2009-2019年期間，全球共關(guān)閉了100座晶圓代工廠。恰逢最新一輪全球規(guī)模芯片缺貨潮，半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)遭遇了前所未有的危機。堅持IDM模式的廠商開始改變觀念，2021年英特爾決定把部分芯片外包給臺積電，這個變化被業(yè)內(nèi)視為委外代工已成趨勢，但在SiC和GaN領(lǐng)域，似乎有著不一樣的市場表現(xiàn)……
新冠疫情爆發(fā)后，第三代半導(dǎo)體的發(fā)展進入到關(guān)鍵期。根據(jù)業(yè)內(nèi)的主流觀點，在過去一兩年里SiC和GaN已經(jīng)開啟商業(yè)化。今年年初，筆者對SiC(碳化硅)和GaN(氮化鎵)的競爭格局、發(fā)展趨勢以及供應(yīng)商情況做過解讀，本文則再談?wù)凷iC、GaN的產(chǎn)業(yè)化進度。
作為產(chǎn)業(yè)化最快的第三代半導(dǎo)體材料，SiC和GaN近兩年來的表現(xiàn)突出——2021年，SiC功率器件在特斯拉Model 3旗艦車型商用，標志著SiC材料在電動汽車領(lǐng)域正式批量應(yīng)用；2019年GaN在智能手機快充領(lǐng)域正式量產(chǎn)，到2021年年中出貨量突破了5000萬只。
由于SiC、GaN是新材料，各國企業(yè)均處于同一起跑線，因此被視為“中國半導(dǎo)體企業(yè)彎道超車”的一大機遇。在此基礎(chǔ)上，國內(nèi)外的半導(dǎo)體企業(yè)和投資者嗅到了商機。到2022年下半年，SiC和GaN的產(chǎn)業(yè)化進度如何？
SiC、GaN無需先進生產(chǎn)設(shè)備
被譽為“中國半導(dǎo)體教父”的張汝京曾公開表示，“第三代半導(dǎo)體的發(fā)展遵循的是‘后摩爾定律’，它的線寬都不是很小，設(shè)備也不是特別的貴，但是它的材料不容易做，設(shè)計上要有優(yōu)勢。”
眾所周知，“摩爾定律(Moore's Law)”的核心內(nèi)容是：集成電路上可以容納的晶體管數(shù)目，在大約每經(jīng)過18個月到24個月便會增加一倍。也即是，大約每兩年處理器的性能翻一倍、價格減少一半。在過去半個世紀里，半導(dǎo)體行業(yè)的發(fā)展一直在遵循“摩爾定律”，在芯片尺寸越來越小的同時，工藝節(jié)點的演進難度也呈指數(shù)增長。僅通過升級工藝來提升芯片性能的方法已無法滿足時代的需求，半導(dǎo)體行業(yè)逐步進入“后摩爾定律”時代——不再追求更大效能的芯片，而是強調(diào)多元化和實用性原則。
當然，張汝京說的“設(shè)備不是也特別的貴”，只是相對售價可高達數(shù)億美元的尖端半導(dǎo)體設(shè)備而言。采用成熟工藝產(chǎn)線即可生產(chǎn)第三代半導(dǎo)體功率器件，其產(chǎn)線投資與第一、二代半導(dǎo)體相比可以更低。半導(dǎo)體制造是重資產(chǎn)行業(yè)，就算成熟工藝產(chǎn)線的投入低于先進工藝產(chǎn)線，也不意味著建設(shè)一個晶圓廠能有多“便宜”。
泰科天潤應(yīng)用測試中心主任高遠大致估算了成熟工藝SiC晶圓廠的建廠成本。晶圓廠的建設(shè)需要經(jīng)過選址、廠房建設(shè)和廠務(wù)配套、設(shè)備導(dǎo)入/調(diào)試、工藝開發(fā)與驗證、產(chǎn)能爬坡等流程，每一個環(huán)節(jié)都需投入大量資金。晶圓廠要配置多臺設(shè)備來支撐產(chǎn)能，關(guān)鍵設(shè)備的單價就超過1000萬人民幣。更別說，一個晶圓廠需200人以上的團隊來運作，每年還有巨大的損耗成本和固定的折舊、運營成本。經(jīng)粗略估算——滿足10K片/年產(chǎn)能規(guī)模的設(shè)備就算被閑置，每年也會產(chǎn)生約1000萬人民幣的損耗成本。
