半导体设备：国产替代正当时

1. 半导体设备：国产替代正当时

 　　半导体行业技术高、进步快，一代产品需要一代工艺，而一代工艺需要一代设备。IC制造设备主要分为光刻机、刻蚀机、薄膜设备、扩散离子注入设备、湿法设备、过程检测等六大类，其中光刻机约占总体设备销售额的18%，刻蚀机约占20%，薄膜设备约占20%。
  　　国际半导体产业协会预计2020年半导体设备市场将增长20.7%，达到719亿美元，创历史新高。2017年中国大陆市场需求规模约占全球的15%左右，2020年预计占比将达到20%，约170亿美元。
  　　半导体设备市场集中度高，主要由美日荷厂商垄断。总体上看，半导体设备市场CR十超60%，前五名分别为应用材料、拉姆研究、东京电子、阿斯麦和科磊半导体；局部上看，每一大类设备市场均呈现寡头竞争格局，前两名厂商占据一半以上的市场份额。
  　　根据中国电子专用设备工业协会数据，国产替代空间巨大，国内厂商仍处于技术追赶期。但随着技术进步放缓，国内厂商与全球龙头技术差距正在逐渐缩短，未来3-5年将是半导体设备国产替代黄金战略机遇期。
  　　投资建议：国内半导体设备市场虽大但自给率低，国产替代空间巨大；随着摩尔定律趋近极限技术进步放缓，国产厂商技术加速追赶，国产替代正当时。受益于半导体设备国产替代，国内厂商有望加速发展，推荐标的： 北方华创、至纯科技、精测电子、长川科技。 
  （文章来源：证券市场红周刊）

2. 半导体技术受制，国产替代正当时（附各领域个股汇总）

 目前半导体行业处境艰难，部分核心的芯片技术掌握在他国手中。国内每年付出高昂的代价从他国引进先进技术和核心部件以及产品。如今，伴随着进口方面受到限制，国产替代，自主创新迫在眉睫！
   伴随着 科技 力量的全球化普及，日新月异的 科技 核心技术成为核心竞争力。 科技 的硬核当属半导体行业，并且半导体+芯片辐射到 科技 的各个领域！
   
   我相信部分投资者对半导体领域的分类以及芯片的流程的了解不是很清晰，下面我们来进行分类，罗列出受制的核心领域，并逐一汇总。
   半导体行业涉及的领域很多，比如存储器芯片、内存芯片、手机芯片、处理器CPU芯片、指纹识别芯片、摄像头芯片、互联网芯片、通信处理芯片、图形处理芯片、射频芯片、滤波器芯片元件、LED芯片、OLED芯片、人工智能芯片、无人驾驶芯片、北斗导航芯片等等。
   在众多领域中，部分芯片技术具备一定的市场占有率，如指纹芯片的汇顶 科技 、人工智能芯片的寒武纪和超级计算机芯片的总参谋第五十六研究所、北斗导航芯片的华大半导体、LED芯片的三安光电、手机芯片的华为海思。
   但是核心的领域，如 存储器芯片、通信处理芯片、图形处理芯片、射频芯片以及滤波器芯片元器件 等却寥寥无几，远远落后！以存储器为例，目前国内上市公司中除了华为海思外，最强大的当属兆易创新。但是即便是兆易创新，目前成熟的产品也只是国外已经不再用的Nor Flash代码型闪存芯片，第二代的NAND Flash数据型闪存芯片目前还不到1%的市场占有率，就更别提第三代3D NAND Flash。国外方面，目前美光、东芝、因特尔、荷兰的恩智浦以及韩国的海力士基本上瓜分了所有市场份额！
   至于通信处理芯片、图形处理芯片、射频芯片以及滤波器都是 科技 的重点领域也同样处于被动的地位，相差无几。
   
    通过对芯片进行分类，望投资者朋友们了解国内外的差距，进而寻找出落后的核心领域。也希望在政策的指引下，我们能尽快在关键领域研发出自主的半导体芯片！ 
   众所周知，芯片的制作流程主要是三个方面：设计、制造和封装。其中，制造方面占据了大部分的市场空间。制造方面根据细分环节可以分为：切割、抛光、光刻、刻蚀、镀膜等方面。其中光刻和刻蚀是制造方面技术含量最高的环节，也是时下跟国外差距之所在。
   
   相关的上市公司在芯片分类环节已有提及，目前国内核心的公司是华为海思和兆易创新。
   
   靶材的江丰电子、光刻机领域的上海微电子、薄膜沉积设备的北方华创、等离子刻蚀的中微半导体、单晶硅生长炉的晶盛机电以及自动清洗设备的盛美半导体等等。
   
   封测领域国内落后不太多，主要的上市公司是长川 科技 、长电 科技 、杨杰 科技 、通富微电等。
   另外，封测领域也是集成电路产业基金一期重点布局的领域。
   
   值得一提的是由于制造和设备方面落后的巨大差距，集成电路产业基金二期投入的重点领域便是半导体制造、设备以及现在要讲到的原材料领域。半导体行业涉及的原材料众多，主要分布在制程材料、封测材料和功率半导体等。
   制程材料主要有抛光材料的鼎龙股份、靶材的江丰电子、湿电子化学品的上海新阳、电子气体的南大光电、光刻胶的强力新材等等
   封测材料主要是键合丝的康强电子、陶瓷封装材料的三环集团、包装材料江苏中鹏、封装基板的深南电路等等。
   功率半导体主要有绝缘栅双极型晶体管IGBT的捷捷微电、金属晶体管的长电 科技 、二极管的杨杰 科技 、氮化镓GaN器件的三安光电、碳化硅SiC器件的华润华晶微电子等等。
   除此之外，PCB基板方面主要的对象是深南电路。
    值得一提的是，代工厂方面，中芯国际目前14纳米技术已经实现量产。前期由于台积电给华为供货受到限制，华为只能在14纳米领域寻找中芯合作，再此也希望中芯国际能早日实现国产替代，增加国际影响力和市场占有率。 
   
