近日，第七屆國際第三代半導體論壇暨第十八屆中國國際半導體照明論壇（IFWS & SSLCHINA 2021）在深圳會展中心舉行。本屆論壇由第三代半導體產業(yè)技術創(chuàng)新戰(zhàn)略聯(lián)盟（CASA）、國家半導體照明工程研發(fā)及產業(yè)聯(lián)盟（CSA）聯(lián)合主辦，北京麥肯橋新材料生產力促進中心有限公司與半導體產業(yè)網共同承辦。
期間，由山西爍科晶體有限公司協(xié)辦支持的“碳化硅襯底與外延“論壇如期舉行。
當前，中國集成電路發(fā)展勢頭兇猛，第三次半導體產業(yè)轉移趨向中國。摩爾定律放緩，集成電路發(fā)展分化?；衔锇雽w材料發(fā)展正當其時。2020年，我國芯片進口超過3500億美元，芯片自給率不足20%。全球經濟開始復蘇，一“芯” 難求（汽車電子），美國限制中國半導體產業(yè)向高端發(fā)展，打壓持續(xù)升級。國內半導體行業(yè)迎來新的挑戰(zhàn)和發(fā)展機遇。各經濟體以前所未有的力度扶持半導體產業(yè)，我國也將SiC、GaN列入十四五發(fā)展規(guī)劃。
會上，山西爍科晶體有限公司總助馬康夫帶來了”化合物半導體材料發(fā)展展望“的主題報告，報告分享了目前化合物半導體的產業(yè)情況，并從半導體材料發(fā)展歷程、政策支持、主要性能優(yōu)勢以及應用場景等方面分析了半導體材料發(fā)展的必要性。報告中對典型半導體材料(砷化鎵、磷化銦、碳化硅、氮化鎵)的市場情況、發(fā)展現(xiàn)狀等進行了概述。并詳細分享了碳化硅材料的技術現(xiàn)狀及未來發(fā)展狀況。
當前化合物半導體材料新應用場景開拓，市場快速增長。其中，磷化銦應用涵蓋光纖通信、光電器件、醫(yī)療及傳感等多種領域。所制備的1.3~1.6μm光源和探測器已廣泛用于光纖通信中；光電器件方面得到廣泛應用。
磷化銦襯底材料處于光通信產業(yè)鏈上游，國外壟斷格局明顯。由于在磷化銦單晶生長設備和技術方面存在較高壁壘，市場以少數(shù)幾家國外廠商為主，日本住友、日本能源、美國AXT(中國生產)、法國InPact、英國WaferTech 5家廠商占據(jù)了全球近80%的市場份額。
根據(jù)Semiconductor Today預測，2024年全球磷化銦應用市場規(guī)模將提高到1.7億美元，復合增長率為14%。數(shù)通光模塊在IDC高速增長下市場規(guī)模增量有望升級，2024年增長至0.96億美元、占比56%。電信光模塊應用在5G驅動下增長穩(wěn)定，2024年增長至0.53億美元、占比31%。
磷化銦2英寸襯底需求目前占主導地位，4英寸需求未來穩(wěn)步增加。根據(jù)《中國新材料產業(yè)發(fā)展年度報告》預測，2021年全球2英寸磷化銦襯底需求達到約400萬片，Yole預測2021年4英寸磷化銦襯底需求約105萬片。其中中國大陸2英寸襯底需求預期2021年會達到40萬片。而未來全球4英寸襯底的需求預期2024年擴張至約160萬片，其中數(shù)通領域的應用料將逐步增加并在未來超過電信領域占主導地位。
氮化鋁禁帶寬度高達6.2eV，在深紫外發(fā)光波段表現(xiàn)出獨特優(yōu)勢，如氮化鋁基紫外發(fā)光器件可以實現(xiàn)200nm~400nm全紫外波段的應用，覆蓋紫外固化、紫外醫(yī)療、紫外催化、紫外滅菌、紫外通信、高密度存儲等應用領域。此外，氮化鋁的高穩(wěn)定性、高聲速傳播速度特點，是5G通信射頻濾波、MEMS傳感器的最佳材料。
同質外延工藝經過近20年的發(fā)展，取得了不少進步，目前全球范圍內有能力小批量制備2英寸、高質量的氮化鋁單晶襯底的機構仍然非常有限。截至當前，全球僅有少數(shù)幾家企業(yè)（Crystal IS Inc.、Hexatech Inc.和奧趨光電）具備小批量生產2英寸氮化鋁晶圓襯底能力。由于氮化鋁材料的敏感用途，美國任意尺寸的氮化鋁晶片對中國實行禁運。
