編者按：進入數(shù)字化時代，芯片的重要性愈發(fā)凸顯。而在這其中，晶圓材料是核心承載物之一。單純硅作為第一代材料，已經(jīng)無法滿足更高壓、更大功率和低損耗等特性需求。第二代和第三代半導體材料順勢登場。隨著國內(nèi)生態(tài)的共同推進，以及材料廠商本身的持續(xù)研發(fā)迭代，大灣區(qū)內(nèi)的材料市場正散發(fā)出旺盛生命力。它們越過“瞪羚”企業(yè)發(fā)展過程中必經(jīng)的艱難時期，追趕更艱難的制程工藝，并以此進擊更完善的產(chǎn)業(yè)生態(tài)角色。
隨著粵港澳大灣區(qū)內(nèi)電子產(chǎn)業(yè)生態(tài)的日益磅礴，身處其中的上游半導體材料廠商們，也在市場的需求助推和自身技術演進過程中，日益壯大起來。
尤其是邁步5G浪潮中心，單純硅材料囿于其元素本身的限制，已經(jīng)在某些場景無法滿足對于更高壓、更大功率和低損耗等特性的需求。由此，以砷化鎵和磷化銦為代表的第二代，以及由碳化硅和氮化鎵為代表的第三代半導體應用市場在此間被逐步培育壯大，并在龍頭創(chuàng)新公司的帶動之下，走紅全球市場。
政策層面早已對我國發(fā)展半導體上游基礎前沿技術有了部署希冀。“十三五”期間，國家科技部在“國家重點研發(fā)計劃”中提到支持第三代半導體發(fā)展，國家2030計劃和“十四五”國家研發(fā)計劃也明確提出第三代半導體是重要發(fā)展方向，其也被列為國家科技創(chuàng)新2030重大項目“重點新材料研發(fā)及應用”。
在此期間，廣州提出組織實施“強芯”工程。深圳提出的“芯片制造補鏈工程”中，提及對關鍵設備和材料的研發(fā)及產(chǎn)業(yè)化；同時強調(diào)到2023年，要實現(xiàn)第三代半導體中試研發(fā)和器件生產(chǎn)線建成，帶動襯底、外延等環(huán)節(jié)加速發(fā)展，本地產(chǎn)業(yè)鏈配套和協(xié)作能力明顯提升，產(chǎn)業(yè)鏈競爭力顯著增強的目標。
如今在粵港澳大灣區(qū)內(nèi)的產(chǎn)業(yè)鏈公司中，有早年間隨著LED產(chǎn)業(yè)生態(tài)競合、成長起來，由此在氮化鎵領域有所積淀的廠商；有基于產(chǎn)業(yè)生態(tài)部署而深入含鎵材料化合物材料市場，并陸續(xù)邁步第二代和第三代半導體材料的廠商；也有自海外留學歸來，便認準并扎根第三代半導體完善產(chǎn)業(yè)鏈生態(tài)的創(chuàng)業(yè)公司。
雖然整體來看，在第二代和第三代半導體材料領域，國內(nèi)與國外或多或少依然有所差距，但隨著國內(nèi)生態(tài)的共同推進，以及材料廠商本身的持續(xù)研發(fā)迭代，大灣區(qū)內(nèi)的材料市場正散發(fā)出旺盛生命力。它們越過“瞪羚”企業(yè)發(fā)展過程中必經(jīng)的艱難時期，追趕更艱難的制程工藝，并以此進擊更完善的產(chǎn)業(yè)生態(tài)角色。
化合物半導體材料的起步
縱觀如今晶圓制造的原材料領域，硅片依然是半導體器件市場中九成的供應基礎所在。
但在5G、新能源汽車、功率半導體等市場應用的擴圍背景下，性能更匹配這些場景訴求的稀散金屬材料被愈發(fā)重視起來。
不同于硅片采用單質(zhì)材料，第二代和第三代半導體材料都是由至少兩個稀散金屬或其他元素組合構(gòu)成的化合物材料。這導致化合物半導體材料與硅片材料在生長過程中有一定程度不同，高純度原料也并不那么容易被獲得。