   到这里，半导体行业的各个环节就介绍完了，由于各方面上市公司众多，文中提及的都是各细分领域的龙头个股，请各位理解！
   文中所述半导体行业分类及汇总皆为本人研究和统计所得，谢绝转载等各种形式复制！另外，文中个股仅供研究和参考，不作为买卖建议！

3. 美国视中国半导体为对手，围追堵截数年，国产芯片是如何做到逆势增长的？

国产芯片之所以能够做到逆势增长，是因为我国政府加大了对芯片行业的研究力度，再加上所有科技公司的共同努力，才能够最终实现芯片产业的增长。
芯片是非常重要的科技产品，尤其是对于一个大国家而言。芯片的重要性不言而喻，而我国作为世界上最大的发展中国家。每年都需要向国外进口大量的芯片，但是国内芯片的发展进度曾经一度受到了限制。因此这也成为了我们为数不多的短板，欧美国家正是因为把握住了这一短板，对我们展开了各方面的围堵工作。



美国视中国半导体为对手，围追堵截数年。美国是世界上最强大的国家，经济军事以及各个方面，在全世界当中都有着主导位置。而中国作为最大的发展中国家，也是最具有发展潜力的。因此美国总是将中国视为对手，尤其是中国的半导体产业。对中国的半导体产业展开了围追堵截，时间长达数年之久。但是经过长时间的围剿，我们也可以发现国内的芯片制造水平居然有所上升。



因为国家加大了研发的力度。之所以在西方欧美国家的围剿之下，我国的芯片产业链能够呈现大幅度的增加。归根结底，因为我国政府加大了对芯片的研发力度。在很早之前的时候，我们就已经认识到了芯片的重要性。因此总是会想方设法的提高芯片的研究以及技术，但是很可惜的是。芯片要想在短时间之内有所提升，完全是不可能做到的。但是我们也并没有就此放弃，在长达十几年的时间当中，每年都会在芯片方面的领域投入大量的资金。除此之外，在这背后也离不开很多科技人员以及科技公司的努力。无论是个人或者公司，都为国家的发展和进步贡献了一份自己的力量。

4. 半导体设备的国产化为什么这么难

从成本构成来看，国产设备企业和国外企业相差不大，如关键零部件都是采购而来，人员和管理费用也相仿，但是实际上，产业大环境却十分不同。比方说，同是采购零部件，我国企业因为是进口，所以要承担税费，而且有些零部件订货需要出口许可证;因为订货量相对小很多，采购价格高;产业配套条件不同，如实现某些设计验证国内企业要花更高的成本;缺乏人才等。


国产设备的设计水平和国际水平相差并不大，严格来说，真正的差距在于，一般国产半导体设备尚处在样机阶段就交给客户，稳定度不够，这就会导致经常down机。

5. 半导体细分析行业逆势走高，国产龙头替代坚定全面展开

近期从行业数据来看，模拟芯片龙头销售数据却逆势保持稳健，在半导体细分行业销售数据中保持领先。
  
 中国台湾地区半导体行业数据5月同比下滑幅度有所收窄，从产品方向来看，以模拟芯片设计为主要产品的合计10家厂商5月同比增长12.1%，同比增速虽有回落，但遥遥领先全产业链，其中联咏和威盛两家同比增速在20%以上，同类公司表现最好，矽力杰5月单月同比增长8.6%，为近6个月首次单月同比增长。
  
 全球模拟龙头第二名ADI发布2019年第二季度财报，收入、营业利润率和每股盈利均高于公司前期指引中点。
  
 通讯与消费类电子产品是目前模拟芯片最主要的应用领域，主要应用信号链、数据转换器等产品，未来3-5年的成长速度可望维持在10%以上。
  
 圣邦股份是国内稀缺模拟IC设计商，公司产品集中在模拟电路，主营业务为模拟芯片的研发与销售，主要产品为高性能模拟芯片，覆盖信号链和电源管理两大领域，目前拥有16大类1200余款可供销售产品型号。
  
 圣邦股份肩负打造国产模拟器件龙头责任，未来产品性能将逐步提高，并替代国外成熟产品，公司毛利水平处于IC涉及行业高点，但相较于行业龙头较低，公司毛利率维持在40%以上，2018年公司整体毛利率达45.94%。
  
 公司研发费用逐步上升，2018年研发费用投入为0.93亿元，2019年第一季度研发费用占比收入达到了23.2%，远高于德州仪器等公司研发占比，可见公司对走自主研发这条路坚定的信心和决心。公司所处细分行业模拟器件行业地位稀缺，公司利润未来具备强大的可持续成长性。
  
 
  
