第三代半导体产业发展及产业园区运营咨询服务报告

第三代半导体产业发展及产业园区运营服务咨询报告 2023年 目录 一、第三代半导体产业发展情况1 （一）第三代半导体基本概念1 1.半导体材料演化1 2.第三代半导体材料优势3 3.核心衬底材料制作流程6 4.第三代半导体产业链模式9 5.第三代半导体产业链主要厂商12 6.SiC及GaN电力电子器件应用15 （二）产业竞争格局24 1.海外市场持续渗透美日欧三足鼎立24 2.我国政策持续向好扶持力度不断增强30 （三）国际第三代半导体产业进展52 1.逆全球化叠加市场疲软，欧美加大对华打压52 2.8英寸SiC产业化加快，制备出6英寸GaN单晶54 3.持续增长超过预期，企业加速扩张60 （四）趋势与展望63 二、产业园区发展及运营建议64 （一）产业园区发展及开发模式64 1.产业园定义及发展历程64 2.产业园发展模式及市场主要参与者65 3.产业园区类型68 （二）产业园区发展存在主要问题71 1.园区运营战略缺失71 2.园区运营人员匮乏73 3.园区运营管理滞后75 （三）产业园区运营建议76 1.物业管理是基础76 2.商业配套是保障86 3.产业运营是驱动87 （四）产业园区案例分析与借鉴92 1.中关村集成电路设计园（ICPARK）92 （1）园区基本情况92 （2）园区综合配套94 （3）产业服务体系95 （4）经验借鉴98 2.上海集成电路设计产业园99 （1）张江高科基本情况99 （2）园区基本情况100 （3）园区综合配套102 .............................................................104 （4）全创新链的产业投资104 （5）全生命周期的创新服务107 （6）经验借鉴108 一、第三代半导体产业发展情况 （一）第三代半导体基本概念 1.半导体材料演化 半导体材料起于上世纪50年代，最初以锗为主，世界上第一只晶体管就是由锗作为半导体材料，但由于硅在自然界的储量非常丰富，产品价格更低，且锗基半导体虽然电子能级更 好，导电性能更强，但热导能力较弱，发热现象较为明显，所以硅基半导体成为第一代半导体材料的核心。目前，世界上绝大多数的半导体器件均以硅作为基础材料进行制造，占据全球半导体产品90%以上的市场份额，广泛应用于集成电路及部分功率半导体等低压、低频、低功率领域，下游涵盖消费电子、通信、光伏、军事以及航空航天等。 第二代半导体材料以砷化镓和锑化铟为主，为化合物半导体，砷化镓是典型代表。第二代半导体材料电子迁移率较高，生长工艺成熟，但禁带宽度较小，击穿电场低，且材料有毒，易造成环境污染，在高温、高频、高功率领域应用比较受限，而在高频、高速领域应用较广，如卫星通讯、移动通讯以及光通讯等。 第三代半导体材料以碳化硅和氮化镓为主，为宽禁带半导体材料，与前两代半导体材料相比，第三代半导体材料具有更宽的禁带宽度、更高的击穿电场、更高的热导率，在高温、高 压金额高频领域表现较为优异，广泛应用于新能源汽车、5G宏基站、光伏、风电、高铁等领域。 表1：第三代半导体材料以SiC和GaN为主 半导体材料 材料类型 下游应用 第一代材料 硅Si锗Ge 以硅基材料为主，制备工艺较为成熟，且自然界储备量大，成本较低，目前应用最为广泛，包括集成电路、功率半导体，下游涵盖消费电子、通信、光伏、军事以及航空航天等多个领域。 第二代材料 砷化镓GaA磷化铟InP 以砷化镓为主，电子迁移率较高，生长工艺成熟，但资源比较稀缺，材料有毒性，易造成环境污染，主要用于制造高频、高速以及大功率电子器件，在卫星通讯、移动通讯以及光通讯等领域有较为广泛的应用。 第三代材料 碳化硅SiC氮化镓GaN 以碳化硅和氮化镓为主，是宽禁带半导体材料，适用于高温、高压、高频领域，在新能源汽车、5G宏基站、光伏、风电和高铁等领域应用较广，但目前产业尚处发展初期，良率低，成本较高。 2.