第三代半导体材料丨“卡脖子”技术中新材料的身影(一)
来源:
中大商业评论(zhongdareview)

引言

第三代半导体材料(本文特指碳化硅、氮化镓)的主要技术掌握在哪些国家、哪些企业,技术路线是怎样的?国家各部委及各省市对于该类新材料的发展给予怎样的政策支持?我国在该材料领域的布局情况如何,具体是哪些科研机构,哪些企业?中大咨询将在下文中给出梳理后的答案。

本文的半导体材料是指狭义上的,即特指处于绝缘体和导体之间的材料,按微电子器件性能划分,可分为第一代、第二代、第三代半导体材料[1]。

从上世纪五十年代以来,以硅(Si)材料为代表的第一代半导体材料取代了笨重的电子管,广泛应用在电子信息领域及新能源等产业中。上世纪九十年代以来,以砷化镓、磷化铟等化合物半导体为代表的第二代半导体材料开始崭露头角,广泛应用在商用无线通信、光通讯以及国防军工用途上。21世纪以来,以碳化硅(SiC)、氮化镓(GaN)、氧化锌、金刚石、氮化铝为代表的第三代半导体材料也即通常意义上的宽禁带半导体,凭借着高频、高功率、抗高温、抗高辐射、光电性能优异等特点,在电力电子、微波射频和光电子等领域具有显著优势和巨大发展潜力。

需要注意的是,第一代、第二代、第三代半导体并不是通常意义上技术更迭的完全替代品,因为它们有不同主流应用领域,各种半导体材料能形成互补关系。从实践上来看,以硅基为主的第一代半导体材料,由于其出色的性能和成本优势,目前仍然是集成电路等半导体器件主要使用的材料。另外,与卡脖子环节直接相关的为第二代半导体材料(商业化的一致性、均匀性),本文介绍的第三代半导体材料是半导体材料发展的新阶段,是我国重点发展的新材料,也是当前全球技术产业和竞争的焦点。从文章篇幅、材料代表性等角度考虑,本文选取碳化硅(SiC)、氮化镓(GaN)两种第三代半导体材料作为重点研究对象。

SiC、GaN等第三代半导体材料的重要性,一方面在于以其为基底的芯片在制造过程中所需要的光刻机工艺制程并不需要十分先进,该类材料在半导体产业的应用有望打破光刻技术的封锁;另一方面,以硅材料为根基的摩尔定律已接近效能极限,单一增加制程精度的可持续性受到挑战,第三代半导体材料能够从底层材料出发带来新的可能性。

第三代半导体产业链分为上游材料的制备(衬底、外延),中游器件设计、制造、封测,下游的应用,其中上游材料的制备也即第三代半导体材料衬底和外延是本文重点阐述对象

半导体材料


一、国外技术发展与国内技术发展情况对比

我国在SiC衬底方面与国外还存在差距,国外6英寸衬底产品已实现商用化,并逐步向8英寸过渡,而国内正逐步由4英寸向6英寸过渡;GaN衬底和外延方面我国和国外相当,现阶段商业化量产水平相差无几。

表1 第三代半导体材料国内外技术发展情况对比。资料来源:CASA,中大咨询整理

表1 第三代半导体材料国内外技术发展情况对比。资料来源:CASA,中大咨询整理

表1 第三代半导体材料国内外技术发展情况对比。资料来源:CASA,中大咨询整理

表1 第三代半导体材料国内外技术发展情况对比。资料来源:CASA,中大咨询整理


二、我国相关政策支持

国家各部委和多省市高度重视,出台的多项相关政策提及第三代半导体材料的发展方向,中大咨询通过梳理2018-2020三年间国家各部委和各省市的相关政策发现:

国家各部委政策主要以鼓励、引导集成电路发展的财税政策为主,2018-2020年每年均出台相应的税收优惠政策,通过政策将实际财、物等资源注入企业。《鼓励外商投资产业目录(2019年版)》和《工业和信息化部关于印发重点新材料首批次应用示范指导目录(2019年版)》两项政策直接点明SiC、GaN等第三代半导体材料的发展,明确对于该类新材料的发展采取支持引进和给予保险补偿(首批次应用)的态度。

多省市出台的政策,直接点明SiC、GaN两种第三代半导体材料的发展方向,明确两种材料对发展第三代半导体产业的重要性,从地域分布来看,主要集中在广东、山东、浙江、安徽、河北、北京等地。各地对于该类新材料的重点支持发展方向呈现差异:广东省发布的多项政策,涵盖了对该类材料基础研究、应用研究、中试研发、商业化量产、市场推广等全方位的支持;山东省政策重点支持该类新材料的研发和商业化量产;浙江省政策重点支持该类新材料的基础研究;安徽省、河北省政策重点支持该类新材料的商业化量产;北京市政策重点支持该类新材料的研发和成果转化(注:具体政策梳理情况可联系后台索取)

科技研究


三、相关研究机构

除相关政策支持外,科技部等相关部门紧贴产业发展需求,发布年度重点研发计划部署安排,中大咨询整理了2018-2021年与第三代半导体材料有关的国家重点研发计划如下:

表2 第三代半导体材料国家重点研发计划重点专项。资料来源:中大咨询整理

表2 第三代半导体材料国家重点研发计划重点专项。资料来源:中大咨询整理


四、国内企业布局情况

国内企业在SiC衬底、外延,GaN衬底和外延等上游材料环节的布局情况如下:

表3 国内企业在第三代半导体材料——碳化硅(SiC)方面布局情况(仅展示部分)。资料来源:CASA,中大咨询产业图谱数据库
表3 国内企业在第三代半导体材料——碳化硅(SiC)方面布局情况(仅展示部分)。资料来源:CASA,中大咨询产业图谱数据库
第三代半导体材料丨“卡脖子”技术中新材料的身影(一)

表4 国内企业在第三代半导体材料——氮化镓(GaN)方面布局情况(仅展示部分)。资料来源:CASA,中大咨询产业图谱数据库

SiC材料方面,从数量分布情况来看,企业多分布在SiC单晶衬底环节,SiC外延环节分布较少。我国SiC单晶衬底方面与国外存在较大差距,该领域技术难度较高,而从数量情况来看,企业多分布在此环节,反映出国内企业在此环节存在低水平重复建设问题。GaN材料方面,从数量分布情况来看,企业多分布在GaN外延环节,GaN衬底环节分布较少。


结语

我国在政策、科研等方面共同发力,助推第三代半导体材料的发展,以期取得该类材料在基础研究、应用研究、中试研发、商业化量产、市场推广等全方位的突破。由于第三代半导体在全球范围内尚未形成专利、标准和规模的完全垄断[2],未来我国可在基础研究、中试研发、商业化量产等方面持续发力,将高校、研究院所、企业三者紧密结合起来,不仅要关注该类新材料的原始创新,还要结合产业发展的实际需求,不断更新上游材料的研发和生产,以探索实现核心技术突破和产业战略引领,重塑半导体产业格局。

[1]林翔云.半导体材料范畴的界定[J].天津科技,2019,46(12):33-35.
[2]吴玲,赵璐冰.第三代半导体产业发展与趋势展望[J].科技导报,2021,39(14):20-29.

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