 1、 复合增长最快半导体细分行业，短期来看 汽车 、通讯需求增长快，助推行业规模持续扩大。
  
 在电源管理、讯号转换与 汽车 电子三大应用的带动下，模拟芯片市场在2017-2022年的复合年增率将达到6.6%，优于整体IC市场的5.1%，2017年全球模拟芯片市场的规模为520亿美元。
  
 模拟IC的下游应用领域主要有无线通讯、 汽车 、消费电子、工业等，其中 汽车 应用将是今年带动模拟芯片市场成长的最大动力，预估2019年市场规模将可成长15%。
  
 
  
 
  
 2、 模拟器件是门好生意，多品类+强研发构筑常青树企业
  
 行业需求来自于消费电子、通信、车用等客户，丰富的产品种类、快速的客户响应打造多品类、强研发的常青树企业。
  
 不断加深的丰富产品种类是行业必然趋势之一，客户工程师的需求决定的行业变化，模拟IC行业下游客户分散而多样，工程师们的需求层出不穷。
  
 3、 龙头企业通过研发支出和并购更多保证竞争优势，核心毛利率长期居高不下
  
 德州仪器非常重视研发和销售能力建设，其历年研发投入和销售费用占营收比例均超过10%，产品型号丰富，已高达数十万个，实现对全领域的覆盖，德州仪器拥有庞大的客户群和销售渠道，全球大约有10万家客户。

6. 半导体国产替代进程加速 华微电子等龙头有望率先受益

半导体国产替代进程加快
  
 2017年以后，国内半导体设备企业的自主化率水平持续加快，实现了多个从0到1的突破，国产替代已成为国内半导体行业的发展新趋势。
  
 据中信建投统计，2019年全球半导体设备市场约576亿美金，国内约130亿美金，占比约22.4%，高于韩国的18%。中信建投表示，中国本土设计、制造、封测、存储等环节不断突破，部分领域已追赶至国际水平。设备和材料环节作为半导体产业链上游核心部分，也正受到重视和扶持，有望加速本土配套。
  
 从电子行业2019年报整体表现来看，2019年半导体板块实现营业收入1333亿元，同比增长19.13%；归属于上市公司股东净利润97亿元，同比增长92.64%。毛利率与净利率分别为23.41%、7.42%。2020年Q1半导体板块营业收入同比增长17.76%，环比下降20.99%；归属于上市公司股东净利润同比增长46.81%，环比下降7.59%。
  
 随着人工智能的快速发展，以及5G、物联网、节能环保、新能源 汽车 等战略性新兴产业的推动下，半导体的需求持续增加。全球半导体协会、中商产业研究院预计2020年中国半导体市场需求规模将进一步扩大，市场需求规模有望达到19850亿元。
  
 A股电子企业有望率先受益
  
 从国内上市公司来看，有不少半导体行业上市公司在新一轮产能扩展期，有望带来新的发展机会。
  
 比如，华微电子就在近期顺势而上，积极向新能源 汽车 、军工、家电等领域快速拓展。作为我国功率半导体生产龙头企业，华微电子自主掌握了IGBT薄片工艺、Trench工艺、寿命控制和终端设计等核心工业技术，达到同行业先进水平。华微电子当前拥有4英寸、5英寸与6英寸等多条功率半导体分立器件及IC芯片生产线，芯片加工能力为每年400余万片，封装资源为24亿只/年，模块为1800万块/年。公司8英寸生产线预计今年6月份即将投入使用，将成为替代进口的有力竞争者。
  
 近日，国内半导体龙头中芯国际在港交所披露公告称，国家大基金二期与上海集成电路基金二期同意分别向其附属公司中芯南方注资15亿美元、7.5亿美元，汇率换算后，两大国家级基金分别注资106亿元 、53亿元，合计获注资近160亿元。在业内人士看来，中芯国际获大基金重金注资，其背后则是国产芯片自主化的进程正在加快。
  
 国盛证券分析指出， 2019年A股电子板块增速引领全球，同时在2020年一季度疫情影响之下，一批优质龙头仍然交出高增长答卷。随着后续疫情拐点到来，需求恢复叠加新一轮创新启动，A股电子企业有望率先受益，继续迎来黄金发展期。

7. 半导体：国产替代加速，5月将迎来爆发期，重点关注这类企业！

五一期间，外围又不太平，诸多不切实际的言论导致欧美股以及A50暴跌，不少投资者愉悦的过节心情大打折扣，A股节后的行情也蒙上了一层阴影。
  
 一时间，市场开始充斥悲观言论，短期冲击或许触发获利了结，但在经历了两年的贸易战与年初 历史 罕见的全球暴跌后，这种级别的冲击对A股影响其实有限。
  
 反而很可能导致风向再次改变，节前的盘面已经有了反应， 科技 半导体将重回行情主线，主要有三方面的依据。
  
 第一，根据过去两年多的经验，几乎每次美国针对我国半导体产业搞事情，板块个股都会以上涨作为回应。
  
 比如，2019年8月初贸易战大幅升级，正是这轮半导体翻倍行情的起点。
  
 第二，面对国外言论，我国直接正面应对美国最新出台的半导体出口新规，迅速给予强势回应。
  
 国家多个部门于4月27日联合发布《网络安全审查办法》，并于今年6月1日起正式实施，将对所有来自美国的电子产品进行严格审查，包括微软、谷歌、思科、苹果、高通在内的通讯、电力、互联网公司。
  
