大湾区半导体材料产业进击:从技术追赶走向平

2021-08-05 20:33

  编者按:进入数字化时代,芯片的重要性愈发凸显。而在这其中,晶圆材料是核心承载物之一。单纯硅作为第一代材料,已经无法满足更高压、更大功率和低损耗等特性需求。第二代和第三代半导体材料顺势登场。随着国内生态的共同推进,以及材料厂商本身的持续研发迭代,大湾区内的材料市场正散发出旺盛生命力。它们越过 瞪羚 企业发展过程中必经的艰难时期,追赶更艰难的制程工艺,并以此进击更完善的产业生态角色。

  随着粤港澳大湾区内电子产业生态的日益磅礴,身处其中的上游半导体材料厂商们,也在市场的需求助推和自身技术演进过程中,日益壮大起来。

  尤其是迈步 5G 浪潮中心,单纯硅材料囿于其元素本身的限制,已经在某些场景无法满足对于更高压、更大功率和低损耗等特性的需求。由此,以砷化镓和磷化铟为代表的第二代,以及由碳化硅和氮化镓为代表的第三代半导体应用市场在此间被逐步培育壮大,并在龙头创新公司的带动之下,走红全球市场。

  政策层面早已对我国发展半导体上游基础前沿技术有了部署希冀。十三五 期间,国家科技部在 国家重点研发计划 中提到支持第三代半导体发展,国家 2030 计划和 十四五 国家研发计划也明确提出第三代半导体是重要发展方向,其也被列为国家科技创新 2030 重大项目 重点新材料研发及应用 。

  在此期间,广州提出组织实施 强芯 工程。深圳提出的 芯片制造补链工程 中,提及对关键设备和材料的研发及产业化;同时强调到 2023 年,要实现第三代半导体中试研发和器件生产线建成,带动衬底、外延等环节加速发展,本地产业链配套和协作能力明显提升,产业链竞争力显著增强的目标。

  如今在粤港澳大湾区内的产业链公司中,有早年间随着 LED 产业生态竞合、成长起来,由此在氮化镓领域有所积淀的厂商;有基于产业生态部署而深入含镓材料化合物材料市场,并陆续迈步第二代和第三代半导体材料的厂商;也有自海外留学归来,便认准并扎根第三代半导体完善产业链生态的创业公司。

  虽然整体来看,在第二代和第三代半导体材料领域,国内与国外或多或少依然有所差距,但随着国内生态的共同推进,以及材料厂商本身的持续研发迭代,大湾区内的材料市场正散发出旺盛生命力。它们越过 瞪羚 企业发展过程中必经的艰难时期,追赶更艰难的制程工艺,并以此进击更完善的产业生态角色。

  纵观如今晶圆制造的原材料领域,硅片依然是半导体器件市场中九成的供应基础所在。

  但在 5G、新能源汽车、功率半导体等市场应用的扩围背景下,性能更匹配这些场景诉求的稀散金属材料被愈发重视起来。

  不同于硅片采用单质材料,第二代和第三代半导体材料都是由至少两个稀散金属或其他元素组合构成的化合物材料。这导致化合物半导体材料与硅片材料在生长过程中有一定程度不同,高纯度原料也并不那么容易被获得。

  也因此,化合物半导体材料的衬底环节后,比硅片材料多了 外延 这一环节,正是影响到晶圆片纯度、平整度的重要一环。这就考验着材料厂商们的技术和产业链联动实力。

  2012 年,先导稀材集团基于对镓材料的能力积累,逐步将业务延伸到下游市场。新成立的先导先进材料公司,开始主要承接砷化镓这一化合物半导体材料的制备及应用。

  先导先进材料总经理周铁军告诉南方财经全媒体记者,化合物半导体材料在从 2 英寸晶圆迭代到如今的 6 英寸左右晶圆过程中,最大的难点就是晶体生长。

  尤其在进行大尺寸晶体生长时,其所需的温度需要晶体加热器的热量从外往里进行辐射。但往往是晶体中心的温度符合生长条件了,而周围的温度可能还没有达到适合的生长条件;当周围的温度达到适合的生长条件时,中心温度又容易超出适合晶体生长的温度。这样一来,晶体镜像温度的一致性就变得较难控制,从而就比较难长出大直径的晶体。 他举例道,如在砷化镓晶体生长过程中,机器还会分为 6 个温区,每个温区温度不同,构成复杂的生长环境。

