面對(duì)窗口期，第三代半導(dǎo)體如何發(fā)力？

張心怡

在日前于南京舉辦的世界半導(dǎo)體大會(huì)第三代半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)發(fā)展高峰論壇上，與會(huì)專家紛紛表示，近年來我國(guó)第三代半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)發(fā)展進(jìn)程較快，基本形成了從晶體生長(zhǎng)到器件研發(fā)制造的完整產(chǎn)業(yè)鏈。同時(shí)，我國(guó)在高速軌道交通、新能源汽車、5G應(yīng)用等第三代半導(dǎo)體關(guān)鍵市場(chǎng)的增速位居全球前列，為第三代半導(dǎo)體帶來巨大的發(fā)展空間和良好的市場(chǎng)前景，將催生上萬(wàn)億元潛在市場(chǎng)。第三代半導(dǎo)體為何如此被看好，有哪些重點(diǎn)應(yīng)用方向？我國(guó)第三代半導(dǎo)體企業(yè)該如何抓住發(fā)展機(jī)遇，提升生存和競(jìng)爭(zhēng)能力？

未來半導(dǎo)體的重要方向

材料貫穿了半導(dǎo)體的整個(gè)生產(chǎn)流程，是半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)鏈的重要支撐。相比鍺、硅等第一代半導(dǎo)體，砷化鎵、磷化銦等第二代半導(dǎo)體，以碳化硅、氮化鎵為主的第三代半導(dǎo)體具備耐高溫、耐高壓、抗輻射等特點(diǎn)，特別適合制造微波射頻、光電子、電力電子等器件。

第三代半導(dǎo)體為何如此被看好？賽迪顧問新材料產(chǎn)業(yè)研究中心副總經(jīng)理?xiàng)钊鹆罩赋觯捎趥鹘y(tǒng)工藝和硅材料逼近物理極限，技術(shù)研發(fā)費(fèi)用劇增，制造節(jié)點(diǎn)的更新難度越來越大，“摩爾定律”演進(jìn)開始放緩。第三代半導(dǎo)體材料是“超越摩爾定律”的重要發(fā)展內(nèi)容，也是未來半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)發(fā)展的重要方向。

現(xiàn)階段，第三代半導(dǎo)體器件還難以在成本上與硅器件匹敵。但從長(zhǎng)遠(yuǎn)來看，第三代半導(dǎo)體在成本控制上展現(xiàn)出更強(qiáng)的潛力。一方面，由于硅材料的開發(fā)逼近極限，降價(jià)空間所剩無(wú)幾，而第三代半導(dǎo)體隨著市場(chǎng)規(guī)模持續(xù)提升，成本仍有較大的下調(diào)空間。另一方面，第三代半導(dǎo)體有利于降低電力系統(tǒng)的整體成本和能源消耗。

“基于碳化硅高頻高效能、損耗小的特性，系統(tǒng)中的電感、電容、散熱器體積可以做得更小。目前碳化硅應(yīng)用還集中在高端應(yīng)用市場(chǎng)，一且到達(dá)‘甜蜜點(diǎn)，也就是價(jià)格降到硅器件2.5倍左右，就能降低系統(tǒng)的整體成本，實(shí)現(xiàn)對(duì)功率器件市場(chǎng)的加速滲透。”基本半導(dǎo)體總經(jīng)理和巍巍向《中國(guó)電子報(bào)》表示。

新基建帶來廣闊空間

從20世紀(jì)80年代起，第三代半導(dǎo)體材料催生了照明、顯示、藍(lán)光存儲(chǔ)等光電領(lǐng)域的新需求和新產(chǎn)業(yè)。近十年來，第三代半導(dǎo)體材料應(yīng)用的熱點(diǎn)轉(zhuǎn)向電子器件領(lǐng)域，在光伏逆變器、電動(dòng)汽車驅(qū)動(dòng)模塊、UPS、電力變換、電機(jī)驅(qū)動(dòng)等涉及電力、電器、電子和新能源的領(lǐng)域都有著重要的應(yīng)用。

今年以來，小米、華為、OP-PO、魅族等終端廠商接連推出氮化鎵快充，迅速提升了第三代半導(dǎo)體在消費(fèi)市場(chǎng)的用戶認(rèn)知度。使用氮化鎵和碳化硅的電源產(chǎn)品具有變頻效率高抗高溫、高能效、輕量化等特點(diǎn)。隨著家電節(jié)能和能耗要求越來越嚴(yán)，使用第三代半導(dǎo)體作為電源或家電變頻器將成為必然選擇。

而新基建的提出，再次讓第三代半導(dǎo)體站上風(fēng)口。在新基建的范疇中，5G、特高壓、軌道交通、新能源汽車四個(gè)領(lǐng)域與第三代半導(dǎo)體息息相關(guān)。