 《网络安全审查办法》的落地将会加大国外产品进入国内关键信息基础设施领域的难度，国产替代进程将会进一步加速，意味着相比较2018年贸易战之初，当前我国半导体行业的技术水平已经提高了不少。
  
 
  
 第三，A股近七成半导体公司一季报实现正常增长（超过了医药、消费行业），龙头公司的业绩不仅未受疫情影响，而且大幅超出了市场的预期。
  
 韦尔股份：一季度净利润4.45亿元，同比增长800%，公司海外收入占比75%，是全球第三大CIS厂商，CIS产品线丰富。
  
 华天 科技 ：一季度净利润0.63亿元，同比增长276%，公司海外收入占比59%，是封测龙头之一，产能位居内资专业封装企业的第三位，二季度订单爆满。
  
 卓胜微：一季度净利润1.52亿元，同比增长263%，公司海外收入占比72%，是射频龙头，高通芯片供应商，新增4家本土制造和封测厂。
  
 紫光国微：一季度净利润1.9亿元，同比增长183%，公司海外收入占比19%，聚焦逻辑芯片主业，是国内稀缺的高端FPGA+特种IC领军企业。
  
 南大光电：一季度净利润0.35亿元，同比增长123%，公司海外收入占比14%，是光刻胶领域龙头之一。
  
 圣邦股份：一季度净利润0.3亿元，同比增长91%，公司基本上没有海外收入，产品单价与毛利率双双提升，受益国产替代浪潮。
  
 江丰电子 ：一季度净利润 0.17亿元，同比增长56%，公司海外收入占比71%（逐步降低），是国内溅射靶材龙头，进口替代空间巨大，十分受益于国产替代。
  
 中颖电子 ：一季度净利润0.42亿元，同比增长30%，公司海外收入占比29%，是国产家电MCU主控芯片的领军企业，受益于国产替代份额明显提升。
  
 以上分析是板块可能爆发的短期逻辑，实际上，半导体产业具备很强的长期逻辑。
  
 一是，5G的建设及应用会给半导体行业带来巨大的增量。
  
 5G通信网络需搭建基站，设备发射信号，需要大量的半导体。以5G为基础衍生的大数据，智慧城市，云计算，医疗IT化，政务IT化，无人驾驶等时髦的应用要在计算机等终端上跑起来，需要更多的半导体部件。
  
 
  
 二是，国产替代空间非常大。
  
 根据2019年的统计数据，我国半导体的自给自足率只有10%-15%。贸易战开始之后，这些订单就开始向欧洲、日韩转移，更多的是国内企业转移。以前的国产比例只有10%-15%，现在如果要达到30%，就是翻倍的需求。
  
 今年受疫情的影响，全球半导体行业开始重塑，短期内欧洲企业很难开工，日韩也有部分产能受到严重影响，国产替代反而迎来了加速发展的机会。
  
 综合看来，半导体板块具备长短期逻辑，很可能是接下来可操作的方向之一。
  
 现阶段参与半导体公司可以从以下三个维度选取标的。
  
 一是，公司的技术或者产品属于国内第一梯队，营业收入的绝大部分来自国内；
  
 二是，一季报业绩增速良好（最好高于行业平均水平），并且预期中报业绩可以持续高增长；
  
 三是，前期股性好，受到过资金的热烈追捧，且技术上阶段筑底牢固。

8. 揭秘第三代半导体，三大领域加速爆发！百亿市场火爆

随着绿色低碳战略的不断推进,提升能源利用效率和能源转换效率已经成为各行各业的共识,如何利用现代化新技术建成可循环的高效、高可靠性的能源网络,无疑是当前各国重点关注的问题。
  
 值此背景下,以碳化硅(SiC)、氮化镓(GaN)为代表的第三代半导体成为市场聚焦的新赛道。根据Yole预测数据, 2025年全球以半绝缘型衬底制备的GaN器件市场规模将达到20亿美元,2019-2025年复合年均增长率高达12%! 其中,军工和通信基站设备是GaN器件主要的应用市场,2025年市场规模分别为11.1亿美元和7.31亿美元;
  
  全球以导电型碳化硅衬底制备的SiC器件市场规模到2025年将达到25.62亿美元,2019- 2025年复合年均增长率高达30%! 其中,新能源汽车和光伏及储能是SiC器件主要的应用市场, 2025年市场规模分别为15.53亿美元和3.14亿美元。
  
 本文中,我们将针对第三代半导体产业多个方面的话题,与国内外该领域知名半导体厂商进行探讨解析。
  
 20世纪50年代以来,以硅(Si)、锗(Ge)为代的第一代半导体材料的出现,取代了笨重的电子管,让以集成电路为核心的微电子工业的发展和整个IT产业的飞跃。人们最常用的CPU、GPU等产品,都离不开第一代半导体材料的功劳。可以说是由第一代半导体材料奠定了微电子产业的基础。
  
 然而由于硅材料的带隙较窄、电子迁移率和击穿电场较低等原因,硅材料在光电子领域和高频高功率器件方面的应用受到诸多限制。因此,以砷化镓(GaAs)为代表的第二代半导体材料开始崭露头角,使半导体材料的应用进入光电子领域,尤其是在红外激光器和高亮度的红光二极管方面。与此同时,4G通信设备因为市场需求增量暴涨,也意味着第二代半导体材料为信息产业打下了坚实基础。
  