  要解决这些问题,需要有专人与设备研发部门进行配合,更需要与半导体设备厂商有深度的战略合作,联合调教甚至共同开发改进试验和生产设备。

  当然在这其中,工艺会比设备更加关键。周铁军指出,由于生产设备终究是要配合工艺要求,有时候即便有了成熟的设备,也未必能够生产出高质量的衬底材料。本质上看,这是一个需要产业环节紧密配合,彼此势均力敌、共荣发展的过程。

  持续研发努力逐步得到了市场回应。据调研机构 Yole D é veloppement 于 2020 年发布的报告显示,预估 2017 至 2019 年间,全球范围内砷化镓晶圆供应商的市场份额排名中,先导先进材料以 98% 的年增速,位居行业第三,市场份额为 17%。

  同期内其他大厂的年增速均有所下滑,而考虑到 2020 年至今,全球主要材料供应国家都或多或少受到新冠肺炎疫情或灾害天气等因素影响,存在减产或短暂停工等现象,不排除中国厂商的市场占有率有较大提升空间。

  据周铁军介绍,先导先进材料公司在技术演进过程中,始终对标着包括德国弗瑞伯格、日本住友电工等在内的全球顶尖化合物半导体材料公司,并在全球范围内与化合物半导体领域专家合作。

  目前,砷化镓材料市场最快者推进到了 8 英寸晶圆,绝大部分还处在 2-6 英寸晶圆过程中,先导也是如此。不过周铁军指出,公司在 2020 年开始研发 8 英寸砷化镓产品,计划在 2021 年下半年将 8 英寸产品投入市场。从这个角度看,与全球核心公司的步伐相差无几。

  纵观全球半导体材料衬底领域,日本无疑是发展至今技术层面较为成熟的国家,且目前依然占据着优势地位。欧美则是随着新材料应用市场的崛起,相关大厂近些年间通过并购整合等方式,也走向了成熟的发展周期。

  一批国产势力在近些年间,凭借日益成熟的产业生态,叠加技术能力积累,上游材料厂商们也有了充溢的发展实力。

  典型如 LED 产业,其最初的技术路线并非全然由中国产研界提出,但随着后续制备过程中对深层次技术能力的迭代需求,我们国家依然在此领域实现了成熟的产业化路径。

  2013 年至 2014 年间,中图科技成立后开始了紧锣密鼓地建厂。据介绍,2015 年初,公司产线正式运营,经过半年的调校探索,很快在 2016-2017 年间,业务基本走上正轨,并在 2017 年实现国内领先。

  得以快速完成这一过程,就是由自研技术驱动的。蓝宝石衬底的氮化镓路线最早并非由中国科学家提出,这一发展思路起源于日本,并在完成产业化验证后,获得了诺贝尔奖项,进而推动该技术路线在全球 LED 材料产业中推广。

  但中图科技通过与产业界和学界的共同研究,2018 年,时任中图有限董事长、总经理职务的康凯作为主要完成人,参与的项目 氮化物半导体大失配异质外延技术 获得国家技术发明奖二等奖,这也是支撑公司产品产业化落地的一个重要支点。

  康凯向记者介绍,图形化衬底工艺是一项开放性技术,通过光学设计的 LED 材料为锥体,需要掩膜和材料刻蚀同步进行,以达到最终所需结果。这是化合物半导体材料发展过程中的特殊性,与仅限于二维层面的硅基材料刻蚀有巨大区别,也是产业落地过程中的核心难点。

  我们做到了在刻蚀能力提升的同时,把二次掩膜刻蚀技术首次实现产业化,加速推动了蓝宝石图形化衬底技术大规模、低成本、重复稳定的国产化进程。 他续称。

  在此基础上,再进行技术的迭代演进就有了优势加成。康凯向南方财经全媒体记者表示,基于公司自身团队对产业和技术能力领先的认知,再以此复制、扩产,很快就能实现更大的先进工艺规模效益,并让后来者难以轻易超越。