晶圓廠還投資具有長期性、穩(wěn)定性，元器件在大規(guī)模量產(chǎn)前還要通過可靠性驗證，走完一輪產(chǎn)品驗證和可靠性驗證約耗時1000小時，完成兩輪驗證總計需耗時幾個月?？偟膩砜?，從廠房開始動工到全面滿產(chǎn)出貨，大致要耗費3到5年的周期。據(jù)業(yè)內(nèi)統(tǒng)計，建設(shè)一條4英寸線需平均投入1億人民幣，6英寸線平均10億人民幣，8英寸線平均40億人民幣。12英寸線的投入是8英寸線的2倍左右或以上。
筆者查詢到幾家國外原廠投資12英寸的消息：2021年TI宣布將新建4座12英寸晶圓廠，投資總額約達300億美元；臺積電今年在日本熊本縣開建的12英寸晶圓廠投資86億美元（規(guī)劃產(chǎn)能5.5萬片/月）；世創(chuàng)電子(Siltronic)去年動工的新加坡JTC淡濱尼12英寸廠投資總額約20億歐元；環(huán)球晶圓在美國德州謝爾曼市的12英寸硅晶圓廠(2025年投產(chǎn))計劃投資50億美元。
目前，先進制程的芯片(22nm及以內(nèi))和部分成熟制程芯片(90nm-28nm)采用12英寸晶圓來生產(chǎn)，90nm以上的成熟制程主要基于8英寸(0.5μm-90nm)和6英寸晶圓。無論從理論還是經(jīng)濟的角度來看，在大尺寸晶圓上生產(chǎn)工藝更復(fù)雜、制程更小的芯片，比在小尺寸晶圓上造成的浪費更少。例如，同一工藝的芯片在12英寸晶圓上生產(chǎn)，會比在8英寸晶圓上生產(chǎn)多2.385倍芯片。現(xiàn)在，高端智能手機、高端顯卡等追求先進工藝的芯片使用12英寸晶圓。
值得慶幸的是，SiC/GaN芯片采用成熟制程，無需太先進的生產(chǎn)設(shè)備。這也意味著，與第一、二代半導(dǎo)體相比，中國在第三代半導(dǎo)體領(lǐng)域有更大的發(fā)展空間，甚至可以說，在第三代半導(dǎo)體領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)“彎道超車”可能性也更大。相信這也是我國重視SiC、GaN項目的主要原因。
伴隨企業(yè)融資并購、廠商增資擴產(chǎn)、新玩家不斷進入，SiC、GaN行業(yè)欣欣向榮。據(jù)業(yè)內(nèi)媒體不完全統(tǒng)計，截至2021年7月，國內(nèi)SiC項目突破100個，GaN項目超過40個。在今年年初，筆者統(tǒng)計了部分SiC和GaN廠商的融資信息，發(fā)現(xiàn)自2020年開始新增的融資數(shù)量明顯增多，其中同光晶體、天域半導(dǎo)體、世紀金光、南砂晶圓等SiC襯底廠均有獲得新融資，發(fā)力GaN的廠商比如GaN Systems、Transphorm、VisIC、氮矽科技、鎵未來、芯元基等也有新融資。
SiC、GaN的主流運作模式
半導(dǎo)體行業(yè)主要的運作模式包括IDM(垂直整合制造)、Fabless(無工廠芯片供應(yīng)商)、Foundry(晶圓代工廠)、Fab-lite（既有IDM又與Foundry有合作）。IDM從設(shè)計到制造、封測、銷售自有品牌IC一手包辦，代表廠商有英特爾、TI、英飛凌、onsemi、ST、三星、美光、SK海力士、華潤微電子、士蘭微、英諾賽科等；Fabless只負責(zé)芯片設(shè)計和銷售，無芯片制造工廠，代表廠商有高通、聯(lián)發(fā)科、博通、納微半導(dǎo)體等；Foundry只負責(zé)芯片制造，不做芯片設(shè)計，代表廠商有臺積電、聯(lián)電、中芯國際等；Fab-lite是輕晶圓模式，自己設(shè)計、銷售，既自己生產(chǎn)芯片，也外包部分芯片出去。