第三代半导体材料优势 与硅基材料相比，以碳化硅和氮化镓为代表的第三代半导体材料的耐高压、耐高温、高频和高热导率性能更好。 （1）耐高压：碳化硅和氮化镓材料的击穿电场强度均在3MV/cm及以上，是硅基材料的10倍，击穿电场强度大，碳化硅基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，所以非常适用于5G基站、轨交交通、光伏风电等高压领域。 （2）耐高温：半导体器件在高温下易产生载流子的本征激发现象，造成器件失效，而半导体材料的禁带宽度越大，器件的极限工作温度就越高，碳化硅和氮化镓的禁带宽度分别为3.2eVh、3.4eV，而硅的禁带宽度仅为1.12eV，大约为碳化硅和氮化镓禁带宽度的1/3，较高的禁带宽度可以保证碳化硅和氮化镓器件在高温条件下工作的可靠性。目前，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，耐高温效果极为显著。 （3）高热导性：高热导率有助于半导体器件的散热，实现 快速降温，在同样的输出功率下，能够使半导体器件保持更低的温度，所需的散热设计要求更低，便于简化器件终端的冷却系统，有助于实现半导体器件的小型化和轻量化，所以同规格下对制程的要求更低。目前，碳化硅的热导率超过硅的3倍，散热性能性好，无需复杂的散热设计需求，节省器件空间，更容易向集成化、小型化方向发展。 （4）高频性能：漂移速度是指一个电子因为电场的关系而移动的平均速度，电子漂移速度越快，工作频率越高。碳化硅和氮化镓的饱和电子漂移速率超过硅基材料的2倍，能够实现更高的工作频率和更高的功率密度。 表2：三代半导体材料的指标参数对比 指标参数 硅 （第一代） 砷化镓（第二代） 碳化硅（第三代） 氮化镓（第三代） 禁带宽度（eV） 1.12 1.43 3.2 3.4 饱和电子漂移速率 （107cm/s） 1 1 2 2.5 热导率 （W·cm-1·K-1） 1.5 0.54 4 1.3 击穿电场强度（MV/cm） 0.3 0.4 3.5 3.3 此外，根据CREE公司数据，碳化硅衬底器件体积小，在相同的规格下，碳化硅基MOSFET尺寸仅为硅基MOSFET的1/10，大幅缩小了同规格器件的制程要求。同时，由于碳化硅拥有较高的禁带宽度，碳化硅器件可进行重掺杂，导通电阻可至少降低至原来的1/100。并且，根据应用材料数据，由于碳化硅具有较高的能量转换效率，且不会随着频率的提高而降低，碳化硅器件的工作频率可以达到硅基器件的10倍，相同规格的碳化硅基MOSFET较硅基IGBT的总能量损耗可大大降低70%。 同时，在新能源汽车领域，相较于硅基IGBT，碳化硅MOSFET 电动车的续航里程更长。在一般城市路况下，碳化硅MOSFET相 较于硅基IGBT能够节省77%的能量损耗，在高速路况下，碳化硅MOSFET相较于硅基IGBT能够节省85%的能量损耗，能量损耗的减少使得碳化硅MOSFET的电动车相较于硅基IGBT电动车的续航里程提升5-10%，电池成本节省超过400美元。 各代半导体材料的产品性能、成本和技术成熟程度不同，其下游应用方向和领域也有所差异。目前市场上的半导体仍以第一代硅基材料为主，产品占比超过90%，第二代和第三代半导体材料在高温、高压和高频领域更多是作为有效补充，但随着摩尔定律失效，以及第三代半导体产品成本的降低，未来有望逐渐替代部分硅基半导体市场份额。 3.核心衬底材料制作流程 第三代半导体以衬底材料为核心，对晶圆设备要求相对较低，有助于实现“弯道超车”。根据TelescopeMagazine数据，在硅基半导体晶圆制造过程中，设备/工艺成本占比高达50%，是硅基半导体制造的核心，而国内半导体产业由于起步较晚，目前与海外半导体巨头差距甚大，尤其在上游设备领域，国产化率整体不及20%，而用于先进制程的EUV光刻机国产化率更是为0，是国内产业严重被卡脖子的环节。