  这个产业是充分开放式竞争环境,就要求公司需要在材料、技术等各方面综合实力要超过同业,并且保证低成本、稳定性,才能获得更庞大的市场和客户。 康凯如此总结道。

  这也是中国公司在蓝宝石衬底的氮化镓材料制备技术,甚至在 LED 产业链发展过程中,逐步成为全球核心力量的原因之一。

  在早年间,蓝宝石材料在晶向选择方面晶片背面的抛光精细度参数等在境内外要求不同,在有头部公司掌握了优势地位后,带动国内产业共同制定国家标准,也会对整个产业生态的更高效发展带来启迪作用。

  由此,将进一步推动国内的 LED 半导体产业,包括设备厂商、器件厂商等,实现更大规模的生态完善和成熟。

  中图科技招股书显示,自 2018 年起,公司折合 4 英寸 PSS(图形化蓝宝石衬底)月产能一直保持在 100 万片以上,年产能超 1300 万片。

  另据 LEDinside 对全球 GaN-LED 外延片产量的测算,中图公司 2018-2020 年连续三年全球市场占有率均超过 26%,2020 年全球市场占有率达到 29.81%,目前为全球产销规模最大的 PSS 厂商之一。

  大湾区的优势能力就在于,凭借成熟的产业化生态链融合。一旦技术能够获得突破,接下来的大规模、低成本商用,就不是太难的问题。由此也推动中国在化合物半导体材料市场能够实现快速突破。

  先导公司在持续发展中实现了类似路径。周铁军告诉记者,公司刚进入第二代半导体材料市场时,主要份额被前述日、美国家顶尖公司所垄断,导致下游企业发展举步维艰,且衬底产品的价格极其昂贵,大部分利润都被国外企业所截取。

  依托母公司先导稀材在稀散金属材料科技领域的优势地位,先导先进材料通过持续研发投入,终于在 2、4、6 英寸砷化镓衬底领域实现产品性能达到头部大厂的水平,但产品成本远低于它们,这为公司用较低的价格抢夺市场创造了契机。 据周铁军介绍,公司前期亏损多年,但终究是扛过早期研发积累的艰难时期,走到如今份额。

  对于任何电子生态链企业来说,平台化经营、串联起更丰富的产业角色,都是发展到成熟期后的必由之路。不过新兴材料领域公司由于面对着初期尚不成熟的生态环境,如何定位自己并承担由此带来的压力,也是一个重要命题。

  2009 年,海外读博归来的汪之涵认准功率半导体行业的发展前景,与同学联手开启创业道路。2016 年,为了拓展第三代半导体业务,基本半导体公司应运而生,专注于碳化硅功率器件的研发与产业化。

  相比第一代和第二代半导体材料,第三代半导体材料是从技术到应用都更新兴的领域,产业生态还不甚成熟,不同产业角色的实力也参差不齐。

  对我们这类创业型公司来说,成立之初就决定以 IDM 模式发展,会面临很多风险和不确定性。 基本半导体董事长汪之涵向南方财经全媒体记者坦言,公司采取循序渐进的发展模式,最开始以代工方式迅速研发产品推向市场,随着公司深入发展,逐渐转向 IDM 路径。

  IDM 模式是半导体企业在发展过程中的可选项之一,并不是必选。 汪之涵指出,产业间发展的常见模式之一是垂直整合。但是硅基集成电路领域已经发展成为设计环节和制造环节由不同企业独立完成的模式。

  做出选择的核心主要考量行业整体环境和企业所处地位。他认为,在集成电路领域,设计公司和代工厂分工合作,是一种成熟、有持续发展空间的方式。但是目前第三代半导体的重要应用是功率半导体器件,此领域的优势企业通常会选择 IDM 发展模式,因其工艺技术对产品的性能、可靠性会带来较大影响。

  如果完全让设计和制造环节分开,很难做出一流的产品。所以无论是硅基功率半导体厂商,还是碳化硅功率半导体厂商,大多采用 IDM 发展模式。 汪之涵指出,基本半导体公司的愿景是成为国际一流的碳化硅功率器件企业,因此走 IDM 模式是必由之路。

  我们认为,考虑到材料特性差异,功率半导体市场中的碳化硅器件大规模替代硅基器件只是时间早晚问题。虽然市场还存在不确定性,但碳化硅行业的机会巨大,我们也提前进行了充分布局。 汪之涵表示。

