站在“新基建”浪潮上的第三代半导体产业 (下)

在上一期的 祥峰报告 | 站在“新基建”浪潮上的第三代半导体产业 (上) 中，我们围绕“新基建”的核心材料——第三代半导体做了概述，对当下规模化商用最主要的氮化镓 (GaN) 器件和碳化硅 (SiC) 器件加以解构。

在本次报告的下篇，我们将进一步归纳总结第三代半导体芯片在产业链的各个环节 (衬底、外延、设计、制造、封装) 的关键技术，梳理国内外主要厂商，并对本次第三代半导体产业研究报告做以总结。

第三代半导体产业研究

- 下篇-

作者 | 任刚、王飞

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第三代半导体芯片产业链：衬底、外延、设计、制造、封装

GaN和SiC芯片的产业链与硅芯片类似，主要分为晶圆衬底、外延、设计、制造和封装等环节。

半导体芯片产业链

衬底

当前的GaN器件的常用衬底有以下4种：

• Si衬底：半导体产业发展最成熟衬底，应用最广，晶体质量高、尺寸大、成本低、易加工，价格便宜，目前GaN产品上使用的Si衬底基本是6英寸的，也有部分公司实现8英寸的商用。

• 蓝宝石衬底（Al2O3）：生产技术成熟、器件质量、稳定性都较好，能够运用在高温生长过程中，机械强度高，易于处理和清洗，广泛应用于LED产业。

• SiC衬底：按照晶体结构主要分4H-SiC和6H-SiC，4H-SiC为主流产品，按照性能主要分为半导电型和半绝缘型。硅片拉晶时和单晶种子大小无关，但是SiC的单晶种子的尺寸却直接决定了SiC的尺寸，目前主流尺寸是4-6英寸，8英寸衬底已由II-VI公司和Cree公司研制成功。半导电型SiC衬底以n型衬底为主，主要用于外延GaN基LED等光电子器件、SiC基电力电子器件等。半绝缘型SiC衬底主要用于外延制造GaN高功率射频器件。SiC衬底市场的主要供应商有美国Cree（Wolfspeed）、DowCorning、日本罗姆、美国II-VI、日本新日铁住金、瑞典Norstel（中国资本收购）等。Cree公司的SiC衬底占据整个市场40%左右的份额，其次为Ⅱ-Ⅵ公司、日本ROHM，三者合计占据75%左右的市场份额，国内有山东天岳、天科合达等公司。6”半导电型衬底均价约为1200美元，6”衬底价格在4”衬底价格2倍以上。

• GaN单晶衬底：主流产品以2~4英寸为主，6英寸甚至8英寸的也已经实现商用。GaN衬底主要由日本公司主导，日本住友电工的市场份额达到90%以上。我国目前已实现产业化的企业包括苏州纳米所的苏州纳维科技公司和北京大学的东莞市中镓半导体科技公司。

以下重点对三种衬底做详细分析。

SiC硅衬底 

90%以上的集成电路芯片是用硅片作为衬底制造出来的，整个信息产业就是建立在硅材料之上。

单晶硅制备流程：硅石（SiO2）> 工业硅（粗硅）> 高纯的多晶硅 > 硅单晶。

大尺寸硅片是硅片未来发展的趋势，目前8英寸硅片主要用于生产功率半导体和微控制器，逻辑芯片和存储芯片则需要12英寸硅片。2018年12英寸硅片全球市场份额预计为68.9%，到2021年占比预计提升至71.2%。12英寸硅片主要被NAND和DRAM需求驱动，8英寸主要被汽车电子和工业应用对功率半导体需求驱动。长期看12英寸和8英寸依然是市场的主流。

半导体硅片投入资金多，研发周期长，是技术壁垒和资金壁垒都极高的行业。目前全球硅片市场处于寡头垄断局面。2018年全球半导体硅片行业销售额前五名企业的市场份额分别为:日本信越化学28%，日本SUMCO 25%，中国台湾环球晶圆14%，德国Siltronic13%，韩国SKSiltron9%，前五名的全球市场市占率接近90%，市场集中度高。

