站在“新基建”浪潮上的第三代半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè) （下）

導(dǎo)讀：新基建建設(shè)離不開(kāi)半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)，第三代半導(dǎo)體相比前兩代在材料、應(yīng)用端都有重大革新，如何更好地理解半導(dǎo)體？祥峰投資的兩篇文章全景分析第三代半導(dǎo)體機(jī)會(huì)。

本文為祥峰投資對(duì)第三代半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)研究?jī)?nèi)容，其中包含了各材料性能對(duì)比與材料應(yīng)用范圍，方便從底層了解半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)發(fā)展，系列文章較長(zhǎng)，建議收藏閱讀。本文為上篇，上篇請(qǐng)點(diǎn)擊：第三代半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)（上）

在上一期的“站在‘新基建’浪潮上的第三代半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè) （上）”中，我們圍繞“新基建”的核心材料——第三代半導(dǎo)體做了概述，對(duì)當(dāng)下規(guī)?；逃米钪饕牡?(GaN) 器件和碳化硅 (SiC)器件加以解構(gòu)。

在本次報(bào)告的下篇，我們將進(jìn)一步歸納總結(jié)第三代半導(dǎo)體芯片在產(chǎn)業(yè)鏈的各個(gè)環(huán)節(jié)(襯底、外延、設(shè)計(jì)、制造、封裝)的關(guān)鍵技術(shù)，梳理國(guó)內(nèi)外主要廠商，并對(duì)本次第三代半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)研究報(bào)告做以總結(jié)。

1、第三代半導(dǎo)體芯片產(chǎn)業(yè)鏈：襯底、外延、設(shè)計(jì)、制造、封裝

GaN和SiC芯片的產(chǎn)業(yè)鏈與硅芯片類(lèi)似，主要分為晶圓襯底、外延、設(shè)計(jì)、制造和封裝等環(huán)節(jié)。

襯底

當(dāng)前的GaN器件的常用襯底有以下4種：

Si襯底：半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)發(fā)展最成熟襯底，應(yīng)用最廣，晶體質(zhì)量高、尺寸大、成本低、易加工，價(jià)格便宜，目前GaN產(chǎn)品上使用的Si襯底基本是6英寸的，也有部分公司實(shí)現(xiàn)8英寸的商用。

藍(lán)寶石襯底（Al2O3）：生產(chǎn)技術(shù)成熟、器件質(zhì)量、穩(wěn)定性都較好，能夠運(yùn)用在高溫生長(zhǎng)過(guò)程中，機(jī)械強(qiáng)度高，易于處理和清洗，廣泛應(yīng)用于LED產(chǎn)業(yè)。

SiC襯底：按照晶體結(jié)構(gòu)主要分4H-SiC和6H-SiC，4H-SiC為主流產(chǎn)品，按照性能主要分為半導(dǎo)電型和半絕緣型。硅片拉晶時(shí)和單晶種子大小無(wú)關(guān)，但是SiC的單晶種子的尺寸卻直接決定了SiC的尺寸，目前主流尺寸是4-6英寸，8英寸襯底已由II-VI公司和Cree公司研制成功。半導(dǎo)電型SiC襯底以n型襯底為主，主要用于外延GaN基LED等光電子器件、SiC基電力電子器件等。半絕緣型SiC襯底主要用于外延制造GaN高功率射頻器件。SiC襯底市場(chǎng)的主要供應(yīng)商有美國(guó)Cree（Wolfspeed）、DowCorning、日本羅姆、美國(guó)II-VI、日本新日鐵住金、瑞典N(xiāo)orstel（中國(guó)資本收購(gòu)）等。Cree公司的SiC襯底占據(jù)整個(gè)市場(chǎng)40%左右的份額，其次為Ⅱ-Ⅵ公司、日本ROHM，三者合計(jì)占據(jù)75%左右的市場(chǎng)份額，國(guó)內(nèi)有山東天岳、天科合達(dá)等公司。6”半導(dǎo)電型襯底均價(jià)約為1200美元，6”襯底價(jià)格在4”襯底價(jià)格2倍以上。

GaN單晶襯底：主流產(chǎn)品以2~4英寸為主，6英寸甚至8英寸的也已經(jīng)實(shí)現(xiàn)商用。GaN襯底主要由日本公司主導(dǎo)，日本住友電工的市場(chǎng)份額達(dá)到90%以上。我國(guó)目前已實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化的企業(yè)包括蘇州納米所的蘇州納維科技公司和北京大學(xué)的東莞市中鎵半導(dǎo)體科技公司。

