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從藍寶石的成功看SiC、GaN第三代半導(dǎo)體材料的中國機會

長期以來,IGBT的技術(shù)主要來被國外壟斷,主要因為這個領(lǐng)域的進入有較高的門檻,核心是IGBT模塊中的IGBT芯片,要求芯片在極端環(huán)境中長時間,高頻率的工作,它的性能對于整體器件的穩(wěn)定性至關(guān)重要。
   最近一段時間半導(dǎo)體行業(yè)的熱門話題,就是那個連漲板數(shù)最多的半導(dǎo)體界“茅臺”,斯達半導(dǎo)。2020年2月4日,一家浙江嘉興的民營企業(yè)——斯達半導(dǎo)在上交所主板上市,之后連續(xù)拉了21個一字漲停,股價翻了近10.5倍。斯達半導(dǎo)主要從事IGBT模塊的研發(fā)、生產(chǎn)和銷售。
 
  IGBT的英文全名叫Insulated Gate Bipolar Transistor,中文叫絕緣柵雙極型晶體管,它兼具了傳統(tǒng)的BJT(雙極結(jié)型晶體管)和MOSFET(金氧半場效晶體管)的特性,是一個創(chuàng)新型的產(chǎn)品,具有開關(guān)速度高、輸入阻抗高、損耗低、控制功率小、驅(qū)動電路簡單等優(yōu)點,所以它可以被應(yīng)用于高壓、大電流、高速等領(lǐng)域,是最理想的開關(guān)器件。
 
  長期以來,IGBT的技術(shù)主要來被國外壟斷,主要因為這個領(lǐng)域的進入有較高的門檻,核心是IGBT模塊中的IGBT芯片,要求芯片在極端環(huán)境中長時間,高頻率的工作,它的性能對于整體器件的穩(wěn)定性至關(guān)重要。
 
  而最新的消費級IGBT芯片開關(guān)電源芯片,將大規(guī)模采用第三代寬禁帶半導(dǎo)體來制作,因此以碳化硅(SiC)、氮化鎵(GaN)為代表第三代半導(dǎo)體材料越來越受到市場重視,同時為了應(yīng)對未來中國國內(nèi)市場大力度投資,全球產(chǎn)業(yè)界也對第三代半導(dǎo)體材料市場加快了整合速度。
 
  事實上,對于碳化硅(SiC)、氮化鎵(GaN)材料應(yīng)用,產(chǎn)業(yè)界都已經(jīng)有了較清晰的認識,甚至中、美廠商已經(jīng)把它普及到了普通電子消費品領(lǐng)域。前段時間OPPO、小米就采用了美國公司的氮化鎵(GaN)主控開關(guān)芯片產(chǎn)品來做快充充電頭。
 
從藍寶石的成功看SiC、GaN第三代半導(dǎo)體材料的中國機會
  自然界,碳化硅(SiC)是存在的,但氮化鎵(GaN)幾乎全部來自人工合成。
 
  在非半導(dǎo)體行業(yè),中國不但是碳化硅(SiC)最重要的生產(chǎn)國,也是最重要的消耗國。碳化硅由于化學(xué)性能穩(wěn)定、導(dǎo)熱系數(shù)高、熱膨脹系數(shù)小、耐磨性能好在功能陶瓷、高級耐火材料、磨料及冶金原料、珠寶行業(yè),合成碳化硅(SiC)粉,都有著龐大的應(yīng)用市場。
 
  在半導(dǎo)體應(yīng)用行業(yè),所指的碳化硅(SiC)、氮化鎵(GaN)都是指單晶材料,生產(chǎn)方式也是現(xiàn)代化的長晶爐來完成。
 
  批量量產(chǎn)單晶碳化硅(SiC)主要由前蘇聯(lián)六、七十年代利用藍寶石長晶爐研發(fā)出來,本來也是在軍事領(lǐng)域為替代藍寶石才開始的,后來市場上開始利用單晶碳化硅(SiC)來制作各種消費類寶石。
 
  而氮化鎵(GaN)則主要是日本利用其研發(fā)出了高效LED,并在近十幾年來為全球節(jié)能減排做出了重要技術(shù)貢獻。在電子行業(yè)中,氮化鎵(GaN)LED的產(chǎn)能擴大,讓其TFTLCD顯示器背光源中得到快速普及,從而加快了替代CRT的速度。
 
  事實上,碳化硅(SiC)、氮化鎵(GaN)材料最早應(yīng)用在電子行業(yè),都是在LED領(lǐng)域,利用碳化硅(SiC)材料來制作LED,甚至可以早到1907年。
 
  然而讓兩者在電子行業(yè)中發(fā)揚光大的,卻是當(dāng)時的美蘇軍事競賽時期,雙方利用單晶碳化硅(SiC)、氮化鎵(GaN)材料制作各種功率器件,來提升太空航具和潛艇的能源轉(zhuǎn)換效率。其中核動力電池領(lǐng)域應(yīng)用最為廣泛,同時也為后來電子行業(yè)大規(guī)模使用這類材料,積累了大量的設(shè)計工藝與量產(chǎn)經(jīng)驗。
 