资料来源：华经情报网，智研资讯，中港证券研究所

SiC衬底

目前生长碳化硅单晶最成熟的方法是物理气相输运（PVT）法（升华法），又称改良的Lely法，其生长机理是在超过2000 ℃高温下将碳粉和硅粉升华分解成为Si原子、Si2C分子和SiC2分子等气相物质，在温度梯度的驱动下，这些气相物质将被输运到温度较低的碳化硅籽晶上形成碳化硅晶体。通过控制PVT的温场、气流等工艺参数可以生长特定的4H-SiC晶型。单晶棒再进行切割、抛光等工艺，制作成衬底片。

「高质量、大尺寸的碳化硅单晶材料是碳化硅技术发展首要解决的问题，持续增大晶圆尺寸、降低缺陷密度（微管、位错、层错等）是其重点发展方向。」

* SiC原料部分处于高温中，温度大约在2400～2500摄氏度，碳化硅粉逐渐分解或升华，产生Si和Si的碳化物混合蒸汽，并在温度梯度的驱使下向粘贴在坩埚低温区域的籽晶表面输送，使籽晶逐渐生长为晶体。

GaN衬底

因为氮化镓材料本身熔点高，而且需要高压环境，很难采用熔融的结晶技术制作GaN衬底，目前主要在Al2O3蓝宝石衬底上生长氮化镓厚膜制作的GaN基板，然后通过剥离技术实现衬底和氮化镓厚膜的分离，分离后的氮化镓厚膜可作为外延用的衬底。这种基板以前的主流是2英寸口径，现在出现了4～6英寸的基板。优点是位错密度明显低，但价格昂贵，因此限制了氮化镓厚膜衬底的应用。

氨气相法（或HVPE法）：利用氨气相法需要1000℃以上的生长温度。因此，作为在高温氨气下特性依然稳定的基板，单晶蓝宝石（Al2O3）受到关注。由于GaN与蓝宝石的化学性质（化学键）、热膨胀系数和晶格常数相差较大，在蓝宝石上生长的GaN晶体表面像磨砂玻璃一样粗糙。而且晶体缺陷非常多，无法获得能够用于半导体元件的高品质GaN。1986年，名古屋大学工学部教授赤崎勇开发出了“低温堆积缓冲层技术”。该技术利用氮化铝（AlN）作为缓冲层进行堆积，可以在蓝宝石基板上生长晶体缺陷少而且表面平坦的GaN晶体。

GaN衬底生产工艺

*导入缓冲层提高晶体品质。在蓝宝石基板上直接生长GaN时，会零散地生长一些微小晶体，因此GaN晶体的表面比较粗糙（a）。通过在蓝宝石基板与GaN晶体之间设置“低温堆积缓冲层”，便可获得平坦的GaN晶体（b）

外延

GaN外延

外延生长（Epitaxy），是指在原有半导体晶片之上生长出新的半导体晶体层的技术。主要用CVD（Chemical Vapor Deposition，化学气相沉积）设备，或者MBE（Molecular Beam Epitaxy，分子束外延）设备实现。原有的晶体称为衬底（substrate），生长出的新晶体层称为外延层。

「GaN衬底材料的成本是限制GaN器件商业化应用的主要因素。」

由于GaN材料硬度高，熔点高等特性，衬底制作难度高，位错缺陷密度较高导致良率低，技术进步缓慢。因此GaN晶圆的成本仍然居高不下

2005年2寸的GaN衬底片成本2 万美元，现在GaN2寸衬底价格仍然在3000美元水平。对比之下，4寸GaAs衬底成本仅需100-200人民币

采用外延技术，可以将GaN生长在SiC、Si、蓝宝石、金刚石等其他材料衬底上，有效的解决GaN衬底材料的限制问题。GaN on SiC和 GaN on Si是未来的主流技术方向。