 在第二代半导体材料的基础上,人们希望半导体元器件具备耐高压、耐高温、大功率、抗辐射、导电性能更强、工作速度更快、工作损耗更低特性,第三代半导体材料也正是基于这些特性而诞生。
                                          
 笔者注意到,对于第三代半导体产业各家半导体大厂的看法也重点集中在 “高效”、“降耗”、“突破极限” 等核心关键词上。
                                          
  安森美中国汽车OEM技术负责人吴桐博士 告诉笔者: “第三代半导体优异的材料特性可以突破硅基器件的应用极限,同时带来更好的性能,这也是未来功率半导体最主流的方向。” 他表示随着第三代半导体技术的普及,传统成熟的行业设计都会有突破点和优化的空间。
  
  英飞凌科技电源与传感系统事业部大中华区应用市场总监程文涛 则从能源角度谈到,到2025年,全球可再生能源发电量有望超过燃煤发电量,将推动第三代半导体器件的用量迅速增长。 在用电端,由于数据中心、5G通信等场景用电量巨大,节电降耗的重要性凸显,也将成为率先采用第三代半导体器件做大功率转换的应用领域。 
                                          
  第三代半导体材料区别于前两代半导体材料最大的区别就在于带隙的不同。 第一代半导体材料属于间接带隙,窄带隙;第二代半导体材料属于直接带隙,同样也是窄带隙;二第三代半导体材料则是全组分直接带隙,宽禁带。
  
 和前两代半导体材料相比,更宽的禁带宽度允许材料在更高的温度、更强的电压与更快的开关频率下运行。
  
 随着碳化硅、氮化镓等具有宽禁带特性(Eg>2.3eV)的新兴半导体材料相继出现,世界各国陆续布局、产业化进程快速崛起。具体来看:
  
  与硅相比, 碳化硅拥有更为优越的电气特性 : 
  
  1.耐高压 :击穿电场强度大,是硅的10倍,用碳化硅制备器件可以极大地 提高耐压容量、工作频率和电流密度,并大大降低器件的导通损耗;
  
  2.耐高温 :半导体器件在较高的温度下,会产生载流子的本征激发现象,造成器件失效。禁带宽度越大,器件的极限工作温度越高。碳化硅的禁带接近硅的3倍,可以保证碳化硅器件在高温条件下工作的可靠性。硅器件的极限工作温度一般不能超过300℃,而碳化硅器件的极限工作温度可以达到600℃以上。同时,碳化硅的热导率比硅更高,高热导率有助于碳化硅器件的散热,在同样的输出功率下保持更低的温度,碳化硅器件也因此对散热的设计要求更低,有助于实现设备的小型化;
  
  3.高频性能 :碳化硅的饱和电子漂移速率是硅的2倍,这决定了碳化硅器件可以实现更高的工作频率和更高的功率密度。基于这些优良的特性,碳化硅衬底的使用极限性能优于硅衬底,可以满足高温、高压、高频、大功率等条件下的应用需求,已应用于射频器件及功率器件。
  
  氮化镓则具有宽禁带、高电子漂移速度、高热导率、耐高电压、耐高温、抗腐蚀、耐辐照等突出优点。 尤其是在光电子器件领域,氮化镓器件作为LED照明光源已广泛应用,还可制备成氮化镓基激光器;在微波射频器件方面,氮化镓器件可用于有源相控阵雷达、无线电通信、基站、卫星等军事 或者民用领域;氮化镓也可用于功率器件,其比传统器件具有更低的电源损耗。
  
 半导体行业有个说法: “一代材料,一代技术,一代产业” ,在第三代半导体产业规模化出现之前,也还存在着不少亟待解决的技术难题。
  
  第三代半导体全产业链十分复杂,包括衬底→外延→设计→制造→封装。 其中,衬底是所有半导体芯片的底层材料,起到物理支撑、导热、导电等作用;外延是在衬底材料上生长出新的半导体晶层,这些外延层是制造半导体芯片的重要原料,影响器件的基本性能;设计包括器件设计和集成电路设计,其中器件设计包括半导体器件的结构、材料,与外延相关性很大;制造需要通过光刻、薄膜沉积、刻蚀等复杂工艺流程在外延片上制作出设计好的器件结构和电路;封装是指将制造好的晶圆切割成裸芯片。
                                          
 前两个环节衬底和外延生长正是第三代半导体生产工艺及其难点所在。我们重点挑选碳化硅、氮化镓两种典型的第三代半导体材料来看,它们的生产制备到底还面临哪些问题。
  
  从碳化硅来看,还需要“降低衬底生长缺陷,以及提高工艺效率” 。首先碳化硅单晶制备目前最常用的是物理气相输运法(PVT)或籽晶的升华法,而碳化硅单晶在形成最终的短圆柱状之前,还需要通过机械加工整形、切片、研磨、抛光等化学机械抛光和清洗等工艺才能成为衬底材料。
  
 这一机械、化学制造过程存在着加工困难、制造效率低、制造成本高等问题。此外,如果再加上考虑单晶加工的效率和成本问题,那还能够保障晶片具备良好的几何形貌,如总厚度变化、翘曲度、变形,而且晶片表面质量(粗糙度、划伤等)是否过关等,这都是碳化硅衬底制备中的巨大挑战。
  