也因此，化合物半導體材料的襯底環(huán)節(jié)后，比硅片材料多了“外延”這一環(huán)節(jié)，正是影響到晶圓片純度、平整度的重要一環(huán)。這就考驗著材料廠商們的技術和產(chǎn)業(yè)鏈聯(lián)動實力。
2012年，先導稀材集團基于對鎵材料的能力積累，逐步將業(yè)務延伸到下游市場。新成立的先導先進材料公司，開始主要承接砷化鎵這一化合物半導體材料的制備及應用。
先導先進材料總經(jīng)理周鐵軍告訴南方財經(jīng)全媒體記者，化合物半導體材料在從2英寸晶圓迭代到如今的6英寸左右晶圓過程中，最大的難點就是晶體生長。
“尤其在進行大尺寸晶體生長時，其所需的溫度需要晶體加熱器的熱量從外往里進行輻射。但往往是晶體中心的溫度符合生長條件了，而周圍的溫度可能還沒有達到適合的生長條件；當周圍的溫度達到適合的生長條件時，中心溫度又容易超出適合晶體生長的溫度。這樣一來，晶體鏡像溫度的一致性就變得較難控制，從而就比較難長出大直徑的晶體。”他舉例道，如在砷化鎵晶體生長過程中，機器還會分為6個溫區(qū)，每個溫區(qū)溫度不同，構(gòu)成復雜的生長環(huán)境。
要解決這些問題，需要有專人與設備研發(fā)部門進行配合，更需要與半導體設備廠商有深度的戰(zhàn)略合作，聯(lián)合調(diào)教甚至共同開發(fā)改進試驗和生產(chǎn)設備。
當然在這其中，工藝會比設備更加關鍵。周鐵軍指出，由于生產(chǎn)設備終究是要配合工藝要求，有時候即便有了成熟的設備，也未必能夠生產(chǎn)出高質(zhì)量的襯底材料。本質(zhì)上看，這是一個需要產(chǎn)業(yè)環(huán)節(jié)緊密配合，彼此勢均力敵、共榮發(fā)展的過程。
持續(xù)研發(fā)努力逐步得到了市場回應。據(jù)調(diào)研機構(gòu)Yole Développement于2020年發(fā)布的報告顯示，預估2017至2019年間，全球范圍內(nèi)砷化鎵晶圓供應商的市場份額排名中，先導先進材料以98%的年增速，位居行業(yè)第三，市場份額為17%。
同期內(nèi)其他大廠的年增速均有所下滑，而考慮到2020年至今，全球主要材料供應國家都或多或少受到新冠肺炎疫情或災害天氣等因素影響，存在減產(chǎn)或短暫停工等現(xiàn)象，不排除中國廠商的市場占有率有較大提升空間。
據(jù)周鐵軍介紹，先導先進材料公司在技術演進過程中，始終對標著包括德國弗瑞伯格、日本住友電工等在內(nèi)的全球頂尖化合物半導體材料公司，并在全球范圍內(nèi)與化合物半導體領域?qū)＜液献鳌?/div>
目前，砷化鎵材料市場最快者推進到了8英寸晶圓，絕大部分還處在2-6英寸晶圓過程中，先導也是如此。不過周鐵軍指出，公司在2020年開始研發(fā)8英寸砷化鎵產(chǎn)品，計劃在2021年下半年將8英寸產(chǎn)品投入市場。從這個角度看，與全球核心公司的步伐相差無幾。
國內(nèi)產(chǎn)研勢力的進擊
縱觀全球半導體材料襯底領域，日本無疑是發(fā)展至今技術層面較為成熟的國家，且目前依然占據(jù)著優(yōu)勢地位。歐美則是隨著新材料應用市場的崛起，相關大廠近些年間通過并購整合等方式，也走向了成熟的發(fā)展周期。
一批國產(chǎn)勢力在近些年間，憑借日益成熟的產(chǎn)業(yè)生態(tài)，疊加技術能力積累，上游材料廠商們也有了充溢的發(fā)展實力。
典型如LED產(chǎn)業(yè)，其最初的技術路線并非全然由中國產(chǎn)研界提出，但隨著后續(xù)制備過程中對深層次技術能力的迭代需求，我們國家依然在此領域?qū)崿F(xiàn)了成熟的產(chǎn)業(yè)化路徑。