GaN on Si

GaN on Si：在Si基板衬底上制作GaN晶体，也能使用和在蓝宝石衬底上生长的低温堆积缓冲层技术，实现与蓝宝石基板上的GaN基本相同的晶体缺陷密度（贯通位错密度）。但由于Si基板衬底与GaN性质差异更大，在Si基板上制造时的难题更多的是热膨胀系数差导致的裂纹。GaN与Si的热膨胀系数差较大，因此在生长GaN后进行冷却时会产生非常大的应力，导致有裂纹产生。

GaN on Si外延生长上可采用多层构造防止裂纹：在GaN层与Si基板之间设置AlGaN/GaN多层构造的“形变控制技术”来防止裂纹。

目前实现了产品化的GaN功率元件大多是在口径6英寸的Si基板上制造，至少6英寸口径的基板已经解决了裂纹问题。想要进一步降低价格，就必须扩大口径。以比利时微电子研究中心（IMEC）为首，全球正在推进采用8英寸Si基板的GaN开发。日本英达公司已与Transphorm公司签订了GaN功率元件的前工序生产受托合同，将在日本英达的筑波事务所导入支持8英寸基板生产的前工序生产线。

「国内英诺赛科也宣称实现了8英寸GaN on Si外延生长。」

GaN-on-Si未来主要有两条发展路径：

第一是向大功率器件方向发展，通过系统级封装做成模块化产品。

第二是在中低功率领域SoC化，集成更多被动元件、射频驱动等。业界有厂商已经实现了驱动IC和GaN开关管的集成，进一步降低用户的使用门槛

目前主流的GaN技术厂商都在研发以Si为衬底的GaN的器件，提升外延质量，期望替代昂贵的SiC衬底。

GaN on SiC

GaN on SiC：同样在GaN on SiC上做外延生长需要注意晶格失配和热膨胀不匹配原因造成的裂纹或弯曲，从而影响GaN器件的性能和良率。目前转移和协调释放SiC基板上制备GaN外延材料失配应力的方法有：应力协变层技术（包括缓冲层、柔性层、插入层等）和图形衬底技术。

GaN on SiC外延，SiC衬底散热性更好，而且与氮化镓晶格不匹配问题比Si小。限制在于SiC衬底晶圆的尺寸还做不大，目前尚未超过6寸。

采用SiC为衬底的GaN外延生长方法示例：

MOCVD生长依次将氮化钛层、氮化铝层和氮化镓层沉积在SiC衬底上，气氛是以三甲基镓(TMGa)、三甲基铝(TMAl)、三甲基钛(TDEAT)和氨气(NH3)分别作为Ga、Al、Ti和N源，以氢气(H2)为载气。

首先，将SiC衬底置于1200oC反应室进行前烘300s，降温至500oC，通入氨气8000sccm对衬底进行氮化；

然后通入TDEAT三甲基钛气体，流量控制在40sccm，并继续通入氨气8000sccm，时长80s，进行氮化钛沉积，250s进行复原；

然后通入TMAl三甲基铝气体50sccm，10000sccm氨气，时长100s，进行氮化铝沉积；

最后通入TMGa三甲基镓气体。80sccm，15000sccm氨气，时长150s，进行氮化镓沉积，对反应室气氛复原，完成缓冲层生长。

*各家GaN外延生长方法knowhow不一样，属于机密配方

图形衬底技术：对复合缓冲层进行感应耦合等离子体（ICP）刻蚀技术做图形化刻蚀孔形、柱形、条形的一种或多种，并周期性排列，图形由窗口区域和台面区域组成，图形深度小于复合缓冲层厚度，外延生长GaN时，气体原子在台面上反应成核，衬底上被可使的部分即窗口区域，不易成核，膜层沿垂直台面方向生长，在纵向生长的同时也进行横向生长，随着厚膜的生长，相邻台面的横向生长区域可以达到合并，当横向生长达到一定程度后氮化镓外延层便能覆盖整个缓冲层表面。图形衬底技术利用纵向生长和横向生长的合并，可以降低或抑制位错在氮化镓外延层的延伸，从而提高氮化镓外延层的晶体质量。