1987年純晶圓代工廠臺積電的成立，開創(chuàng)了半導(dǎo)體史上的新篇章。至此之后，F(xiàn)abless的數(shù)量逐年增加，同時也出現(xiàn)了更多Foundry廠商。2008年次貸危機之后，IDM廠開始加速關(guān)閉晶圓廠。據(jù)IC Insights統(tǒng)計，2009-2019年期間，全球共關(guān)閉了100座晶圓代工廠，其中有24座8英寸晶圓廠，42座6英寸晶圓廠。由于關(guān)閉的晶圓廠數(shù)量較大，也導(dǎo)致最新一輪全球規(guī)模的芯片缺貨潮，給半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)帶來了前所未有的危機。堅持IDM模式的廠商開始改變觀念，2021年英特爾決定把部分芯片外包給臺積電，這個變化被業(yè)內(nèi)視為委外代工已成趨勢。而在SiC和GaN領(lǐng)域，似乎有著不一樣的市場表現(xiàn)。
SiC器件的技術(shù)難點主要在于襯底缺陷的控制，SiC晶圓要求在SiC材料上長晶，只是SiC材料耐高溫、硬度高，制備和加工難度高、損耗大，各環(huán)節(jié)間需要密切配合，所以供應(yīng)商以IDM企業(yè)為主。國外供應(yīng)商有Wolfspeed、II-VI、ST、onsemi、ROHM、Littelfuse、英飛凌、東芝、三菱電機、富士電機等，國內(nèi)供應(yīng)商有泰科天潤、揚杰科技、士蘭微、華潤微、三安光電、基本半導(dǎo)體等。也正是因為SiC工藝控制難度高，導(dǎo)致其良率偏低、市場價格高，目前主要應(yīng)用在汽車、工業(yè)領(lǐng)域。
GaN器件是HEMT(高電子遷移率晶體管)，能提供比Si/SiC器件更高的電子速度，所以GaN晶體管適用于高頻功率開關(guān)電路。GaN HEMT是平面導(dǎo)電結(jié)構(gòu)，不依賴于襯底，可在藍寶石或者硅襯底上實現(xiàn)。GaN的難點體現(xiàn)在多個方面：1.工藝方面，GaN材料面臨器件良率與一致性以及可靠性等問題的挑戰(zhàn)；2.封裝方面，因為GaN器件工作時電流大、功率高，溫度可達250℃，對封裝結(jié)構(gòu)的散熱設(shè)計要求非常高；3.應(yīng)用方面，GaN顛覆了傳統(tǒng)的電源行業(yè)，對PWM(脈沖寬度調(diào)制)控制芯片、變壓器廠商等提出更高的要求。
在GaN行，IDM和代工模式并存長期共存。走IDM模式有英諾賽科、英飛凌、TI、安世半導(dǎo)體(聞泰科技旗下)、ST、onsemi、華潤微電子等，走代工模式有納微半導(dǎo)體、GaN Systems、Power Integrations（簡稱PI）、Transphrom、EPC、VisIC、GaN Power等。
從長遠來看，IDM模式更有利于降低生產(chǎn)成本、發(fā)揮設(shè)計、制造與封測的協(xié)同效應(yīng)。英諾賽科首席運營官馮雷表示，2020年-2021年，全球半導(dǎo)體市場嚴重缺貨，晶圓代工廠滿產(chǎn)也無法滿足訂單需求，F(xiàn)abless廠的產(chǎn)能受制于代工廠。“這給了大家一個明確的信號——IDM模式在確保供應(yīng)穩(wěn)定性方面，比Fabless模式更具優(yōu)勢。又因功率半導(dǎo)體的工藝不依賴尺寸，它不追求7nm、5nm等先進制程，相對于邏輯IC來說工藝技術(shù)難度低，也無需動輒百億美金的產(chǎn)線資金投入。功率半導(dǎo)體能夠支持高電壓、大電流，在確定的線寬設(shè)計規(guī)則下，去調(diào)整所有的底層寄生參數(shù)，讓它最接近理想的開關(guān)，又能保證在不同QC(質(zhì)量控制)值上可靠應(yīng)用。”