  做产品不可能一蹴而就,即便在正式推出产品后,还需要通过客户测试认证、小批量交付、大批量出货这一漫长周期。我们通过高效发展,可以逐步弥补与海外先进企业的距离。所以有困难反而是动力和机遇。 他续称。

  如今,特斯拉等车企已经全面采用碳化硅器件,给相关产业公司带来更大信心。汪之涵指出,行业的大规模应用已经在持续加速,加上技术路线确定,这让团队、客户、合作伙伴和投资者都有很强信心。

  据悉,目前基本半导体碳化硅功率器件产品性能已达到行业领先水平,被应用于新能源发电、电动汽车、轨道交通、智能电网和消费电子等领域。在不断扩大国内市场份额的同时,公司也在积极开拓海外市场 ,

  在相对成熟的第二代半导体和蓝宝石衬底的氮化镓材料市场,基于自身地位构建更丰富的产业链接能力,也正成为必然的路径选择。

  周铁军告诉记者,先导先进公司所从事的化合物半导体行业是一个小众行业,产值占整个半导体行业总产值不足 5%,公司想要在化合物半导体行业内汲取足够多利润、实现高速增长,乃至与欧美日等大厂商相抗衡,就必须实现在下游领域的多元化落地。

  考虑及此,公司从生产发光二极管用的衬底产品开始着手,在占据较大市场份额后,开始往手机通讯、雷达用的衬底产品拓展。

  随着如今公司在砷化镓领域实现较高份额,基于垂直一体化发展战略,则开始着手往更下游市场探索,以期挖掘新兴业务增长点。

  布局的其中一个下游市场是 3D 感测。据周铁军介绍,目前旗下公司完成 VCSEL 激光器外延、芯片的自主设计研发和小批量投产,已给多家客户送样测试,芯片性能与国际一流竞品相当。

  进入 VCSEL 激光器芯片领域,意味着公司进入了半导体设计 + 半导体芯片制造环节。 他表示,公司未来将建立化合物半导体全产业链外延、芯片、封装、模组和系统的生产制造,产品类型覆盖射频 ( HBT/HEMT ) 、光通 ( DFB/FP/DBR ) 、探测器 ( PIN/APD ) 和空间光伏领域,同时对外开放合作,开展外延、芯片代工业务和材料应用研究。

  中图基于此前在氮化镓市场的积累,也开始探索向第三代半导体市场的进一步产研联动。近期公司筹划在科创板上市,募资用途其中一部分,就是用于 第三代半导体衬底材料工程研究中心建设项目 。

  康凯向记者指出,现阶段来看,美国公司在碳化硅基的氮化镓技术路线上发展相对成功,日本则是通过蓝宝石衬底的氮化镓技术走通了另外一条发展路径。说明技术本身的发展路线并不唯一。

  募资投入第三代半导体材料市场的研发,是因为随着我们在 PSS 领域逐步做大,有义务在新的前沿市场进一步深入研究。 他续称,在细分领域做到全球领先水平后,就一定程度上掌握了突围既往行业发展路线的思路和能力。随着更大的产业市场被开启,中图也有能力进一步复制到其他市场进行探索和落地,从而形成平台化发展模式。

  当然他很清醒地认识到,产业投资过程中思路清晰很重要。 我们进行这类投资准备,不是为了赶风口,核心是抓团队不抓项目,有合适的团队就会予以相应关注。 康凯表示。

  如今,在日益完备的国产半导体生态链条发展路径之下,上游材料领域公司基于自身对技术研发的深厚积累,以及耐得住寂寞的初心,也正走向下一个高地。

  继 2020 年携手成功推出瞪羚企业大型专题报道后,南方财经全媒体集团再度联合中央广播电视总台粤港澳大湾区总部、粤港澳大湾区中心,策划推出第二季 高成长企业论 · 2021 粤港澳大湾区瞪羚企业大型系列专题报道 ,聚焦半导体与集成电路、先进材料/前沿新材料、新能源等广东省战略性产业集群,携手投资机构、专家学者深入一线调研,并以深度文字报道、长短视频及系列研究报告等全媒体形式推出 10 期深度专题,持续发现粤港澳大湾区战略性产业集群新趋势、新格局。