设计

在硅基芯片中，EDA工具随着摩尔定律一起发展多年，已经形成了相当成熟和极为复杂的一套设计工具。由于CMOS器件工艺标准化程度极高，EDA工具更加侧重电路级的仿真。

在GaN和SiC芯片领域，设计和仿真更偏重器件级，以及更类似简单硅基模拟电路，核心原因是：

GaN和SiC的材料特性主要体现在器件层面，包括对MOSFET、HEMT等器件结构设计的优化
GaN和SiC芯片的主要使用场景，包括RF和Power，都是模拟芯片场景
GaN和SiC发展较晚，且长期以来器件的进展比较缓慢，目前还没有发展到大规模集成电路阶段

以GaN射频为例：

无源电路主要用ANSYS的HFSS，Integrand公司旗下的EMX，是德科技旗下的ADS Momentum等仿真工具

有源电路通常采用Foundry提供的有源器件model，因为有源电路的仿真准确度较低

器件物理级别的仿真，最常用的是Synopsis旗下的Sentaurus，包括器件仿真、制程仿真等功能非常完善。此外，Comsol也是一个优秀的仿真工具。但这些仿真基本上只能模拟直流特性

器件的高频特性，或者说高频model，一般都是依赖设计者自己画测试结构，实际测试并提取参数，这样最准确。仿真一般只能模拟单个特征频率或者截止频率

行业领先的GaN/SiC公司如Infineon、Qorvo、GaN Systems、Modelithics也都在积极开发自己的设计工具和模型库。

制造

GaN和SiC芯片的制造是产业链的核心环节。其制造过程与硅基芯片类似，都需要复杂的半导体芯片制造工艺和流程，基本上每一类工艺都对应一种专用的半导体芯片设备，在微米和纳米尺度进行制造。

芯片制造环节最重要的是产品良率、生产效率、稳定性。由于处理的材料不同和结构不同，制造设备之间也无法通用。因此，GaN器件、SiC器件都必须建立独立专用的制造产线。

半导体芯片主要制造工艺及对应设备 (1/2)

*：核心工艺和设备

半导体芯片主要制造工艺及对应设备 (2/2)

*：核心工艺和设备

光刻 (Photo Lithography)

光刻工作原理：将芯片设计版图先制作在光掩膜板上（通常是氧化铬板），再以光掩膜版作为阻挡，对晶圆上涂覆的光刻胶进行曝光。被曝光的区域化学性质改变，通过显影去除后，设计版图即转移到被掩膜版阻挡的光刻胶上。

掩膜板的最小线宽基本上决定了芯片的关键尺寸，也就是工艺节点，因此光刻是芯片制造中最关键的设备。

光刻机行业高度集中，荷兰ASML、日本尼康和佳能三足垄断。ASML是行业霸主，在EUV和浸润式高端光刻机市场独家垄断。尼康和佳能则主要占据中低端市场。

光刻设备的核心部件主要包括光源、光学透镜组、对准系统。光源的波长越短，可达到的最小线宽分辨率越低 ，设备单价也越高。

其它提高光刻分辨率的主要技术有移相掩膜(PSM)、邻近效应修正(OPC)、驻波效应修正(SWC)、浸润式光刻(Immersion)、双重曝光(Double Patterning)、运算光刻等。

光刻胶材料必须与光源匹配，也是决定关键尺寸的非常重要的因素，一般由光刻设备厂商和光刻胶厂商合作开发。

对于GaN和SiC而言，其芯片制程没有发展到40nm以下的先进制程，因此产线对光刻设备的要求相对Si CMOS集成电路而言要低很多。

刻蚀 (Etching)