以下重點(diǎn)對(duì)三種襯底做詳細(xì)分析。

SiC硅襯底

90%以上的集成電路芯片是用硅片作為襯底制造出來(lái)的，整個(gè)信息產(chǎn)業(yè)就是建立在硅材料之上。

單晶硅制備流程：硅石（SiO2）>工業(yè)硅（粗硅）>高純的多晶硅 >硅單晶。

大尺寸硅片是硅片未來(lái)發(fā)展的趨勢(shì)，目前8英寸硅片主要用于生產(chǎn)功率半導(dǎo)體和微控制器，邏輯芯片和存儲(chǔ)芯片則需要12英寸硅片。2018年12英寸硅片全球市場(chǎng)份額預(yù)計(jì)為68.9%，到2021年占比預(yù)計(jì)提升至71.2%。12英寸硅片主要被NAND和DRAM需求驅(qū)動(dòng)，8英寸主要被汽車(chē)電子和工業(yè)應(yīng)用對(duì)功率半導(dǎo)體需求驅(qū)動(dòng)。長(zhǎng)期看12英寸和8英寸依然是市場(chǎng)的主流。

半導(dǎo)體硅片投入資金多，研發(fā)周期長(zhǎng)，是技術(shù)壁壘和資金壁壘都極高的行業(yè)。目前全球硅片市場(chǎng)處于寡頭壟斷局面。2018年全球半導(dǎo)體硅片行業(yè)銷(xiāo)售額前五名企業(yè)的市場(chǎng)份額分別為:日本信越化學(xué)28%，日本SUMCO 25%，中國(guó)臺(tái)灣環(huán)球晶圓14%，德國(guó)Siltronic13%，韓國(guó)SKSiltron9%，前五名的全球市場(chǎng)市占率接近90%，市場(chǎng)集中度高。

資料來(lái)源：華經(jīng)情報(bào)網(wǎng)，智研資訊，中港證券研究所

SiC襯底

目前生長(zhǎng)碳化硅單晶最成熟的方法是物理氣相輸運(yùn)（PVT）法（升華法），又稱(chēng)改良的Lely法，其生長(zhǎng)機(jī)理是在超過(guò)2000 ℃高溫下將碳粉和硅粉升華分解成為Si原子、Si2C分子和SiC2分子等氣相物質(zhì)，在溫度梯度的驅(qū)動(dòng)下，這些氣相物質(zhì)將被輸運(yùn)到溫度較低的碳化硅籽晶上形成碳化硅晶體。通過(guò)控制PVT的溫場(chǎng)、氣流等工藝參數(shù)可以生長(zhǎng)特定的4H-SiC晶型。單晶棒再進(jìn)行切割、拋光等工藝，制作成襯底片。

“高質(zhì)量、大尺寸的碳化硅單晶材料是碳化硅技術(shù)發(fā)展首要解決的問(wèn)題，持續(xù)增大晶圓尺寸、降低缺陷密度（微管、位錯(cuò)、層錯(cuò)等）是其重點(diǎn)發(fā)展方向?！?/p>

* SiC原料部分處于高溫中，溫度大約在2400～2500攝氏度，碳化硅粉逐漸分解或升華，產(chǎn)生Si和Si的碳化物混合蒸汽，并在溫度梯度的驅(qū)使下向粘貼在坩堝低溫區(qū)域的籽晶表面輸送，使籽晶逐漸生長(zhǎng)為晶體。

GaN襯底

因?yàn)榈壊牧媳旧砣埸c(diǎn)高，而且需要高壓環(huán)境，很難采用熔融的結(jié)晶技術(shù)制作GaN襯底，目前主要在Al2O3藍(lán)寶石襯底上生長(zhǎng)氮化鎵厚膜制作的GaN基板，然后通過(guò)剝離技術(shù)實(shí)現(xiàn)襯底和氮化鎵厚膜的分離，分離后的氮化鎵厚膜可作為外延用的襯底。這種基板以前的主流是2英寸口徑，現(xiàn)在出現(xiàn)了4～6英寸的基板。優(yōu)點(diǎn)是位錯(cuò)密度明顯低，但價(jià)格昂貴，因此限制了氮化鎵厚膜襯底的應(yīng)用。

氨氣相法（或HVPE法）：利用氨氣相法需要1000℃以上的生長(zhǎng)溫度。因此，作為在高溫氨氣下特性依然穩(wěn)定的基板，單晶藍(lán)寶石（Al2O3）受到關(guān)注。由于GaN與藍(lán)寶石的化學(xué)性質(zhì)（化學(xué)鍵）、熱膨脹系數(shù)和晶格常數(shù)相差較大，在藍(lán)寶石上生長(zhǎng)的GaN晶體表面像磨砂玻璃一樣粗糙。而且晶體缺陷非常多，無(wú)法獲得能夠用于半導(dǎo)體元件的高品質(zhì)GaN。1986年，名古屋大學(xué)工學(xué)部教授赤崎勇開(kāi)發(fā)出了“低溫堆積緩沖層技術(shù)”。該技術(shù)利用氮化鋁（AlN）作為緩沖層進(jìn)行堆積，可以在藍(lán)寶石基板上生長(zhǎng)晶體缺陷少而且表面平坦的GaN晶體。