 此外,碳化硅材料是目前仅次于金刚石硬度的材料,材料的机械加工主要以金刚石磨料为基础切割线、切割刀具、磨削砂轮等工具。这些工具的制备难度大,使用寿命短,加工成本高,为了延长工具寿命、提高加工质量,往往会采用微量或极低速进给量,这就牺牲了碳化硅材料制备的整体生产效率。
  
  对于氮化镓来说,则更看重“衬底与外延材料需匹配”的难题 。由于氮化镓在高温生长时“氮”的离解压很高,很难得到大尺寸的氮化镓单晶材料,当前大多数商业器件是基于异质外延的,比如蓝宝石、AlN、SiC和Si材料衬底来替代氮化镓器件的衬底。
                                          
 但问题是这些异质衬底材料和氮化镓之间的晶格失配和热失配非常大,晶格常数差异会导致氮化镓衬底和外延层界面处的高密度位错缺陷,严重的话还会导致位错穿透影响外延层的晶体质量。这也就是为什么氮化镓更看重衬底与外延材料需匹配的难点。
  
 在落地到利用第三代半导体材料去解决具体问题时,程文涛告诉OFweek维科网·电子工程, 英飞凌的碳化硅器件所采用的沟槽式结构解决了大多数功率开关器件的可靠性问题。 
  
 比如现在大多数功率开关器件产品采用的是平面结构,难以在开关的效率上和长期可靠性上得到平衡。采用平面结构,如果要让器件的效率提高,给它加点电,就能导通得非常彻底,那么它的门级就需要做得非常薄,这个很薄的门级结构,在长期运行的时候,或者在大批量运用的时候,就容易产生可靠性的问题。
  
 如果要把它的门级做的相对比较厚,就没办法充分利用沟道的导通性能。而采用沟槽式的做法就能够很好地解决这两个问题。
                                          
 吴桐博士则从产业化的角度提出, 第三代半导体技术的难点在于有关设计技术和量产能力的协调,以及对长期可靠性的保障。尤其是量产的良率,更需要持续性的优化,降低成本,提升可靠性。 
  
  观察当前半导体市场可以发现,占据市场九成以上的份额的主流产品依然是硅基芯片。 
  
 但近些年来,“摩尔定律面临失效危机”的声音不绝于耳,随着芯片设计越来越先进,芯片制造工艺不断接近物理极限和工程极限,芯片性能提升也逐步放缓,且成本不断上升。
  
 业界也因此不断发出质疑,未来芯片的发展极限到底在哪,一旦硅基芯片达到极限点,又该从哪个方向下手寻求芯片效能的提升呢?笔者通过采访发现,国内外厂商在面对这一问题时,虽然都表达出第三代半导体产业未来值得期待,但也齐齐提到在这背后还需要重点解决的成本问题。
  
  “目前硅基半导体从架构上、从可靠性、从性能的提升等方面,基本上已经接近了物理极限。第三代半导体将接棒硅基半导体,持续降低导通损耗,在能源转换的领域作出贡献,” 程文涛也为笔者描述了当前市场上的一种现象:可能会存在一些定价接近硅基半导体的第三代半导体器件,但并不代表它的成本就接近硅基半导体。因为那是一种商业行为,就是通过低定价来催生这个市场。
  
  以目前的工艺来讲,第三代半导体的成本还是远高于硅基半导体 ,程文涛表示:“至少在可见的将来,第三代半导体不会完全取代第一代半导体。因为从性价比的角度来说,在非常宽的应用范围中,硅基半导体目前依然是不二之选。第三代半导体目前在商业化上的瓶颈就是成本很高,虽然在迅速下降,但依然远高于硅基半导体。”
  
 作为中国碳化硅功率器件产业化的倡导者之一,泰科天润同样也表示对第三代半导体产业发展的看好。
  
  虽然碳化硅单价目前比硅高不少,但从系统整体的角度来看,可以节约电感电容以及散热片。如果是大功率电源系统整体角度看成本未必更高,同时还能更好地提升效率。 这也是为什么现阶段虽然单器件碳化硅比硅贵,依然不少领域客户已经批量使用了。
  
 从器件的角度来看,碳化硅从四寸过度到六寸,未来往八寸甚至十二寸发展,碳化硅器件的成本也将大幅度下降。据泰科天润介绍,公司新的碳化硅六寸线于去年就已经实现批量出货,为客户提供更高性价比的产品,有些产品实现20-30%的降价幅度。除此之外,泰科天润耗时1年多成功开发了碳化硅减薄工艺,在Vf水平不变的情况下,可以缩小芯片面积,进一步为客户提供性价比更高的产品。
  
 泰科天润还告诉笔者:“这两年随着国外友商的缺货或涨价,比如一些高压硅器件,这些领域已经出现碳化硅取代硅的现象。随着碳化硅晶圆6寸产线生产技术的成熟,8寸晶圆的发展,碳化硅器件有望与硅基器件达到相同的价格水平。”
  
 吴桐博士认为, 目前来看在不同的细分市场,第三代半导体跟硅基器件是一个很好的互补,也是价钱vs性能的一个平衡。随着第三代半导体的成熟以及成本的降低,最终会慢慢取代硅基产品成为主流方案。 
  