刻蚀是用化学或物理方法有选择地从硅片表面去除不需要的材料的过程。刻蚀的基本目标是在涂胶的硅片上正确地复制掩膜图形。

光刻结果如果不合格，可以将光刻胶掩膜洗掉重新进行光刻，所以是可逆的，而刻蚀是不可逆的，一旦刻蚀步骤失败，整个晶圆即报废，给晶圆厂造成很大经济损失。因此刻蚀设备的工艺重复性要求极高。

资料来源：中微半导体招股书

刻蚀工艺通过刻蚀设备来实现。干法刻蚀是刻蚀制程的绝对主流，其原理是通过等离子体对材料的物理轰击激活，并同时发生化学反应，产生可挥发的产物，达到对材料的去除。

根据不同的刻蚀材料和结构，需要使用的刻蚀化学气体和物理条件有极大差异，因此刻蚀设备在生产线上也是专用程度极高，在不同材料体系之间几乎不可能复用。

资料来源：行业访谈

薄膜沉积 (Deposition)

薄膜沉积设备的作用是在基底材料上进行薄膜的沉积，这些不同材料的薄膜构与外延材料一起，构成了芯片的基本材料结构。

通常芯片的制造过程会用到几十次薄膜沉积制程，不同材料的薄膜有绝缘、导电、掩膜、发光、物理支撑等多种用途。

半导体设备行业格局和主要设备厂商

总体来看，芯片制造的绝大多数核心设备都被国外厂商垄断，具有极高的技术壁垒。2018年，前五家企业 AMAT、ASML、Lam Research、TEL、KLA市占率合计为 71%。

按照设备种类细分，每一类设备产品也被前1-4家公司寡头垄断。

关键工艺的核心设备是第三代半导体芯片发展的一个重要因素。

封装

封装是把制作集成电路之后的晶圆转变为一个个芯片成品的过程。封装厂独立于晶圆制造厂，使用标准化的工艺流程和多种专门设备。

封装测试的核心设备毛利率远高于非核心设备，目前仍被国外公司垄断。中低端封装设备国产化率较高。

对于GaN和SiC芯片，封装技术与形式与Si芯片类似。且由于不必用最先进的制程，也不需要BGA、CSP、WLP等先进封装技术。但是由于高温、高频等特性，其具体封装材料选择等方面也存在一定的技术knowhow。

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国内外GaN器件和SiC器件产业链主要公司

全球GaN器件产业链主要公司

全球GaN器件产业链主要公司：Qorvo

Qorvo成立于2015年，由射频行业两家厂商RFMD和TriQuint合并而来，全球领先的射频IDM厂商，拥有自己的晶圆代工厂和封测厂，公司主要为移动终端、 基础设施、航空航天、国防等领域提供RF解决方案，产品包括放大器、滤波器、双工器、无源器件等射频芯片

2019年三季报Qorvo共实现营收24.51亿美金，同比增长1.7%，非GAAP毛利率42.4%；公司收入分为MP(Mobile Products，占比约75%，主要客户苹果、华为、三星等移动业务)和IDP(Infrastructure and Defense Products，占比约25%，主要服务国防、wifi、5G基础设施客户)两大块

Qorvo是GaN芯片领导厂商，尤其在国防和基础设施领域，Qorvo在2017年就最早推出39Ghz双通道GaNFEM，2018年推出业内最强GaN-on-SiC晶体管Transistor，公司有望在GaN领域实现业务快速增长

全球GaN器件产业链主要公司：Infineon

Infineon公司于1999年从西门子集团的半导体部门独立出来，在德国慕尼黑正式成立，2000年上市，是全球领先的半导体公司之一。公司为有线和无线通信、汽车及工业电子、内存、计算机安全以及芯片卡市场提供先进的半导体产品及完整的系统解决方案。

公司2018年营收达到75.99亿欧元，毛利率40%，净利润17.8%，同比增长10.7%，其中功率器件占比约68%、传感器和射频器件占比15%、嵌入式控制器占比约17%。