GaN襯底生產(chǎn)工藝

*導(dǎo)入緩沖層提高晶體品質(zhì)。在藍(lán)寶石基板上直接生長(zhǎng)GaN時(shí)，會(huì)零散地生長(zhǎng)一些微小晶體，因此GaN晶體的表面比較粗糙（a）。通過(guò)在藍(lán)寶石基板與GaN晶體之間設(shè)置“低溫堆積緩沖層”，便可獲得平坦的GaN晶體（b）

外延

GaN外延

外延生長(zhǎng)（Epitaxy），是指在原有半導(dǎo)體晶片之上生長(zhǎng)出新的半導(dǎo)體晶體層的技術(shù)。主要用CVD（Chemical Vapor Deposition，化學(xué)氣相沉積）設(shè)備，或者M(jìn)BE（Molecular Beam Epitaxy，分子束外延）設(shè)備實(shí)現(xiàn)。原有的晶體稱(chēng)為襯底（substrate），生長(zhǎng)出的新晶體層稱(chēng)為外延層。

“GaN襯底材料的成本是限制GaN器件商業(yè)化應(yīng)用的主要因素?！?/p>

由于GaN材料硬度高，熔點(diǎn)高等特性，襯底制作難度高，位錯(cuò)缺陷密度較高導(dǎo)致良率低，技術(shù)進(jìn)步緩慢。因此GaN晶圓的成本仍然居高不下

2005年2寸的GaN襯底片成本2 萬(wàn)美元，現(xiàn)在GaN2寸襯底價(jià)格仍然在3000美元水平。對(duì)比之下，4寸GaAs襯底成本僅需100-200人民幣。

采用外延技術(shù)，可以將GaN生長(zhǎng)在SiC、Si、藍(lán)寶石、金剛石等其他材料襯底上，有效的解決GaN襯底材料的限制問(wèn)題。GaNonSiC和GaNonSi是未來(lái)的主流技術(shù)方向。

GaNonSi

GaN on Si：在Si基板襯底上制作GaN晶體，也能使用和在藍(lán)寶石襯底上生長(zhǎng)的低溫堆積緩沖層技術(shù)，實(shí)現(xiàn)與藍(lán)寶石基板上的GaN基本相同的晶體缺陷密度（貫通位錯(cuò)密度）。但由于Si基板襯底與GaN性質(zhì)差異更大，在Si基板上制造時(shí)的難題更多的是熱膨脹系數(shù)差導(dǎo)致的裂紋。GaN與Si的熱膨脹系數(shù)差較大，因此在生長(zhǎng)GaN后進(jìn)行冷卻時(shí)會(huì)產(chǎn)生非常大的應(yīng)力，導(dǎo)致有裂紋產(chǎn)生。

GaN on Si外延生長(zhǎng)上可采用多層構(gòu)造防止裂紋：在GaN層與Si基板之間設(shè)置AlGaN/GaN多層構(gòu)造的“形變控制技術(shù)”來(lái)防止裂紋。

目前實(shí)現(xiàn)了產(chǎn)品化的GaN功率元件大多是在口徑6英寸的Si基板上制造，至少6英寸口徑的基板已經(jīng)解決了裂紋問(wèn)題。想要進(jìn)一步降低價(jià)格，就必須擴(kuò)大口徑。以比利時(shí)微電子研究中心（IMEC）為首，全球正在推進(jìn)采用8英寸Si基板的GaN開(kāi)發(fā)。日本英達(dá)公司已與Transphorm公司簽訂了GaN功率元件的前工序生產(chǎn)受托合同，將在日本英達(dá)的筑波事務(wù)所導(dǎo)入支持8英寸基板生產(chǎn)的前工序生產(chǎn)線。

國(guó)內(nèi)英諾賽科也宣稱(chēng)實(shí)現(xiàn)了8英寸GaN on Si外延生長(zhǎng)。

GaN-on-Si未來(lái)主要有兩條發(fā)展路徑：

第一是向大功率器件方向發(fā)展，通過(guò)系統(tǒng)級(jí)封裝做成模塊化產(chǎn)品。

第二是在中低功率領(lǐng)域SoC化，集成更多被動(dòng)元件、射頻驅(qū)動(dòng)等。業(yè)界有廠商已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了驅(qū)動(dòng)IC和GaN開(kāi)關(guān)管的集成，進(jìn)一步降低用戶的使用門(mén)檻。

目前主流的GaN技術(shù)廠商都在研發(fā)以Si為襯底的GaN的器件，提升外延質(zhì)量，期望替代昂貴的SiC襯底。

GaNonSiC

GaN on SiC：同樣在GaN on SiC上做外延生長(zhǎng)需要注意晶格失配和熱膨脹不匹配原因造成的裂紋或彎曲，從而影響GaN器件的性能和良率。目前轉(zhuǎn)移和協(xié)調(diào)釋放SiC基板上制備GaN外延材料失配應(yīng)力的方法有：應(yīng)力協(xié)變層技術(shù)（包括緩沖層、柔性層、插入層等）和圖形襯底技術(shù)。