2013年至2014年間，中圖科技成立后開始了緊鑼密鼓地建廠。據(jù)介紹，2015年初，公司產(chǎn)線正式運營，經(jīng)過半年的調(diào)校探索，很快在2016-2017年間，業(yè)務基本走上正軌，并在2017年實現(xiàn)國內(nèi)領先。
得以快速完成這一過程，就是由自研技術驅(qū)動的。藍寶石襯底的氮化鎵路線最早并非由中國科學家提出，這一發(fā)展思路起源于日本，并在完成產(chǎn)業(yè)化驗證后，獲得了諾貝爾獎項，進而推動該技術路線在全球LED材料產(chǎn)業(yè)中推廣。
但中圖科技通過與產(chǎn)業(yè)界和學界的共同研究，2018年，時任中圖有限董事長、總經(jīng)理職務的康凱作為主要完成人，參與的項目“氮化物半導體大失配異質(zhì)外延技術”獲得國家技術發(fā)明獎二等獎，這也是支撐公司產(chǎn)品產(chǎn)業(yè)化落地的一個重要支點。
康凱向記者介紹，圖形化襯底工藝是一項開放性技術，通過光學設計的LED材料為錐體，需要掩膜和材料刻蝕同步進行，以達到最終所需結(jié)果。這是化合物半導體材料發(fā)展過程中的特殊性，與僅限于二維層面的硅基材料刻蝕有巨大區(qū)別，也是產(chǎn)業(yè)落地過程中的核心難點。
“我們做到了在刻蝕能力提升的同時，把二次掩膜刻蝕技術首次實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化，加速推動了藍寶石圖形化襯底技術大規(guī)模、低成本、重復穩(wěn)定的國產(chǎn)化進程。”他續(xù)稱。
在此基礎上，再進行技術的迭代演進就有了優(yōu)勢加成?？祫P向南方財經(jīng)全媒體記者表示，基于公司自身團隊對產(chǎn)業(yè)和技術能力領先的認知，再以此復制、擴產(chǎn)，很快就能實現(xiàn)更大的先進工藝規(guī)模效益，并讓后來者難以輕易超越。
“這個產(chǎn)業(yè)是充分開放式競爭環(huán)境，就要求公司需要在材料、技術等各方面綜合實力要超過同業(yè)，并且保證低成本、穩(wěn)定性，才能獲得更龐大的市場和客戶。”康凱如此總結(jié)道。
這也是中國公司在藍寶石襯底的氮化鎵材料制備技術，甚至在LED產(chǎn)業(yè)鏈發(fā)展過程中，逐步成為全球核心力量的原因之一。
在早年間，藍寶石材料在晶向選擇方面晶片背面的拋光精細度參數(shù)等在境內(nèi)外要求不同，在有頭部公司掌握了優(yōu)勢地位后，帶動國內(nèi)產(chǎn)業(yè)共同制定國家標準，也會對整個產(chǎn)業(yè)生態(tài)的更高效發(fā)展帶來啟迪作用。
由此，將進一步推動國內(nèi)的LED半導體產(chǎn)業(yè)，包括設備廠商、器件廠商等，實現(xiàn)更大規(guī)模的生態(tài)完善和成熟。
中圖科技招股書顯示，自2018年起，公司折合4英寸PSS（圖形化藍寶石襯底）月產(chǎn)能一直保持在100萬片以上，年產(chǎn)能超1300萬片。
另據(jù)LEDinside對全球GaN-LED外延片產(chǎn)量的測算，中圖公司2018-2020年連續(xù)三年全球市場占有率均超過26%，2020年全球市場占有率達到29.81%，目前為全球產(chǎn)銷規(guī)模最大的PSS廠商之一。
大灣區(qū)的優(yōu)勢能力就在于，憑借成熟的產(chǎn)業(yè)化生態(tài)鏈融合。一旦技術能夠獲得突破，接下來的大規(guī)模、低成本商用，就不是太難的問題。由此也推動中國在化合物半導體材料市場能夠?qū)崿F(xiàn)快速突破。