馮雷表示，每家IDM廠商生產(chǎn)的功率器件具有不同的結(jié)構(gòu)，而代工模式生產(chǎn)出來的功率器件的參數(shù)基本上千篇一律。對此，他強調(diào)說：“并不是說這樣的方式(代工模式)不好，F(xiàn)abless通過穩(wěn)定的代工平臺，不用走那么多循環(huán)、不用調(diào)生產(chǎn)工藝，能極大縮短產(chǎn)品進入市場的周期。不過，歸根到底，大家都回避不掉兩個問題——一個是技術(shù)進步，另一個是產(chǎn)能保障。”
英諾賽科走的是IDM模式。早在2017年，英諾賽科珠海研發(fā)生產(chǎn)基地就開始量產(chǎn)，到現(xiàn)在其GaN-on-Si(硅基氮化鎵)晶圓產(chǎn)能達4000片/月。2021年6月，英諾賽科蘇州工廠實現(xiàn)量產(chǎn)，其規(guī)劃產(chǎn)能是6.5萬片/月，是珠海工廠的10-20倍。據(jù)馮雷介紹，珠海和蘇州工廠在滿產(chǎn)狀態(tài)下，能供應(yīng)全球50%以上的GaN產(chǎn)能。
SiC目前仍以6英寸為主
當晶圓尺寸越大，其單片面積就越大、邊緣浪費更小，單位時間內(nèi)產(chǎn)出的襯底、外延更多，芯片的產(chǎn)能也就越大、單顆芯片成本也越低。
咨詢機構(gòu)PGC Consultancy預(yù)測稱：8英寸SiC的襯底價格、缺陷密度、芯片面積、芯片價格明顯呈下降的趨勢，隨著每一代芯片單位面積的減小，8英寸(200mm)和6英寸(150mm)的成本差距也越來越小。
集邦咨詢化合物半導(dǎo)體分析師龔瑞驕表示，現(xiàn)階段用于功率器件的N型SiC襯底仍以6英寸為主，SiC襯底從6英寸轉(zhuǎn)向8英寸短期內(nèi)不會完成。“4英寸N-Type的價格非常穩(wěn)定，主要應(yīng)用在二極管等低端器件市場，6英寸片也因技術(shù)不斷成熟價格逐漸穩(wěn)定，8英寸片剛剛推向市場，良率比較低、制造成本過高，短期內(nèi)不具備性價比，其價格下行空間相當大。預(yù)計到2026年，8英寸片的市場份額將達15%。屆時，4英寸片會慢慢淡出市場，6英寸片將長期作為市場主流。”
Wolfspeed財報說明數(shù)據(jù)顯示：單從晶圓加工成本來看，從6英寸升級到8英寸晶圓成本是增加的，但8英寸晶圓的芯片產(chǎn)量更高、成本更低，它能獲得的優(yōu)良裸片數(shù)量提升了20%-30%。這也是近年來SiC晶圓廠積極往8英寸升級的重要原因。
ROHM、英飛凌、Wolfspeed、Soitec、ST等在內(nèi)的國際廠商在發(fā)力8英寸SiC晶圓。Wolfspeed的8英寸SiC晶圓在今年開始量產(chǎn)，Soitec在今年5月發(fā)布了首款8英寸SmartSiC™晶圓，ST在今年7月宣布瑞典北雪平工廠成功制造出了首批8英寸SiC晶圓片，ROHM、英飛凌的8英寸預(yù)計于2023量產(chǎn)。此外，今年3月初，國內(nèi)的爍科晶體宣布已具備8英寸N型SiC拋光片小批量生產(chǎn)能力,今年8月12日，晶盛機電宣布首顆8英寸N型SiC晶體出爐。