GaN on SiC外延，SiC襯底散熱性更好，而且與氮化鎵晶格不匹配問(wèn)題比Si小。限制在于SiC襯底晶圓的尺寸還做不大，目前尚未超過(guò)6寸。

采用SiC為襯底的GaN外延生長(zhǎng)方法示例：

MOCVD生長(zhǎng)依次將氮化鈦層、氮化鋁層和氮化鎵層沉積在SiC襯底上，氣氛是以三甲基鎵(TMGa)、三甲基鋁(TMAl)、三甲基鈦(TDEAT)和氨氣(NH3)分別作為Ga、Al、Ti和N源，以氫氣(H2)為載氣。

首先，將SiC襯底置于1200oC反應(yīng)室進(jìn)行前烘300s，降溫至500oC，通入氨氣8000sccm對(duì)襯底進(jìn)行氮化；

然后通入TDEAT三甲基鈦氣體，流量控制在40sccm，并繼續(xù)通入氨氣8000sccm，時(shí)長(zhǎng)80s，進(jìn)行氮化鈦沉積，250s進(jìn)行復(fù)原；

然后通入TMAl三甲基鋁氣體50sccm，10000sccm氨氣，時(shí)長(zhǎng)100s，進(jìn)行氮化鋁沉積；

最后通入TMGa三甲基鎵氣體。80sccm，15000sccm氨氣，時(shí)長(zhǎng)150s，進(jìn)行氮化鎵沉積，對(duì)反應(yīng)室氣氛復(fù)原，完成緩沖層生長(zhǎng)。

*各家GaN外延生長(zhǎng)方法knowhow不一樣，屬于機(jī)密配方

圖形襯底技術(shù)：對(duì)復(fù)合緩沖層進(jìn)行感應(yīng)耦合等離子體（ICP）刻蝕技術(shù)做圖形化刻蝕孔形、柱形、條形的一種或多種，并周期性排列，圖形由窗口區(qū)域和臺(tái)面區(qū)域組成，圖形深度小于復(fù)合緩沖層厚度，外延生長(zhǎng)GaN時(shí)，氣體原子在臺(tái)面上反應(yīng)成核，襯底上被可使的部分即窗口區(qū)域，不易成核，膜層沿垂直臺(tái)面方向生長(zhǎng)，在縱向生長(zhǎng)的同時(shí)也進(jìn)行橫向生長(zhǎng)，隨著厚膜的生長(zhǎng)，相鄰臺(tái)面的橫向生長(zhǎng)區(qū)域可以達(dá)到合并，當(dāng)橫向生長(zhǎng)達(dá)到一定程度后氮化鎵外延層便能覆蓋整個(gè)緩沖層表面。圖形襯底技術(shù)利用縱向生長(zhǎng)和橫向生長(zhǎng)的合并，可以降低或抑制位錯(cuò)在氮化鎵外延層的延伸，從而提高氮化鎵外延層的晶體質(zhì)量。

設(shè)計(jì)

在硅基芯片中，EDA工具隨著摩爾定律一起發(fā)展多年，已經(jīng)形成了相當(dāng)成熟和極為復(fù)雜的一套設(shè)計(jì)工具。由于CMOS器件工藝標(biāo)準(zhǔn)化程度極高，EDA工具更加側(cè)重電路級(jí)的仿真。

在GaN和SiC芯片領(lǐng)域，設(shè)計(jì)和仿真更偏重器件級(jí)，以及更類(lèi)似簡(jiǎn)單硅基模擬電路，核心原因是：

GaN和SiC的材料特性主要體現(xiàn)在器件層面，包括對(duì)MOSFET、HEMT等器件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的優(yōu)化。

GaN和SiC芯片的主要使用場(chǎng)景，包括RF和Power，都是模擬芯片場(chǎng)景。

GaN和SiC發(fā)展較晚，且長(zhǎng)期以來(lái)器件的進(jìn)展比較緩慢，目前還沒(méi)有發(fā)展到大規(guī)模集成電路階段。

以GaN射頻為例：

無(wú)源電路主要用ANSYS的HFSS，Integrand公司旗下的EMX，是德科技旗下的ADS Momentum等仿真工具。

有源電路通常采用Foundry提供的有源器件model，因?yàn)橛性措娐返姆抡鏈?zhǔn)確度較低。

器件物理級(jí)別的仿真，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也是一個(gè)優(yōu)秀的仿真工具。但這些仿真基本上只能模擬直流特性。