先導公司在持續(xù)發(fā)展中實現(xiàn)了類似路徑。周鐵軍告訴記者，公司剛進入第二代半導體材料市場時，主要份額被前述日、美國家頂尖公司所壟斷，導致下游企業(yè)發(fā)展舉步維艱，且襯底產(chǎn)品的價格極其昂貴，大部分利潤都被國外企業(yè)所截取。
“依托母公司先導稀材在稀散金屬材料科技領域的優(yōu)勢地位，先導先進材料通過持續(xù)研發(fā)投入，終于在2、4、6英寸砷化鎵襯底領域?qū)崿F(xiàn)產(chǎn)品性能達到頭部大廠的水平，但產(chǎn)品成本遠低于它們，這為公司用較低的價格搶奪市場創(chuàng)造了契機。”據(jù)周鐵軍介紹，公司前期虧損多年，但終究是扛過早期研發(fā)積累的艱難時期，走到如今份額。
探索平臺化路徑
對于任何電子生態(tài)鏈企業(yè)來說，平臺化經(jīng)營、串聯(lián)起更豐富的產(chǎn)業(yè)角色，都是發(fā)展到成熟期后的必由之路。不過新興材料領域公司由于面對著初期尚不成熟的生態(tài)環(huán)境，如何定位自己并承擔由此帶來的壓力，也是一個重要命題。
2009年，海外讀博歸來的汪之涵認準功率半導體行業(yè)的發(fā)展前景，與同學聯(lián)手開啟創(chuàng)業(yè)道路。2016年，為了拓展第三代半導體業(yè)務，基本半導體公司應運而生，專注于碳化硅功率器件的研發(fā)與產(chǎn)業(yè)化。
相比第一代和第二代半導體材料，第三代半導體材料是從技術到應用都更新興的領域，產(chǎn)業(yè)生態(tài)還不甚成熟，不同產(chǎn)業(yè)角色的實力也參差不齊。
“對我們這類創(chuàng)業(yè)型公司來說，成立之初就決定以IDM模式發(fā)展，會面臨很多風險和不確定性。”基本半導體董事長汪之涵向南方財經(jīng)全媒體記者坦言，公司采取循序漸進的發(fā)展模式，最開始以代工方式迅速研發(fā)產(chǎn)品推向市場，隨著公司深入發(fā)展，逐漸轉(zhuǎn)向IDM路徑。
“IDM模式是半導體企業(yè)在發(fā)展過程中的可選項之一，并不是必選。”汪之涵指出，產(chǎn)業(yè)間發(fā)展的常見模式之一是垂直整合。但是硅基集成電路領域已經(jīng)發(fā)展成為設計環(huán)節(jié)和制造環(huán)節(jié)由不同企業(yè)獨立完成的模式。
做出選擇的核心主要考量行業(yè)整體環(huán)境和企業(yè)所處地位。他認為，在集成電路領域，設計公司和代工廠分工合作，是一種成熟、有持續(xù)發(fā)展空間的方式。但是目前第三代半導體的重要應用是功率半導體器件，此領域的優(yōu)勢企業(yè)通常會選擇IDM發(fā)展模式，因其工藝技術對產(chǎn)品的性能、可靠性會帶來較大影響。
“如果完全讓設計和制造環(huán)節(jié)分開，很難做出一流的產(chǎn)品。所以無論是硅基功率半導體廠商，還是碳化硅功率半導體廠商，大多采用IDM發(fā)展模式。”汪之涵指出，基本半導體公司的愿景是成為國際一流的碳化硅功率器件企業(yè)，因此走IDM模式是必由之路。
“我們認為，考慮到材料特性差異，功率半導體市場中的碳化硅器件大規(guī)模替代硅基器件只是時間早晚問題。雖然市場還存在不確定性，但碳化硅行業(yè)的機會巨大，我們也提前進行了充分布局。”汪之涵表示。
“做產(chǎn)品不可能一蹴而就，即便在正式推出產(chǎn)品后，還需要通過客戶測試認證、小批量交付、大批量出貨這一漫長周期。我們通過高效發(fā)展，可以逐步彌補與海外先進企業(yè)的距離。所以有困難反而是動力和機遇。”他續(xù)稱。