 那么对于企业而言,该如何发挥第三代半导体的综合优势呢?吴桐博士表示,于安森美而言,首先是要垂直整合,保证稳定的供应链,可长期规划的产能布局以及达到客观的投资回报率;其次是在技术研发上继续发力,比如Rsp等参数,相比行业水准,实现用更小的半导体面积实现相同功能,这样单个器件成本得以优化;第三是持续地提升FE/BE良率,等效的降低成本;第四是与行业大客户共同开发定义新产品,保证竞争力以及稳定的供需关系;最后也是重要的一点,要帮助行业共同成长,蛋糕做大,产能做强,才能使得单价有进一步下降的空间。
  
 第三代半导体产业究竟掀起了多大的风口?根据《2020“新基建”风口下第三代半导体应用发展与投资价值白皮书》内容:2019年我国第三代半导体市场规模为94.15亿元,预计2019-2022年将保持85%以上平均增长速度,到2022年市场规模将达到623.42亿元。
  
 其中,第三代半导体衬底市场规模从7.86亿元增长至15.21亿元,年复合增速为24.61%,半导体器件市场规模从86.29亿元增长至608.21亿元,年复合增速为91.73%。
                                          
 得益于第三代半导体材料的优良特性,它在 光电子、电力电子、通讯射频 等领域尤为适用。具体来看:
  
  光电子器件 包括发光二极管、激光器、探测器、光子集成电路等,多用于5G通信领域,场景包括半导体照明、智能照明、光纤通信、光无线通信、激光显示、高密度存储、光复印打印、紫外预警等;
  
  电力电子器件 包括碳化硅器件、氮化镓器件,多用于新能源领域,场景包括消费电子、新能源汽车、工业、UPS、光伏逆变器等;
  
  微波射频器件 包括HEMT(高电子迁移率晶体管)、MMIC(单片微波集成电路)等,同样也是用在5G通信领域,不过场景则更加高端,包括通讯基站及终端、卫星通讯、军用雷达等。
                                          
 现阶段,欧美日韩等国第三代半导体企业已形成规模化优势,占据全球市场绝大多数市场份额。我国高度重视第三代半导体发展,在研发、产业化方面出台了一系列支持政策。国家科技部、工信部等先后开展了“战略性第三代半导体材料项目部署”等十余个专项,大力支持第三代半导体技术和产业发展。
  
 早在2014年,工信部发布的《国家集成电路产业发展推进纲要》提出设立国家产业投资基金,重点支持集成电路等产业发展,促进工业转型升级,同时鼓励社会各类风险投资和股权投资基金进入集成电路领域;在去年全国人大发布《中华人民共和国国民经济和社会发展第十四个五年规划和2035年远景目标纲要》中,进一步强调培育先进制造业集群,推动集成电路、航空航天等产业创新发展。瞄准人工智能、量子信息、集成电路等前沿领域,实施一批具有前瞻性、战略性的国家重大科技项目。
                                          
 具体来看当前主要应用领域的发展情况:
  
  1.新能源汽车 
  
 新能源汽车行业是未来市场空间巨大的新兴市场,全球范围内新能源车的普及趋势明朗。随着电动汽车的发展,对功率半导体器件需求量日益增加,成为功率半导体器件新的经济增长点。得益于碳化硅功率器件的高可靠性及高效率特性,在车载级的电机驱动器、OBC及DC/DC部分,碳化硅器件的使用已经比较普遍。对于非车载充电桩产品, 由于成本的原因,目前使用比例还相对较低,但部分厂商已开始利用碳化硅器件的优势,通过降低冷却等系统的整体成本找到了市场。
  
  2.光伏 
  
 光伏逆变器曾普遍采用硅器件,经过40多年的发展,转换效率和功率密度等已接近理论极限。碳化硅器件具有低损耗、高开关频率、高适用性、降低系统散热要求等优点,将在光伏新能源领域得到广泛应用。例如,在住宅和商业设施光伏系统中的组串逆变器里,碳化硅器件在系统级层面带来成本和效能的好处。
  
  3.轨道交通 
  
 未来轨道交通对电力电子装置,比如牵引变流器、电力电子电压器等提出了更高的要求。采用碳化硅功率器件可以大幅度提高这些装置的功率密度和工作效率,有助于明显减轻轨道交通的载重系统。目前,受限于碳化硅功率器件的电流容量,碳化硅混合模块将首先开始替代部分硅IGBT模块。未来随着碳化硅器件容量的提升,全碳化硅模块将在轨道交通领域发挥更大的作用。
  
  4.智能电网 
  
 目前碳化硅器件已经在中低压配电网开始了应用。未来更高电压、更大容量、更低损耗的柔性输变电将对万伏级以上的碳化硅功率器件具有重大需求。碳化硅功率器件在智能电网的主要应用包括高压直流输电换流阀、柔性直流输电换流阀、灵活交流输电装置、高压直流断路器、电力电子变压器等装置中。
  
 第三代半导体自从在2021年被列入十四五规划后,相关概念持续升温,迅速成为超级风口,投资热度高居不下。
  
 时常会听到业内说法称,第三代半导体国内外都是同一起跑线出发,目前大家差距相对不大,整个产业发展仍处于爆发前的“抢跑”阶段,对国内而言第三代半导体材料更是有望成为半导体产业的“突围先锋”,但事实真的是这样吗?
  