器件的高頻特性，或者說(shuō)高頻model，一般都是依賴(lài)設(shè)計(jì)者自己畫(huà)測(cè)試結(jié)構(gòu)，實(shí)際測(cè)試并提取參數(shù)，這樣最準(zhǔn)確。仿真一般只能模擬單個(gè)特征頻率或者截止頻率。

行業(yè)領(lǐng)先的GaN/SiC公司如Infineon、Qorvo、GaN Systems、Modelithics也都在積極開(kāi)發(fā)自己的設(shè)計(jì)工具和模型庫(kù)。

制造

GaN和SiC芯片的制造是產(chǎn)業(yè)鏈的核心環(huán)節(jié)。其制造過(guò)程與硅基芯片類(lèi)似，都需要復(fù)雜的半導(dǎo)體芯片制造工藝和流程，基本上每一類(lèi)工藝都對(duì)應(yīng)一種專(zhuān)用的半導(dǎo)體芯片設(shè)備，在微米和納米尺度進(jìn)行制造。

芯片制造環(huán)節(jié)最重要的是產(chǎn)品良率、生產(chǎn)效率、穩(wěn)定性。由于處理的材料不同和結(jié)構(gòu)不同，制造設(shè)備之間也無(wú)法通用。因此，GaN器件、SiC器件都必須建立獨(dú)立專(zhuān)用的制造產(chǎn)線。

半導(dǎo)體芯片主要制造工藝及對(duì)應(yīng)設(shè)備(1/2)

*：核心工藝和設(shè)備

半導(dǎo)體芯片主要制造工藝及對(duì)應(yīng)設(shè)備(2/2)

*：核心工藝和設(shè)備

光刻(Photo Lithography)

光刻工作原理：將芯片設(shè)計(jì)版圖先制作在光掩膜板上（通常是氧化鉻板），再以光掩膜版作為阻擋，對(duì)晶圓上涂覆的光刻膠進(jìn)行曝光。被曝光的區(qū)域化學(xué)性質(zhì)改變，通過(guò)顯影去除后，設(shè)計(jì)版圖即轉(zhuǎn)移到被掩膜版阻擋的光刻膠上。

掩膜板的最小線寬基本上決定了芯片的關(guān)鍵尺寸，也就是工藝節(jié)點(diǎn)，因此光刻是芯片制造中最關(guān)鍵的設(shè)備。

光刻機(jī)行業(yè)高度集中，荷蘭ASML、日本尼康和佳能三足壟斷。ASML是行業(yè)霸主，在EUV和浸潤(rùn)式高端光刻機(jī)市場(chǎng)獨(dú)家壟斷。尼康和佳能則主要占據(jù)中低端市場(chǎng)。

光刻設(shè)備的核心部件主要包括光源、光學(xué)透鏡組、對(duì)準(zhǔn)系統(tǒng)。光源的波長(zhǎng)越短，可達(dá)到的最小線寬分辨率越低 ，設(shè)備單價(jià)也越高。

其它提高光刻分辨率的主要技術(shù)有移相掩膜(PSM)、鄰近效應(yīng)修正(OPC)、駐波效應(yīng)修正(SWC)、浸潤(rùn)式光刻(Immersion)、雙重曝光(Double Patterning)、運(yùn)算光刻等。

光刻膠材料必須與光源匹配，也是決定關(guān)鍵尺寸的非常重要的因素，一般由光刻設(shè)備廠商和光刻膠廠商合作開(kāi)發(fā)。

對(duì)于GaN和SiC而言，其芯片制程沒(méi)有發(fā)展到40nm以下的先進(jìn)制程，因此產(chǎn)線對(duì)光刻設(shè)備的要求相對(duì)Si CMOS集成電路而言要低很多。

刻蝕(Etching)

刻蝕是用化學(xué)或物理方法有選擇地從硅片表面去除不需要的材料的過(guò)程。刻蝕的基本目標(biāo)是在涂膠的硅片上正確地復(fù)制掩膜圖形。

光刻結(jié)果如果不合格，可以將光刻膠掩膜洗掉重新進(jìn)行光刻，所以是可逆的，而刻蝕是不可逆的，一旦刻蝕步驟失敗，整個(gè)晶圓即報(bào)廢，給晶圓廠造成很大經(jīng)濟(jì)損失。因此刻蝕設(shè)備的工藝重復(fù)性要求極高。

資料來(lái)源：中微半導(dǎo)體招股書(shū)

刻蝕工藝通過(guò)刻蝕設(shè)備來(lái)實(shí)現(xiàn)。干法刻蝕是刻蝕制程的絕對(duì)主流，其原理是通過(guò)等離子體對(duì)材料的物理轟擊激活，并同時(shí)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，產(chǎn)生可揮發(fā)的產(chǎn)物，達(dá)到對(duì)材料的去除。