與相對較為成熟的SiC、GaN產業(yè)鏈相比，氮化鋁產業(yè)化應用才剛剛開始。在光電子器件領域，隨著“水俁公約”的逐步實施，高功率紫外LED芯片對氮化鋁單晶襯底有著巨大的需求。在功率電力電子領域，AlN功率器件具有高關態(tài)阻斷電壓、超低導通電阻及超快開關時間，具有優(yōu)異的高功率和高效率，綜合性能是現(xiàn)有功率器件的10倍左右。氮化鋁應用市場非常值得期待。但無論是從生長理論完善、還是工藝技術實現(xiàn)及成本控制上，尤其是進一步開發(fā)4英寸/6英寸可摻雜、低位錯密度、低成本的氮化鋁單晶襯底生長技術仍是其面臨的巨大挑戰(zhàn)。
氧化鎵材料方面，近年來日本對氧化鎵(Ga2O3)的研究屢次取得進展，使這種第四代半導體的代表材料走入了人們的視野，憑借其比 SiC 和 GaN 更寬的禁帶、耐高壓、大功率等更優(yōu)的特性，以及極低的制造成本，在功率應用方面具有獨特優(yōu)勢。因此，近幾年關于氧化鎵的研究又熱了起來。氧化鎵尺寸以前所未有的斜率快速增長，這得益于其材料可以通過液相法進行生長，且已經接近目前SiC和GaN的最大商用化尺寸。很有可能在尺寸方面，即大規(guī)模制造的可能性和成本方面對上述造成后來者居上的威脅。
碳化硅材料方面，新能源汽車商用開啟、5G商用等多因素推動，需求爆發(fā)，拐點臨近，行業(yè)已經開始逐步渡過萌芽期，即將進入快速成長期。
報告指出，碳化硅產業(yè)進一步發(fā)展面臨著問題人才稀缺、需要時間積累等難題，以及產能短期過剩狀況和國外降價等風險，但也有國內外差距相對小、建廠投資少等機遇。
中電科材料公司2019年注冊成立，2020年實現(xiàn)收入27億元。
山西爍科作為一家從事第三代半導體碳化硅材料生產研發(fā)的高新技術企業(yè)，是中國電科集團“十二大創(chuàng)新平臺”之一，山西省碳化硅材料中試基地依托單位。核心團隊在該領域已經耕耘十余年，具備碳化硅材料粉料合成、單晶生長、晶片加工、襯底檢測的全線產研能力，是國內首家被報道的成功實現(xiàn)6英寸高純半絕緣4H-SiC單晶生長的單位。已經建成目前國內規(guī)模最大的中國電科（山西）碳化硅材料產業(yè)基地，實現(xiàn)了4英寸高純半絕緣4H-SiC襯底產業(yè)化，經下游客戶批量應用驗證，產品達到國際先進水平。
功率微波器件的4-6英寸高純半絕緣SiC襯底制備工藝及機理研究方面。通過工藝改進與優(yōu)化，N濃度持續(xù)降低，實現(xiàn)N濃度<1E16cm-3，與Cree水平相當，經鑒定技術水平達到國際先進水平。成為國內首家實現(xiàn)4英寸軍用高純半絕緣4H-SiC襯底批量化供應單位；國內首次報道6英寸高純半絕緣 4H-SiC單晶襯底研制。
N型4H-SiC襯底方面，突破了8英寸籽晶粘接、擴徑生長、應力控制等核心技術，最終成功研制出8英寸晶體。
產業(yè)建設方面，中電科材料公司碳化硅產業(yè)園一期（2019-2022）總投資10億元。 廠房2.6萬平米，600臺碳化硅單晶生長爐，將年產高純晶片10萬片，N型晶片18萬片。
碳化硅產業(yè)園二期（2023-2025）總投資30億元， 廠房8萬平米，2000臺碳化硅單晶生長爐，將年產高純晶片10萬片，N型晶片150萬片。
報告表示，未來五年將是第三代半導體產業(yè)發(fā)展的關鍵期。全球資本加速進入第三代半導體材料、器件領域，產能大幅度提升，企業(yè)并購頻發(fā)，正處于產業(yè)爆發(fā)前的“搶跑”階段。我國在市場和應用端有戰(zhàn)略優(yōu)勢，正在形成完善的產業(yè)鏈和生態(tài)鏈，國際巨頭還未形成專利、標準和規(guī)模的完全壟斷，我們有機會實現(xiàn)關鍵核心技術突破和產業(yè)戰(zhàn)略引領，重塑全球半導體產業(yè)格局
馬康夫博士，高級工程師，曾任中國電子科技集團公司第二研究所SiC材料技術專家，現(xiàn)任山西爍科晶體有限公司總經理助理。從事SiC材料研發(fā)多年，承擔省部級項目10余項。獲山西省“三晉英才-青年優(yōu)秀人才”稱號，獲中國電子科技集團公司科技進步一等獎1項，三等獎1項。在國內外發(fā)表相關研究論文10余篇，申請專利10余項。
（內容根據(jù)現(xiàn)場資料整理，如有出入敬請諒解）