對此，高遠表示，如今的SiC市場仍以6英寸為主，這種狀態(tài)將會持續(xù)好幾年。“國內(nèi)材料廠商可先積累8英寸SiC的技術(shù)，做好相關(guān)技術(shù)，開發(fā)出滿足生產(chǎn)需求的材料，器件廠需提前做好準備，在材料成熟后再發(fā)力。”據(jù)介紹，泰科天潤的北京4英寸SiC線已于2012年量產(chǎn)，長沙6英寸SiC線已于2021年Q3量產(chǎn)。其長沙6英寸SiC晶圓廠在今年1-4月的訂單總金額突破1億元人民幣，一期產(chǎn)能達到6萬片/年，二期將于2023年完成擴產(chǎn)至10萬片/年。
SiC已在車身的OBC(車載充電器)、DC-DC(直流-直流)轉(zhuǎn)換器取得應(yīng)用，相信在需求越來越迫切以后，800V的高壓系統(tǒng)中的SiC功率元器件會被進一步放大，高壓直流充電樁SiC也將得到采納。軌道交通方面，日本的三菱、日立走到了行業(yè)前沿，中國大陸主要有中車時代電氣，其SiC MOSFET量產(chǎn)產(chǎn)品正在擴展車用客戶。
受益于車用市場的繁榮，SiC市場開始大規(guī)模放量，只是整個產(chǎn)業(yè)鏈還未完全成熟。當前，上汽、北汽、廣汽、吉利等車企正在擲重金投資本土SiC，泰科天潤、華潤微電子等SiC供應(yīng)商已經(jīng)取得不錯的成績。車用模塊方面，比亞迪、斯達半導(dǎo)有豐富的經(jīng)驗，相信切換到SiC賽道也會有不錯的表現(xiàn)。
GaN產(chǎn)業(yè)化速度比SiC稍慢
GaN產(chǎn)業(yè)化的進度要比SiC慢，其晶圓正處于4英寸向6英寸過渡的階段。GaN材料的熔點高且需要高壓環(huán)境，很難采用熔融的結(jié)晶技術(shù)來制作GaN襯底，所以目前主要是使用GaN以外的基板。
表1：不同GaN外延片的特點
日本京都大學(xué)研究生院工學(xué)研究院電子工學(xué)專業(yè)副教授須田淳曾發(fā)文介紹了GaN的研究歷史。筆者根據(jù)他的觀點做了簡化——GaN晶體的生長利用氨氣相法，生長溫度在1000℃以上，單晶藍寶石(AI2O3)在高溫氨氣下的特性穩(wěn)定。不過，GaN與藍寶石的化學(xué)性質(zhì)、熱膨脹系數(shù)和晶格常數(shù)相差較大，藍寶石基板上生長的GaN晶體粗糙且缺陷多。后來，科研人員通過低溫堆積緩沖層技術(shù)，在藍寶石基板與GaN外延層之間設(shè)置低溫堆積的緩沖層，成功獲得了平坦的GaN晶體。
直到21世紀前后，AIGaN/GaN HEMT開始用于功率元器件。起初，研究人員分別在藍寶石基板上和SiC基板上制作了GaN功率元器件，由于SiC基板和藍寶石基板的成本高昂，為了更加經(jīng)濟，科研人員著手研究價格低、口徑大的Si基板。低溫堆積緩沖層技術(shù)也可用于Si基板，該類基板能實現(xiàn)與藍寶石基板上的GaN基本相同的晶體缺陷密度。GaN與Si的熱膨脹系數(shù)差較大，在生長GaN后進行冷卻時會產(chǎn)生很大的應(yīng)力，熱膨脹系數(shù)差會導(dǎo)致裂紋的產(chǎn)生。之后，研究人員又開發(fā)出了形變控制技術(shù)，通過提前使GaN層發(fā)生反向形變，來抵消高溫生長晶體后再降溫時所產(chǎn)生的形變。
GaN晶圓尺寸的進一步升級，面臨著諸多困難。如今，基于6英寸Si基板的GaN功率元件實現(xiàn)了產(chǎn)品化，想要進一步降低價格就必須擴大口徑，在8英寸Si基板產(chǎn)業(yè)化路上還面臨更多的挑戰(zhàn)，許多機構(gòu)和企業(yè)正在積極展開研究。而GaN同質(zhì)外延片(GaN單晶襯底)適合用于藍/綠激光器、功率領(lǐng)域，但因工藝、成本問題，還未大規(guī)模商用。