而在第三代半导体中，晶圆制造的核心在衬底，衬底成本在SiCMOSFET前道工序中占比高达55%，是第三代半导体材料的核心，而工艺占比仅15%，对半导体设备的要求大幅降低。目前，全球第三代半导体产业尚处发展初期，国内和国际巨头公司之间的整体技术差距相对较小，制约行业快 速发展的关键因素在上游衬底材料端，国内有望借助在半导体衬底材料端的突破绕开海外传统技术壁垒，实现在半导体领域的“弯道超车”。 图1：Si前道工序中晶圆制造设备/工艺成本占比50% 24% 7% 50% 19% 晶圆制造设备/工艺 能效维护 衬底 其他原材料 图2：SiCMOSFET前道工序中衬底成本占比高达55% 25% 55% 15% 5% 衬底外延工艺量产损耗 碳化硅衬底的难点在于长晶和切割，技术壁垒高。碳化硅衬底主要是以高纯硅粉和高纯碳粉作为原材料，采用物理气相传输 法（PVT）生长碳化硅晶锭，然后通过滚磨、切割、研磨、抛光、清洗等工序加工制成碳化硅晶片。在碳化硅衬底制作过程中，难点主要在长晶和切割两个环节： 难点1：长晶形态控制。碳化硅长晶过程需要在密闭高温腔体内进行原子有序排列并完成晶体生长，长晶温度超过2000℃，且晶体生长过程中需要精确控制硅碳比、生长温度梯度、晶体生长速率以及气流气压等参数，目前已知的SiC晶体结构形态就有超过200多种，但仅4H-SiC晶型可以用来制造SIC衬底，晶体生长过程中需要对周围环境进行精准控制，控制难度极大，单一参数的略微变动就会产生不同晶型结构的SIC，造成多晶型夹杂，导致产出的SIC晶体不合格。同时，碳化硅晶体生长的扩径技术难度极大，随着晶体尺寸的扩大，其生长难度工艺呈几何级增长。所以，与硅基晶圆已经发展到12英寸不同，目前碳化硅晶圆仍 以4-6英寸为主。 难点2：晶体切割与处理。碳化硅硬度与金刚石接近，切割、研磨、抛光技术难度大，在使用金刚石细线将碳化硅晶棒切割成满足客户需求的不同厚度的切割时，需保证稳定获得低翘曲度和弯曲度的晶片的同时，还需在研磨和抛光工艺中控制晶片的平整度，比较注重产品和工艺的Knowhow能力，工艺水平的提升需要长期的研发和经验积累。 图3：碳化硅衬底制作流程 SiC晶体 SiC微粉 晶锭加工 晶体生长 原料合成 高纯硅粉 晶片抛光 SiC晶片 晶片清洗 晶片检测 晶片研磨 晶体切割 此外，由于碳化硅衬底主要应用于新能源汽车、光伏、通信及国防领域，产品可靠性要求较高，产品导入周期和验证周期一般都比较长。根据Wolfspeed数据，碳化硅衬底从样品到稳定批量供货大约需要5年时间，车规级验证周期更长，碳化硅市场的行业壁垒相对较高。但是，目前国内外碳化硅产业发展代际差较小，未来有望成为国内半导体产业“弯道超车”的方向。 4.第三代半导体产业链模式 第三代半导体产业链与一般半导体产业链模式相类似，一般分为衬底、外延生长、设计、制造以及封装这五个流程，同样也存在IDM模式，整合了设计、制造、封装环节，实现了设计制造的一体化。 图4：IDM模式（设计制造一体化） •芯片底层材料 外延 •在衬底上生长晶体层 •器件设计及 IC设计 衬底 设计 制造 •在外延片上设计�电路结构 •芯片固定， 假装外壳及引脚导线 封测 早期多数半导体企业选择垂直一体化模式（IDM），覆盖设计、晶圆制造、封装测试在内的多个环节，当前全球排名前列的几大半导体巨头如三星、英特尔与德州仪器均采用IDM模式。随着芯片制程工艺的不断迭代，先进制程生产线的投资急剧上升，而当制程工艺迭代后又需重新更新生产线，因此部分原IDM厂商无法承受更新产线的巨大固定资本投入，逐步将晶圆制造、封装测试等重资产环节外包，将资源人力投入设计与市场营销中，半导体产业链开始出现专业化趋势，出现专注于IC设计、晶圆制造与封装测试中某一环节的厂商。 表3：半导体产业链模式对比 简介 典型企业 IDM 集芯片设计、芯片制造、芯片封装和测试等多个产业链环节于一身 三星、德州仪器、英特尔士兰微、闻泰科技、华润微 Flabless 仅负责芯片的电路设计与销