如今，特斯拉等車企已經(jīng)全面采用碳化硅器件，給相關產(chǎn)業(yè)公司帶來更大信心。汪之涵指出，行業(yè)的大規(guī)模應用已經(jīng)在持續(xù)加速，加上技術路線確定，這讓團隊、客戶、合作伙伴和投資者都有很強信心。
據(jù)悉，目前基本半導體碳化硅功率器件產(chǎn)品性能已達到行業(yè)領先水平，被應用于新能源發(fā)電、電動汽車、軌道交通、智能電網(wǎng)和消費電子等領域。在不斷擴大國內(nèi)市場份額的同時，公司也在積極開拓海外市場,
在相對成熟的第二代半導體和藍寶石襯底的氮化鎵材料市場，基于自身地位構(gòu)建更豐富的產(chǎn)業(yè)鏈接能力，也正成為必然的路徑選擇。
周鐵軍告訴記者，先導先進公司所從事的化合物半導體行業(yè)是一個小眾行業(yè)，產(chǎn)值占整個半導體行業(yè)總產(chǎn)值不足5%，公司想要在化合物半導體行業(yè)內(nèi)汲取足夠多利潤、實現(xiàn)高速增長，乃至與歐美日等大廠商相抗衡，就必須實現(xiàn)在下游領域的多元化落地。
考慮及此，公司從生產(chǎn)發(fā)光二極管用的襯底產(chǎn)品開始著手，在占據(jù)較大市場份額后，開始往手機通訊、雷達用的襯底產(chǎn)品拓展。
隨著如今公司在砷化鎵領域?qū)崿F(xiàn)較高份額，基于垂直一體化發(fā)展戰(zhàn)略，則開始著手往更下游市場探索，以期挖掘新興業(yè)務增長點。
布局的其中一個下游市場是3D感測。據(jù)周鐵軍介紹，目前旗下公司完成VCSEL激光器外延、芯片的自主設計研發(fā)和小批量投產(chǎn)，已給多家客戶送樣測試，芯片性能與國際一流競品相當。
“進入VCSEL激光器芯片領域，意味著公司進入了半導體設計+半導體芯片制造環(huán)節(jié)。”他表示，公司未來將建立化合物半導體全產(chǎn)業(yè)鏈外延、芯片、封裝、模組和系統(tǒng)的生產(chǎn)制造，產(chǎn)品類型覆蓋射頻(HBT/HEMT)、光通(DFB/FP/DBR)、探測器(PIN/APD)和空間光伏領域，同時對外開放合作，開展外延、芯片代工業(yè)務和材料應用研究。
中圖基于此前在氮化鎵市場的積累，也開始探索向第三代半導體市場的進一步產(chǎn)研聯(lián)動。近期公司籌劃在科創(chuàng)板上市，募資用途其中一部分，就是用于“第三代半導體襯底材料工程研究中心建設項目”。
康凱向記者指出，現(xiàn)階段來看，美國公司在碳化硅基的氮化鎵技術路線上發(fā)展相對成功，日本則是通過藍寶石襯底的氮化鎵技術走通了另外一條發(fā)展路徑。這說明技術本身的發(fā)展路線并不唯一。
“募資投入第三代半導體材料市場的研發(fā)，是因為隨著我們在PSS領域逐步做大，有義務在新的前沿市場進一步深入研究。”他續(xù)稱，在細分領域做到全球領先水平后，就一定程度上掌握了突圍既往行業(yè)發(fā)展路線的思路和能力。隨著更大的產(chǎn)業(yè)市場被開啟，中圖也有能力進一步復制到其他市場進行探索和落地，從而形成平臺化發(fā)展模式。
當然他很清醒地認識到，產(chǎn)業(yè)投資過程中思路清晰很重要。“我們進行這類投資準備，不是為了趕風口，核心是抓團隊不抓項目，有合適的團隊就會予以相應關注。”康凱表示。
如今，在日益完備的國產(chǎn)半導體生態(tài)鏈條發(fā)展路徑之下，上游材料領域公司基于自身對技術研發(fā)的深厚積累，以及耐得住寂寞的初心，也正走向下一個高地。
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