  而中國市場利用單晶碳化硅(SiC)、氮化鎵(GaN)材料,主要是受益于改革開放后的消費類珠寶代工市場爆發(fā),以近二十年來中國太陽能光伏產(chǎn)業(yè)的繁榮。為了配合這兩產(chǎn)業(yè)的發(fā)展,靠近溫州珠寶與小商品加工集散中心的浙江地區(qū),部分開始利用當(dāng)?shù)匦C械產(chǎn)能優(yōu)勢,切入到材料長晶環(huán)節(jié),典型的就是天通與露笑。
 
  說到長晶環(huán)節(jié),前幾年讓中國人長面子是一件大事是蘋果與GT的藍寶石風(fēng)波,最后蘋果不得不把GT所生產(chǎn)的約兩千個爐子拉到了中國境內(nèi),最后由中國廠商完成了后續(xù)的整合工作。而蘋果自從那以后,一直大量采購天通和露笑生產(chǎn)的藍寶石晶體來制作各種防護鏡片,也正面認可了兩家公司在藍寶石晶體光學(xué)性能方面的成就。
 
  可以說,藍寶石產(chǎn)能除了在前蘇聯(lián)、美國、日本得以大規(guī)模實現(xiàn)量產(chǎn)外,中國則是把藍寶石長晶規(guī)模和藍寶石消費應(yīng)用最為完善的國家。跟前面提到的碳化硅一樣,藍寶石也常被中國國內(nèi)廠商拿來制作消費類珠寶及研磨磨料。
 
  而在半導(dǎo)體制造領(lǐng)域,天通和露笑均表示有介入晶圓廠測試硅片長晶環(huán)節(jié),天通還是業(yè)界最重要的測試硅片供應(yīng)商,同時也在研發(fā)芯片硅長晶設(shè)備與材料生產(chǎn)。同時天通和露笑也都有介入到單晶碳化硅(SiC)、氮化鎵(GaN)材料長晶環(huán)節(jié),包括長晶設(shè)備和長晶產(chǎn)能部署,其中天通碳化硅(SiC)、氮化鎵(GaN)的長晶設(shè)備和單晶材料,都有在市場上開始推廣。
 
從藍寶石的成功看SiC、GaN第三代半導(dǎo)體材料的中國機會
  由于天通和露笑在藍寶石長晶在市場上成功逆襲,所以對于兩家進入到碳化硅(SiC)、氮化鎵(GaN)長晶領(lǐng)域,業(yè)界原有供應(yīng)商都抱有了十分警惕的態(tài)度。一是怕兩家的產(chǎn)能擴張速度過快,導(dǎo)致行業(yè)產(chǎn)能近剩;二是怕兩家的產(chǎn)能充分釋放出來后,在行業(yè)里形成事實的低價格壟斷現(xiàn)象,不利于高價單晶市場的發(fā)展。
 
  事實上,目前大多數(shù)的IGBT芯片廠商,還很少采用碳化硅(SiC)、氮化鎵(GaN)的拋光片來生產(chǎn),而是直接在硅片上通過MOCVD外延片工藝直接線上制作,由于中國目前LED產(chǎn)能十分集中,而且可以低價生產(chǎn)MOCVD設(shè)備,所以中國國內(nèi)也擁有了全球半數(shù)以上的MOCVD設(shè)備在運行。
 
  如果通過工藝調(diào)整,讓這些設(shè)備都可以兼容碳化硅(SiC)、氮化鎵(GaN)單晶外延工藝的話,那么全球最大的碳化硅(SiC)、氮化鎵(GaN)產(chǎn)能還是在中國境內(nèi),介于LED芯片領(lǐng)域,三安光電等中國芯片廠商的低價已經(jīng)讓全球市場難以應(yīng)對,那么未來這些廠商的碳化硅(SiC)、氮化鎵(GaN)產(chǎn)能,也同樣讓全球業(yè)界十分警惕。
 
  而除了三安光電在近兩年大規(guī)模投資了碳化硅(SiC)、氮化鎵(GaN)的外延產(chǎn)能外,前段時間在股市上同樣呼風(fēng)喚雨的康佳,能夠打破自己長期轉(zhuǎn)型不成功印象的事件,除了那個營收幾乎可以忽略不計的存儲芯片業(yè)務(wù)外,實際上大家更關(guān)注的是其重慶重金投資的碳化硅(SiC)、氮化鎵(GaN)芯片業(yè)務(wù)。
 
  康佳雖然對外宣稱相關(guān)的碳化硅(SiC)、氮化鎵(GaN)芯片是為了制作micro LED顯示器,但如果micro LED顯示器的色域控制技術(shù)得不到突破,不能真正進入到消費市場的話,那么這些產(chǎn)能會不會也成為IGBT芯片的青青大草原呢。
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