期订单，2019年5月，科锐投资10亿美元在美国总部北卡罗莱纳州达勒姆市建造了自动化生产8 英寸碳化硅晶圆的工厂。2019年9月在美国纽约Marcy建造满足车规级标准的8英寸碳化硅功率和射频工厂。

放眼国内，在即将公布的第十四个五年计划，也就是第十四五规划中，第三代半导体不仅在列，而且是作为2021-2025年的发展重点。届时将有相关的财政支持。其实目前各级政府对芯片产业的补贴就已经很高了，以长电科技为例，2019年公司归属余上市公司股东的净利润是8866万元，计入当期损益的政府补助为多少呢？29606万元。据说，我国还要投放9.5万亿全力发展第三代半导体产业。这么一个大蛋糕砸过来，很多企业一拥而上，争先恐后地快手向政府要钱。一时间，连之前从来都没做过芯片的建筑安装，糖品贸易、采暖设备，甚至医疗美容等企业也都吵吵着要做芯片。某些连年亏损的上市公司，一声称要进军芯片行业，开盘后立马就“一”字涨停。还有某些公司，对外宣传引进最先进的国外技术，立志进军该领域前三，但到头来连个厂房都没建好就不了了之了。半导体行业技术壁垒高、投资金额大、投资周期长，不是光靠砸钱、靠立军令状、靠政策扶持、靠几个专家就可以实现超越的。研究芯片注定是一个相当漫长且痛苦的过程，而非短平快就能奏效的。

当然，我们不能因此就说所有的企业都是“骗子”。第三代半导体相关领域还是有一些做实事儿的公司的。以碳化硅为例，比如从事衬底片的国内厂商主要有三安光电、天科合达、山东天岳等；从事碳化硅外延生长的厂商主要有瀚天天成和东莞天域等；从事碳化硅功率器件的厂商比较多，包括我们之前所讲的华润微、扬杰科技、泰科天润、绿能芯创、上海詹芯等。

当然，必须承认，我国在第三代半导体上与国际先进水平在产业链上是有着不同程度的差距的，特别是碳化硅产品的良率还有待于进一步提高。特别由于疫情原因，欧洲这个新能源汽车的重要市场的预期还不明朗。但是从长远来看，第三代半导体必将在我国芯片发展中扮演着重头戏的角色。

好，最后让我们总结一下今天学习的内容，我们讲解了第三代半导体的概念和含义，讨论了以碳化硅为代表的国内外相关公司。分析了国内外的产业动向，并对第三代半导体的相关产业进行了评估。希望通过本讲课程的学习大家能够对第三代半导体有更多角度的认知和理解，今天的节目就到这里，欢迎大家在留言区与我们互动。本节目所采用的数据均来自公开信息，不做个股推荐，股市有风险，投资需谨慎。感谢艾新教育和喜马拉雅为我提供这样的平台与大家分享和讨论芯片相关的知识和讯息。就像听友“balam2017”在留言区所说，“这是个让人能反复听的好节目”。相信能够认真完整听完我们节目的听友，都会变成芯片产业的“小专家”!