根據(jù)不同的刻蝕材料和結(jié)構(gòu)，需要使用的刻蝕化學(xué)氣體和物理?xiàng)l件有極大差異，因此刻蝕設(shè)備在生產(chǎn)線上也是專(zhuān)用程度極高，在不同材料體系之間幾乎不可能復(fù)用。

資料來(lái)源：行業(yè)訪談

薄膜沉積 (Deposition)

薄膜沉積設(shè)備的作用是在基底材料上進(jìn)行薄膜的沉積，這些不同材料的薄膜構(gòu)與外延材料一起，構(gòu)成了芯片的基本材料結(jié)構(gòu)。

通常芯片的制造過(guò)程會(huì)用到幾十次薄膜沉積制程，不同材料的薄膜有絕緣、導(dǎo)電、掩膜、發(fā)光、物理支撐等多種用途。

半導(dǎo)體設(shè)備行業(yè)格局和主要設(shè)備廠商

總體來(lái)看，芯片制造的絕大多數(shù)核心設(shè)備都被國(guó)外廠商壟斷，具有極高的技術(shù)壁壘。2018年，前五家企業(yè) AMAT、ASML、Lam Research、TEL、KLA市占率合計(jì)為 71%。

按照設(shè)備種類(lèi)細(xì)分，每一類(lèi)設(shè)備產(chǎn)品也被前1-4家公司寡頭壟斷。

關(guān)鍵工藝的核心設(shè)備是第三代半導(dǎo)體芯片發(fā)展的一個(gè)重要因素。

封裝

封裝是把制作集成電路之后的晶圓轉(zhuǎn)變?yōu)橐粋€(gè)個(gè)芯片成品的過(guò)程。封裝廠獨(dú)立于晶圓制造廠，使用標(biāo)準(zhǔn)化的工藝流程和多種專(zhuān)門(mén)設(shè)備。

封裝測(cè)試的核心設(shè)備毛利率遠(yuǎn)高于非核心設(shè)備，目前仍被國(guó)外公司壟斷。中低端封裝設(shè)備國(guó)產(chǎn)化率較高。

對(duì)于GaN和SiC芯片，封裝技術(shù)與形式與Si芯片類(lèi)似。且由于不必用最先進(jìn)的制程，也不需要BGA、CSP、WLP等先進(jìn)封裝技術(shù)。但是由于高溫、高頻等特性，其具體封裝材料選擇等方面也存在一定的技術(shù)knowhow。

2、國(guó)內(nèi)外GaN器件和SiC器件產(chǎn)業(yè)鏈主要公司

全球GaN器件產(chǎn)業(yè)鏈主要公司

全球GaN器件產(chǎn)業(yè)鏈主要公司：Qorvo

Qorvo成立于2015年，由射頻行業(yè)兩家廠商RFMD和TriQuint合并而來(lái)，全球領(lǐng)先的射頻IDM廠商，擁有自己的晶圓代工廠和封測(cè)廠，公司主要為移動(dòng)終端、 基礎(chǔ)設(shè)施、航空航天、國(guó)防等領(lǐng)域提供RF解決方案，產(chǎn)品包括放大器、濾波器、雙工器、無(wú)源器件等射頻芯片。

2019年三季報(bào)Qorvo共實(shí)現(xiàn)營(yíng)收24.51億美金，同比增長(zhǎng)1.7%，非GAAP毛利率42.4%；公司收入分為MP(Mobile Products，占比約75%，主要客戶蘋(píng)果、華為、三星等移動(dòng)業(yè)務(wù))和IDP(Infrastructure and Defense Products，占比約25%，主要服務(wù)國(guó)防、wifi、5G基礎(chǔ)設(shè)施客戶)兩大塊。

Qorvo是GaN芯片領(lǐng)導(dǎo)廠商，尤其在國(guó)防和基礎(chǔ)設(shè)施領(lǐng)域，Qorvo在2017年就最早推出39Ghz雙通道GaNFEM，2018年推出業(yè)內(nèi)最強(qiáng)GaN-on-SiC晶體管Transistor，公司有望在GaN領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)業(yè)務(wù)快速增長(zhǎng)。

全球GaN器件產(chǎn)業(yè)鏈主要公司：Infineon

Infineon公司于1999年從西門(mén)子集團(tuán)的半導(dǎo)體部門(mén)獨(dú)立出來(lái)，在德國(guó)慕尼黑正式成立，2000年上市，是全球領(lǐng)先的半導(dǎo)體公司之一。公司為有線和無(wú)線通信、汽車(chē)及工業(yè)電子、內(nèi)存、計(jì)算機(jī)安全以及芯片卡市場(chǎng)提供先進(jìn)的半導(dǎo)體產(chǎn)品及完整的系統(tǒng)解決方案。

公司2018年?duì)I收達(dá)到75.99億歐元，毛利率40%，凈利潤(rùn)17.8%，同比增長(zhǎng)10.7%，其中功率器件占比約68%、傳感器和射頻器件占比15%、嵌入式控制器占比約17%。