 从起步时间来看,欧日美厂商率先积累专利布局,比如 英飞凌一直走在碳化硅技术的最前沿,从30年前(1992年)开始包含碳化硅二极管在内的功率半导体的研发,在2001年发布了世界上第一款商业化碳化硅功率二极管 ,此后至今英飞凌不断推出了各种性能优异的碳化硅功率器件。除了产品本身,英飞凌在2018年收购了Siltectra,致力于通过冷切割技术优化工艺流程,大幅提高对碳化硅原材料的利用率,有效降低碳化硅的成本。
  
 安森美也是第三代半导体产业布局中的佼佼者,据笔者了解, 安森美通过收购上游碳化硅供应企业GTAT实现了产业链的垂直整合,确保产能和质量的稳定。同时借助安森美多年的技术积累以及几年前收购Fairchild半导体基因带来的技术补充,安森美的碳化硅技术已经进入第三代,综合性能在业界处于领先地位 。目前已成为世界上少数提供从衬底到模块的端到端碳化硅方案供应商,包括碳化硅球生长、衬底、外延、器件制造、同类最佳的集成模块和分立封装方案。
  
 具体到技术上, 北京大学教授、宽禁带半导体研究中心主任沈波 也曾提出,国内第三代半导体和国际上差距比较大,其中很重要的领域之一是碳化硅功率电子芯片。这一块国际上已经完成了多次迭代,虽然8英寸技术还没投入量产,但是6英寸已经是主流技术,二极管已经发展到了第五代,三极管也发展到了第三代,IGBT也已进入产业导入前期。
  
 另外车规级的碳化硅MOSFET模块在意法半导体率先通过以后,包括罗姆、英飞凌、科锐等国际巨头也已通过认证,国际上车规级的碳化硅芯片正逐渐走向规模化生产和应用。反观国内,目前真正量产的主要还是碳化硅二极管,工业级MOSFET模块估计到明年才能实现规模量产,车规级碳化硅模块要等待更长时间才能量产。
  
 泰科天润也直言,国内该领域仍处于后发追赶阶段:器件方面,从二极管的角度, 国产碳化硅二极管基本上水平和国外差距不大,但是碳化硅MOSFET国内外差距还是有至少1-2代的差距 ;可靠性方面,国外碳化硅产品市场应用推广较早,积累了更加丰富的应用经验,对产品可靠性的认知,定义以及关联解决可靠性的方式都走得更前一些,国内厂家也在推广市场的过程中逐步积累相关经验;产业链方面,国外厂家针对碳化硅的材料优势,相关匹配的产业链都做了对应的优化设计,使之能更加契合的体现碳化硅的材料优势。
  
 OFweek维科网·电子工获悉,泰科天润在湖南新建的碳化硅6寸晶圆产线,第一期60000片/六寸片/年。此产线已经于去年实现批量出货,2022年始至4月底已经接到上亿元销售订单。 作为国内最早从事碳化硅芯片生产研发的公司,泰科天润积累了10余年的生产经验,针对特定领域可以结合自身的研发,生产和工艺一体化,快速为客户开发痛点新品 ,例如公司全球首创的史上最小650V1A SOD123,专门针对解决自举驱动电路已经替换高压小电流Si FRD解决反向恢复的痛点问题而设计。
  
 虽然说IDM方面,我国在碳化硅器件设计方面有所欠缺,少有厂商涉及于此,但后发追赶者也不在少数。
  
 就拿碳化硅产业来看,单晶衬底方面国内已经开发出了6英寸导电性碳化硅衬底和高纯半绝缘碳化硅衬底。 山东天岳、天科合达、河北同光、中科节能 均已完成6英寸衬底的研发,中电科装备研制出6英寸半绝缘衬底。
  
 此外,在模块、器件制造环节我国也涌现了大批优秀的企业,包括 三安集成、海威华芯、泰科天润、中车时代、世纪金光、芯光润泽、深圳基本、国扬电子、士兰微、扬杰科技、瞻芯电子、天津中环、江苏华功、大连芯冠、聚力成半导体 等等。
  
 OFweek维科网·电子工程认为,随着我国对新型基础建设的布局展开和“双碳”目标的提出,碳化硅和氮化稼等第三代半导体的作用也愈发凸显。
  
  上有国家支持政策,下有新能源汽车、5G通信等旺盛市场需求,  我国第三代半导体产业也开始由“导入期”向“成长期”过渡,初步形成从材料、器件到应用的全产业链。但美中不足在于整体技术水平还落后世界顶尖水平好几年,因此在材料、晶圆、封装及应用等环节的核心关键技术和可靠性、一致性等工程化应用问题上还需进一步完善优化。 
  
 当前,全球正处于新一轮科技和产业革命的关键期,第三代半导体产业作为新一代电子信息技术中的重点组成部分,为能源革命带来了深刻的改变。
  
 在此背景下,OFweek维科网·电子工程作为深耕电子产业领域的资深媒体,对全球电子产业高度关注,紧跟产业发展步伐。为了更好地促进电子工程师之间技术交流,推动国内电子行业技术升级,我们继续联袂数十家电子行业企业技术专家,推出面向电子工程师技术人员的专场在线会议  「OFweek 2022 (第二期)工程师系列在线大会」  。
  
 本期在线会议将于6月22日在OFweek官方直播平台举办,将邀请国内外知名电子企业技术专家,聚焦半导体领域展开技术交流,为各位观众带来技术讲解、案例分享和方案展示。