在5G基站領(lǐng)域，氮化鎵是最具增長(zhǎng)潛質(zhì)的半導(dǎo)體材料之一，將加速滲透5G基站所需的射頻功率放大器市場(chǎng)。研究機(jī)構(gòu)Yole指出，5G商用宏基站以64通道的大規(guī)模陣列天線為主，單基站PA需求達(dá)到192個(gè)，預(yù)計(jì)2023年氮化鎵射頻器件市場(chǎng)規(guī)模將達(dá)到13.24億美元。

對(duì)于碳化硅產(chǎn)業(yè)，新能源汽車是未來幾年最重要的市場(chǎng)驅(qū)動(dòng)力。《電動(dòng)汽車充電基礎(chǔ)設(shè)施發(fā)展指南（2015-2020年）》指出，到2020年，新增集中式充換電站超過1.2萬(wàn)座，分散式充電樁超過480萬(wàn)個(gè)，以滿足全國(guó)500萬(wàn)輛電動(dòng)汽車充電需求。一方面，碳化硅器件可以實(shí)現(xiàn)更高的功率密度、更小的體積，滿足充電樁體積小且支持多輛車快速充電的需求;另一方面，采用碳化硅MOSFET（金氧半場(chǎng)效晶體管）的新能源汽車逆變器，能從電池、車內(nèi)空間占用、冷卻系統(tǒng)等方面節(jié)約電動(dòng)汽車的總體成本。

碳化硅高溫、高頻、低損耗的特性，也將在特高壓和軌道交通領(lǐng)域發(fā)揮作用。目前碳化硅已經(jīng)在中低壓配電網(wǎng)啟動(dòng)應(yīng)用，未來，更高電壓、更大容量、更低損耗的柔性輸變電對(duì)萬(wàn)伏級(jí)以上的碳化硅功率器件存在大量需求。同時(shí)，將碳化硅應(yīng)用于軌道交通牽引變流器，將推動(dòng)牽引變流器裝置的小型化、輕量化發(fā)展，減輕軌道交通的載重系統(tǒng)，推動(dòng)軌道交通的綠色、智能化發(fā)展。

與國(guó)際先進(jìn)水平仍存差距

第三代半導(dǎo)體的先天優(yōu)勢(shì)，吸引國(guó)內(nèi)外半導(dǎo)體企業(yè)紛紛搶灘。科銳、羅姆、意法半導(dǎo)體、英飛凌、安森美、恩智浦、三菱電機(jī)等歐美日領(lǐng)先廠商通過擴(kuò)充產(chǎn)能、投資并購(gòu)等方式，在第三代半導(dǎo)體市場(chǎng)跑馬圈地。

隨著第三代半導(dǎo)體的戰(zhàn)略意義被廣泛認(rèn)知，國(guó)內(nèi)廠商加速布局，形成了包括襯底、外延、器件設(shè)計(jì)、流片、封裝、系統(tǒng)在內(nèi)的產(chǎn)業(yè)鏈條。但是在材料指標(biāo)、器件性能等方面，國(guó)內(nèi)廠商與國(guó)際先進(jìn)水平仍存差距。

和巍巍表示，國(guó)內(nèi)第三代半導(dǎo)體與國(guó)際巨頭存在差距，原因是綜合性的。一是起步略晚，在專利積累上有所滯后;二是海外公司在第三代半導(dǎo)體進(jìn)行了20～30年的長(zhǎng)期投人，在投資強(qiáng)度上具備優(yōu)勢(shì);三是具備工程經(jīng)驗(yàn)的人才相對(duì)稀缺。

“人才不像購(gòu)買設(shè)備，需要相當(dāng)長(zhǎng)的培養(yǎng)周期。微電子等相關(guān)專業(yè)的碩士生，普遍缺乏流片等工程經(jīng)驗(yàn)，進(jìn)人企業(yè)之后需要進(jìn)一步的培訓(xùn)，持續(xù)在實(shí)踐中積累，才能從畢業(yè)生轉(zhuǎn)變?yōu)橛薪?jīng)驗(yàn)的工程師。所以，人才培養(yǎng)的時(shí)間成本還是比較高的。”和巍巍表示。