Infineon是電源器件尤其是功率半導(dǎo)體的全球領(lǐng)導(dǎo)者（infineon在2019年全球功率半導(dǎo)體市場(chǎng)占比19%排名第一，細(xì)分IGBT、MOSFET市場(chǎng)更是占比達(dá)27%和28%），也是市場(chǎng)上唯一一家提供覆蓋硅、碳化硅和氮化鎵等材料的全系列功率產(chǎn)品的公司，擁有高性價(jià)比的第七代CoolMOSTM、基于第三代寬禁帶半導(dǎo)體的高性能CoolSiCTM與 CoolGaNTM，公司主做6英寸SiC和GaN產(chǎn)線，8英寸GaN產(chǎn)線在準(zhǔn)備中，GaN和SiC產(chǎn)能占比約10%（Si占90%），但在GaN和SiC產(chǎn)品上依然面臨提升良率、可靠性、降成本等挑戰(zhàn)。

全球SiC器件產(chǎn)業(yè)鏈主要公司

SiC廠商以全產(chǎn)業(yè)鏈的IDM巨頭為主。全球大部分市場(chǎng)份額被Infineon、Cree、羅姆、意法半導(dǎo)體等少數(shù)企業(yè)瓜分。

Cree占據(jù)襯底市場(chǎng)約40%份額、器件市場(chǎng)約23%份額；Cree和Infineon共占器件市場(chǎng)的70%。

全球SiC器件產(chǎn)業(yè)鏈主要公司：Cree (Wolfspeed)

Cree科銳成立于1987年，是美國(guó)上市公司（1993年，納斯達(dá)克）。當(dāng)前市值48億美元。

Cree在早期以LED材料與元件起家，其核心優(yōu)勢(shì)是全球領(lǐng)先且不斷創(chuàng)新的SiC材料技術(shù)。晶型由6H擴(kuò)展到4H；電阻率由低阻到半絕緣；尺寸由2寸到6寸。公司近年來(lái)開(kāi)始謀求向功率和射頻器件進(jìn)行轉(zhuǎn)型。

Cree旗下子公司W(wǎng)olfspeed是全球最領(lǐng)先的碳化硅晶圓和外延晶圓制造商，完整覆蓋從SiC襯底、外延，到SiC肖特基二極管、SiC MOSFET 元件以及模塊的全產(chǎn)業(yè)鏈， 在市場(chǎng)占據(jù)主導(dǎo)地位 。Cree的SiC襯底占據(jù)了全球市場(chǎng)近40%份額 ，在SiC器件領(lǐng)域的市場(chǎng)份額達(dá)到62%。（Yole2019報(bào)告）

在GaN射頻器件市場(chǎng)，Wolfspeed市場(chǎng)份額位居第二，具備十年以上的GaN HEMT 生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)，出貨量超過(guò)1500萬(wàn)只。

Wolfspeed同時(shí)提供GaN-on-SiC代工服務(wù)，改變了行業(yè)傳統(tǒng)的IDM模式。

2016年Infineon曾試圖收購(gòu)Wolfspeed， 但被美國(guó)政府以危害國(guó)家安全為由予以否決。

2019年1月，Cree宣布與意法半導(dǎo)體簽署了一份多年供貨協(xié)議 ，為意法半導(dǎo)體供應(yīng)SiC襯底和外延晶圓 ，總價(jià)值達(dá)到2.5億美元。該合作將加速SiC在汽車(chē)和工業(yè)兩大市場(chǎng)的商用。

全球SiC器件產(chǎn)業(yè)鏈主要公司：Infineon

Infineon是市場(chǎng)上唯一一家提供涵蓋Si、SiC和GaN等材料的全系列功率產(chǎn)品的公司，開(kāi)發(fā)的CoolSiC技術(shù)具備非常大的潛力。

Infineon于1992年開(kāi)始SiC領(lǐng)域研發(fā)，2001推出全球首個(gè)商業(yè)化SiC二極管，2006年推出全球首個(gè)采用SiC組件的商用電源模塊，目前已經(jīng)已經(jīng)發(fā)展至第五代。

國(guó)內(nèi)GaN芯片產(chǎn)業(yè)鏈

國(guó)內(nèi)GaN芯片公司大多都是IDM模式，橫跨外延、設(shè)計(jì)、制造全鏈條。輕資產(chǎn)的Fabless公司較少。

國(guó)內(nèi)SiC芯片產(chǎn)業(yè)鏈

國(guó)內(nèi)SiC產(chǎn)業(yè)仍然以襯底、外延、制造環(huán)節(jié)為主，輕資產(chǎn)的Fabless公司很少。行業(yè)總體仍處于起步階段。

