站在“新基建”浪潮上的第三代半导体产业 （下）

本文为祥峰投资对第三代半导体产业研究内容，其中包含了各材料性能对比与材料应用范围，方便从底层了解半导体产业发展，系列文章较长，建议收藏阅读。本文为上篇，上篇请点击：第三代半导体产业（上）

在上一期的“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。

1、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。

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

（编辑：核心网）

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