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技術創新戰略聯盟（CASA）、國家半導體照明工程研發及產業聯盟（CSA）聯合主辦，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網共同承辦。

 

期間，由山西爍科晶體有限公司協辦支持的“碳化硅襯底與外延“論壇如期舉行。

 

當前，中國集成電路發展勢頭兇猛，第三次半導體產業轉移趨向中國。摩爾定律放緩，集成電路發展分化。化合物半導體材料發展正當其時。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向高端發展，打壓持續升級。國內半導體行業迎來新的挑戰和發展機遇。各經濟體以前所未有的力度扶持半導體產業，我國也將SiC、GaN列入十四五發展規劃。

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展展望“的主題報告，報告分享了目前化合物半導體的產業情況，并從半導體材料發展歷程、政策支持、主要性能優勢以及應用場景等方面分析了半導體材料發展的必要性。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、發展現狀等進行了概述。并詳細分享了碳化硅材料的技術現狀及未來發展狀況。

 

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家廠商占據了全球近80%的市場份額。

 

根據Semiconductor Today預測，2024年全球磷化銦應用市場規模將提高到1.7億美元，復合增長率為14%。數通光模塊在IDC高速增長下市場規模增量有望升級，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英寸需求未來穩步增加。根據《中國新材料產業發展年度報告》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，在深紫外發光波段表現出獨特優勢，如氮化鋁基紫外發光器件可以實現200nm~400nm全紫外波段的應用，覆蓋紫外固化、紫外醫療、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，全球僅有少數幾家企業（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產業鏈相比，氮化鋁產業化應用才剛剛開始。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阻斷電壓、超低導通電阻及超快開關時間，具有優異的高功率和高效率，綜合性能是現有功率器件的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、還是工藝技術實現及成本控制上，尤其是進一步開發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。

 

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、大功率等更優的特性，以及極低的制造成本，在功率應用方面具有獨特優勢。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，拐點臨近，行業已經開始逐步渡過萌芽期，即將進入快速成長期。

報告指出，碳化硅產業進一步發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的高新技術企業，是中國電科集團“十二大創新平臺”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模最大的中國電科（山西）碳化硅材料產業基地，實現了4英寸高純半絕緣4H-SiC襯底產業化，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。通過工藝改進與優化，N濃度持續降低，實現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。

 

產業建設方面，中電科材料公司碳化硅產業園一期（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發展的關鍵期。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，企業并購頻發，正處于產業爆發前的“搶跑”階段。我國在市場和應用端有戰略優勢，正在形成完善的產業鏈和生態鏈，國際巨頭還未形成專利、標準和規模的完全壟斷，我們有機會實現關鍵核心技術突破和產業戰略引領，重塑全球半導體產業格局

 

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，現任山西爍科晶體有限公司總經理助理。從事SiC材料研發多年，承擔省部級項目10余項。獲山西省“三晉英才-青年優秀人才”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。在國內外發表相關研究論文10余篇，申請專利10余項。

 

（內容根據現場資料整理，如有出入敬請諒解）