近年來(lái)國(guó)內(nèi)已初步建立起相對(duì)完整的碳化硅產(chǎn)業(yè)鏈體系，追趕速度在加快。

單晶襯底方面，目前國(guó)內(nèi)可實(shí)現(xiàn)4英寸襯底的商業(yè)化生產(chǎn)，山東天岳、天科合達(dá)、同光晶體均已完成6英寸襯底的研發(fā)，中電科裝備研制出6英寸半絕緣襯底。

外延方面，國(guó)內(nèi)瀚天天成和天域半導(dǎo)體均可供應(yīng)4-6英寸外延片，中電科13所、55所亦均有內(nèi)部供應(yīng)的外延片生產(chǎn)部門(mén)。

芯片設(shè)計(jì)與制造方面，國(guó)內(nèi)600-3300VSiC-SBD已開(kāi)始批量應(yīng)用，有企業(yè)研發(fā)出1200V/50ASiC-MOSFET；泰科天潤(rùn)已建成國(guó)內(nèi)第一條SiC器件生產(chǎn)線，SBD產(chǎn)品覆蓋600V-3300V的電壓范圍；中車(chē)時(shí)代電氣的6英寸SiC生產(chǎn)線也于2018年1月首批芯片試制成功。

第三代半導(dǎo)體的總體總結(jié)

第三代半導(dǎo)體率先大規(guī)模商業(yè)化的是GaN和SiC。由于襯底材料制備、外延等技術(shù)仍然不夠成熟，分立器件產(chǎn)品階段處于規(guī)模商用初期，集成電路產(chǎn)品階段處于探索期。

第三代半導(dǎo)體與第一代、第二代半導(dǎo)體是補(bǔ)充和部分替代的關(guān)系。在高電壓、大電流、高頻、高溫等應(yīng)用中，第三代半導(dǎo)體有明顯的性能優(yōu)勢(shì)，一方面可用于硅基器件無(wú)法勝任的對(duì)性能要求更加極端的工況條件，另一方面也可以降低系統(tǒng)的整體能耗、尺寸或重量，因而存在替代部分硅基器件的機(jī)會(huì)，關(guān)鍵看系統(tǒng)的性能指標(biāo)要求，以及性價(jià)比。

第三代半導(dǎo)體目前應(yīng)用市場(chǎng)規(guī)模有限，未來(lái)市場(chǎng)增速可期。

GaN的機(jī)會(huì)與市場(chǎng)空間

GaN射頻器件全球市場(chǎng)預(yù)計(jì)到2024年成長(zhǎng)至20億美元。主要的市場(chǎng)增長(zhǎng)來(lái)自軍用和5G通信。GaN將在5G基站的射頻芯片替換Si-LDMOS。5G將推動(dòng)該市場(chǎng)在2024年達(dá)到7.5億美元。

GaN功率器件的增長(zhǎng)來(lái)自電源管理、新能源車(chē)、LiDAR、封包追蹤等應(yīng)用。2016年GaN功率器件全球市場(chǎng)規(guī)模僅1200萬(wàn)美元，目前不到1億美元，預(yù)計(jì)到2022年將增長(zhǎng)到4.6億美元。

消費(fèi)電子產(chǎn)品的電源芯片、新能源車(chē)的電源芯片是GaN功率芯片最可能快速增長(zhǎng)的領(lǐng)域。目前GaN芯片成本較高導(dǎo)致充電器價(jià)格仍然較高，以配件銷(xiāo)售為主，未來(lái)2-3年隨著價(jià)格下降，預(yù)裝機(jī)會(huì)很大。在新能源車(chē)領(lǐng)域，在3-5年內(nèi)GaN功率器件有機(jī)會(huì)替代傳統(tǒng)Si-IGBT，但同時(shí)面臨與SiC功率器件的競(jìng)爭(zhēng)。

SiC的機(jī)會(huì)與市場(chǎng)空間

SiC器件的主要機(jī)會(huì)來(lái)自新能源車(chē)、高壓高溫電力電子等領(lǐng)域。從產(chǎn)品來(lái)看，SiC SBD二極管和SiC MOSFET將成為應(yīng)用最多的產(chǎn)品，前者廣泛用于各種電源，后者用于替代Si IGBT。

2017 年全球SiC功率器件市場(chǎng)3.99億美元。預(yù)計(jì)到 2023年市場(chǎng)總額將達(dá) 16.44億美元，年復(fù)合增長(zhǎng)率 26.6%。新能源汽車(chē)的電源管理是SiC功率器件的主要增長(zhǎng)驅(qū)動(dòng)因素。

由于材料體系類(lèi)似，國(guó)內(nèi)有不少傳統(tǒng)Si器件的公司例如比亞迪、斯達(dá)半導(dǎo)體等，也紛紛進(jìn)入SiC功率器件市場(chǎng)，相信未來(lái)還會(huì)有更多企業(yè)進(jìn)入，競(jìng)爭(zhēng)格局更加復(fù)雜。