Infineon是电源器件尤其是功率半导体的全球领导者（infineon在2019年全球功率半导体市场占比19%排名第一，细分IGBT、MOSFET市场更是占比达27%和28%），也是市场上唯一一家提供覆盖硅、碳化硅和氮化镓等材料的全系列功率产品的公司，拥有高性价比的第七代CoolMOSTM、基于第三代宽禁带半导体的高性能CoolSiCTM与 CoolGaNTM，公司主做6英寸SiC和GaN产线，8英寸GaN产线在准备中，GaN和SiC产能占比约10%（Si占90%），但在GaN和SiC产品上依然面临提升良率、可靠性、降成本等挑战。

全球SiC器件产业链主要公司

SiC厂商以全产业链的IDM巨头为主。全球大部分市场份额被Infineon、Cree、罗姆、意法半导体等少数企业瓜分。

Cree占据衬底市场约40%份额、器件市场约23%份额；Cree和Infineon共占器件市场的70%。

全球SiC器件产业链主要公司：Cree (Wolfspeed)

Cree科锐成立于1987年，是美国上市公司（1993年，纳斯达克）。当前市值48亿美元。

Cree在早期以LED材料与元件起家，其核心优势是全球领先且不断创新的SiC材料技术。晶型由6H扩展到4H；电阻率由低阻到半绝缘；尺寸由2寸到6寸。公司近年来开始谋求向功率和射频器件进行转型。

Cree旗下子公司Wolfspeed是全球最领先的碳化硅晶圆和外延晶圆制造商，完整覆盖从SiC衬底、外延，到SiC肖特基二极管、SiC MOSFET 元件以及模块的全产业链， 在市场占据主导地位 。Cree的SiC衬底占据了全球市场近40%份额 ，在SiC器件领域的市场份额达到62%。（Yole2019报告）

在GaN射频器件市场，Wolfspeed市场份额位居第二，具备十年以上的GaN HEMT 生产经验，出货量超过1500万只。

Wolfspeed同时提供GaN-on-SiC代工服务，改变了行业传统的IDM模式。

2016年Infineon曾试图收购Wolfspeed， 但被美国政府以危害国家安全为由予以否决。

2019年1月，Cree宣布与意法半导体签署了一份多年供货协议 ，为意法半导体供应SiC衬底和外延晶圆 ，总价值达到2.5亿美元。该合作将加速SiC在汽车和工业两大市场的商用。

全球SiC器件产业链主要公司：Infineon

Infineon是市场上唯一一家提供涵盖Si、SiC和GaN等材料的全系列功率产品的公司，开发的CoolSiC技术具备非常大的潜力。

Infineon于1992年开始SiC领域研发，2001推出全球首个商业化SiC二极管，2006年推出全球首个采用SiC组件的商用电源模块，目前已经已经发展至第五代。

国内GaN芯片产业链

国内GaN芯片公司大多都是IDM模式，横跨外延、设计、制造全链条。轻资产的Fabless公司较少。

国内SiC芯片产业链

国内SiC产业仍然以衬底、外延、制造环节为主，轻资产的Fabless公司很少。行业总体仍处于起步阶段。

近年来国内已初步建立起相对完整的碳化硅产业链体系，追赶速度在加快。

单晶衬底方面，目前国内可实现4英寸衬底的商业化生产，山东天岳、天科合达、同光晶体均已完成6英寸衬底的研发，中电科装备研制出6英寸半绝缘衬底。

外延方面，国内瀚天天成和天域半导体均可供应4-6英寸外延片，中电科13所、55所亦均有内部供应的外延片生产部门。

芯片设计与制造方面，国内600-3300VSiC-SBD已开始批量应用，有企业研发出 1200V/50ASiC-MOSFET；泰科天润已建成国内第一条SiC器件生产线，SBD产品覆盖 600V-3300V的电压范围；中车时代电气的6英寸SiC生产线也于2018年1月首批芯片试制成功。