2020年，納微半導(dǎo)體的GaN功率器件滲透到智能手機快速充電器上，在消費類快充領(lǐng)域的批量商用讓GaN功率市場成長了幾倍，也在2020年年底全球GaN器件出貨量超過1000萬。大家對GaN在汽車電子領(lǐng)域的應(yīng)用也充滿期待，盡管TI、GaN Systems、安世半導(dǎo)體等廠商陸續(xù)推出了車規(guī)級GaN器件，并與整車企業(yè)展開了深入合作，預(yù)估近幾年內(nèi)GaN也只會小批量滲透到車載OBC和DC-DC中。到了2022年，GaN器件供應(yīng)商加大力度推廣數(shù)據(jù)中心應(yīng)用方案。據(jù)悉，現(xiàn)在的GaN功率器件主要用于數(shù)據(jù)中心的PSU(電源供應(yīng)單元)。
隨著CPU、GPU、內(nèi)存等器件的升級迭代，數(shù)據(jù)中心的功耗也顯著增加。中國電子技術(shù)標準化研究院2019年披露的《綠色數(shù)據(jù)中心白皮書》顯示：預(yù)計到2023年，中國數(shù)據(jù)中心耗電量將突破2500億千瓦時。參考官方統(tǒng)計數(shù)據(jù)，2020、2021年三峽水電站年發(fā)電量均為1000億千瓦時出頭，這意味著2023年中國數(shù)據(jù)中心的年耗電量約為2.5個三峽水電站的發(fā)電量。
GaN Systems曾公開表示，50%負載下新電源模塊的能源效率大約為98%，僅此一項就可節(jié)省數(shù)據(jù)中心10%總能耗，再配合推進數(shù)據(jù)中心UPS電源及制冷系統(tǒng)的電源替代，最終節(jié)能效果有望達20%。同時，數(shù)據(jù)中心對算力的需求也有極大提升，高速運算對動態(tài)響應(yīng)的要求更高，這就給供電系統(tǒng)帶來極大挑戰(zhàn)。
現(xiàn)在，國家要求新建大型、超大型數(shù)據(jù)中心的PUE(電能使用效率值)達到1.4以下。PUE是評價數(shù)據(jù)中心能源效率的指標，PUE=數(shù)據(jù)中心總能耗/IT設(shè)備能耗，其值大于1，越接近1，表明非IT設(shè)備耗能越少，即能效水平越好。
數(shù)據(jù)中心總能耗由IT設(shè)備、制冷設(shè)備、供配電系統(tǒng)和照明等其他設(shè)備所產(chǎn)生的能耗組成。國內(nèi)外有許多企業(yè)和機構(gòu)針對數(shù)據(jù)中心能耗構(gòu)成做了諸多研究和調(diào)查，雖然具體比例不同，但是能耗構(gòu)成和排序基本類似。筆者引用一組典型的數(shù)據(jù)：制冷設(shè)備能耗約占45%，IT設(shè)備能耗占30%，供配電系統(tǒng)能耗占24%，照明及其他設(shè)備能耗約占1%。
除了服務(wù)器電源之外，GaN功率器件還適用于電動汽車逆變器。受益于800V汽車市場的推動，SiC“上車”的時機已非常成熟，而GaN在“上車”方面還處于早期階段，盡管Tier1和OEM廠商頗有興趣，但GaN仍受供應(yīng)鏈生態(tài)、產(chǎn)能、技術(shù)不成熟限制。
再看GaN-on-Si的供應(yīng)情況，EPC集中在低壓市場并有望成為48V的領(lǐng)導(dǎo)者；納微半導(dǎo)體覆蓋中壓市場；ROHM覆蓋低壓和中高壓市場；Transphorm、華潤微電子、潤芯微則已經(jīng)推出900V的產(chǎn)品。不過，大部分廠商的產(chǎn)品集中在600V-650V區(qū)間，比如TI的GaN FET器件系列(600V/650V)、ST的STDRIVE 600V柵極驅(qū)動器和GaN HEMT(600V)等。