從產(chǎn)業(yè)鏈進(jìn)程來看，國(guó)內(nèi)第三代半導(dǎo)體在產(chǎn)業(yè)鏈的整合、完善程度上，仍有待優(yōu)化。一方面，國(guó)際第三代半導(dǎo)體大廠多采用IDM模式，具備更強(qiáng)的產(chǎn)業(yè)鏈整合能力。芯謀研究首席分析師顧文軍向《中國(guó)電子報(bào)》表示，科銳等第三代半導(dǎo)體巨頭，實(shí)現(xiàn)了設(shè)計(jì)制造一體化，技術(shù)和工藝的整合程度較高，實(shí)現(xiàn)了具備差異化優(yōu)勢(shì)的產(chǎn)品和更高的良率。另一方面，國(guó)內(nèi)第三代半導(dǎo)體在EDA、高質(zhì)量檢測(cè)設(shè)備等環(huán)節(jié)存在短板。和巍巍指出，國(guó)際EDA廠商往往和碳化硅廠商合作多年，積累了大量的數(shù)據(jù)，仿真程度更高，而國(guó)內(nèi)EDA工具普遍缺乏第三代半導(dǎo)體的數(shù)據(jù)積累。

第三代半導(dǎo)體本身的產(chǎn)業(yè)特點(diǎn)，也增加了后發(fā)企業(yè)提升市場(chǎng)份額的難度。瀚天天成總經(jīng)理馮淦曾向記者表示，碳化硅面向大功率電力電子器件，對(duì)可靠性和安全性有著極高的要求，認(rèn)證周期較長(zhǎng)。一旦終端企業(yè)更換供貨商，將面臨產(chǎn)品的重新認(rèn)證，后發(fā)企業(yè)挑戰(zhàn)龍頭企業(yè)生態(tài)優(yōu)勢(shì)的難度較大。

抓住窗口期提升競(jìng)爭(zhēng)力

第三代半導(dǎo)體是國(guó)家科技創(chuàng)新2030重大項(xiàng)目“重點(diǎn)新材料研發(fā)及應(yīng)用”的重要部分，近年來取得快速發(fā)展，其技術(shù)價(jià)值和應(yīng)用前景得到廣泛認(rèn)可。

第三代半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)技術(shù)創(chuàng)新戰(zhàn)略聯(lián)盟秘書長(zhǎng)于坤山表示，推動(dòng)第三代半導(dǎo)體進(jìn)一步發(fā)展，一方面，要把握5G、新能源汽車、能源互聯(lián)網(wǎng)、消費(fèi)類電子、新型顯示等市場(chǎng)契機(jī)，加速試點(diǎn)布局和產(chǎn)業(yè)化企業(yè)落地。另一方面，建議地方政府加強(qiáng)頂層布局，圍繞國(guó)家項(xiàng)目進(jìn)行產(chǎn)業(yè)鏈配套，夯實(shí)支撐產(chǎn)業(yè)鏈公共研發(fā)和服務(wù)等技術(shù)平臺(tái)，加速完善產(chǎn)業(yè)生態(tài)環(huán)境。

面對(duì)第三代半導(dǎo)體的產(chǎn)業(yè)窗口期，企業(yè)該如何提升生存和競(jìng)爭(zhēng)能力？和巍巍表示，作為企業(yè)，一是要追趕國(guó)外最先進(jìn)水平，對(duì)標(biāo)最先進(jìn)的器件。二是完善老、中、青人才梯隊(duì)的培養(yǎng)。三是通過股權(quán)激勵(lì)，以及參與、推動(dòng)產(chǎn)學(xué)研聯(lián)合培養(yǎng)人才的模式，提升人才待遇，更好地留住人才。

泰科天潤(rùn)董事長(zhǎng)陳彤曾向記者表示，后發(fā)企業(yè)要成長(zhǎng)，必須抓住新舊技術(shù)迭代的窗口期。碳化硅是一個(gè)新的產(chǎn)業(yè)機(jī)會(huì)，給了中國(guó)功率半導(dǎo)體企業(yè)參與國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)的契機(jī)。企業(yè)要利用貼近中國(guó)市場(chǎng)的優(yōu)勢(shì)，以更快的反應(yīng)速度，抓住市場(chǎng)機(jī)遇。

對(duì)于提升國(guó)內(nèi)第三代半導(dǎo)體企業(yè)的風(fēng)險(xiǎn)抵御能力，和巍巍指出，碳化硅等三代半導(dǎo)體采用升華再結(jié)晶的方式生長(zhǎng)，相比拉單晶的硅材料，更容易出現(xiàn)缺陷，造成器件失效，這是國(guó)內(nèi)外廠商普遍面臨的難題。加上國(guó)內(nèi)企業(yè)與國(guó)際廠商在技術(shù)水平和營(yíng)收能力上仍存差距，一旦器件出現(xiàn)故障，可能會(huì)因?yàn)楦哳~的賠付蒙受巨大損失。如果能針對(duì)國(guó)內(nèi)半導(dǎo)體器件推出試用保險(xiǎn)，將為企業(yè)的研發(fā)創(chuàng)新注人更多信心。