从蓝宝石的成功看SiC、GaN第三代半导体材料的中国机会

从蓝宝石的成功看SiC、GaN第三代半导体材料的中国机会

李星

最近一段时间半导体行业的热门话题，就是那个连涨板数最多的半导体界“茅台”，斯达半导。2020年2月4日，一家浙江嘉兴的民营企业——斯达半导在上交所主板上市，之后连续拉了21个一字涨停，股价翻了近10.5倍。斯达半导主要从事IGBT模块的研发、生产和销售。

IGBT的英文全名叫 Insulated Gate Bipolar Transistor，中文叫绝缘栅双极型晶体管，它兼具了传统的BJT（双极结型晶体管）和MOSFET（金氧半场效晶体管）的特性，是一个创新型的产品，具有开关速度高、输入阻抗高、损耗低、控制功率小、驱动电路简单等优点，所以它可以被应用于高压、大电流、高速等领域，是最理想的开关器件。

长期以来，IGBT的技术主要来被国外垄断，主要因为这个领域的进入有较高的门槛，核心是IGBT模块中的IGBT芯片，要求芯片在极端环境中长时间，高频率的工作，它的性能对于整体器件的稳定性至关重要。

而最新的消费级IGBT芯片开关电源芯片，将大规模采用第三代宽禁带半导体来制作，因此以碳化硅(SiC)、氮化镓(GaN)为代表第三代半导体材料越来越受到市场重视，同时为了应对未来中国国内市场大力度投资，全球产业界也对第三代半导体材料市场加快了整合速度。

事实上，对于碳化硅(SiC)、氮化镓(GaN)材料应用，产业界都已经有了较清晰的认识，甚至中、美厂商已经把它普及到了普通电子消费品领域。前段时间OPPO、小米就采用了美国公司的氮化镓(GaN)主控开关芯片产品来做快充充电头。

自然界，碳化硅(SiC)是存在的，但氮化镓(GaN)几乎全部来自人工合成。

在非半导体行业，中国不但是碳化硅(SiC)最重要的生产国，也是最重要的消耗国。碳化硅由于化学性能稳定、导热系数高、热膨胀系数小、耐磨性能好在功能陶瓷、高级耐火材料、磨料及冶金原料、珠宝行业，合成碳化硅(SiC)粉，都有着庞大的应用市场。

在半导体应用行业，所指的碳化硅(SiC)、氮化镓(GaN)都是指单晶材料，生产方式也是现代化的长晶炉来完成。

批量量产单晶碳化硅(SiC)主要由前苏联六、七十年代利用蓝宝石长晶炉研发出来，本来也是在军事领域为替代蓝宝石才开始的，后来市场上开始利用单晶碳化硅(SiC)来制作各种消费类宝石。

而氮化镓(GaN)则主要是日本利用其研发出了高效LED，并在近十几年来为全球节能减排做出了重要技术贡献。在电子行业中，氮化镓(GaN)LED的产能扩大，让其TFTLCD显示器背光源中得到快速普及，从而加快了替代CRT的速度。

事实上，碳化硅(SiC)、氮化镓(GaN)材料最早应用在电子行业，都是在LED领域，利用碳化硅(SiC)材料来制作LED，甚至可以早到1907年。

然而让两者在电子行业中发扬光大的，却是当时的美苏军事竞赛时期，双方利用单晶碳化硅(SiC)、氮化镓(GaN)材料制作各种功率器件，来提升太空航具和潜艇的能源转换效率。其中核动力电池领域应用最为广泛，同时也为后来电子行业大规模使用这类材料，积累了大量的设计工艺与量产经验。

而中国市场利用单晶碳化硅(SiC)、氮化镓(GaN)材料，主要是受益于改革开放后的消费类珠宝代工市场爆发，以近二十年来中国太阳能光伏产业的繁荣。为了配合这两产业的发展，靠近温州珠宝与小商品加工集散中心的浙江地区，部分开始利用当地小机械产能优势，切入到材料长晶环节，典型的就是天通与露笑。

说到长晶环节，前几年让中国人长面子是一件大事是苹果与GT的蓝宝石风波，最后苹果不得不把GT所生产的约两千个炉子拉到了中国境内，最后由中国厂商完成了后续的整合工作。而苹果自从那以后，一直大量采购天通和露笑生产的蓝宝石晶体来制作各种防护镜片，也正面认可了两家公司在蓝宝石晶体光学性能方面的成就。

可以说，蓝宝石产能除了在前苏联、美国、日本得以大规模实现量产外，中国则是把蓝宝石长晶规模和蓝宝石消费应用最为完善的国家。跟前面提到的碳化硅一样，蓝宝石也常被中国国内厂商拿来制作消费类珠宝及研磨磨料。

而在半导体制造领域，天通和露笑均表示有介入晶圆厂测试硅片长晶环节，天通还是业界最重要的测试硅片供应商，同时也在研发芯片硅长晶设备与材料生产。同时天通和露笑也都有介入到单晶碳化硅(SiC)、氮化镓(GaN)材料长晶环节，包括长晶设备和长晶产能部署，其中天通碳化硅(SiC)、氮化镓(GaN)的长晶设备和单晶材料，都有在市场上开始推广。

由于天通和露笑在蓝宝石长晶在市场上成功逆袭，所以对于两家进入到碳化硅(SiC)、氮化镓(GaN)长晶领域，业界原有供应商都抱有了十分警惕的态度。一是怕两家的产能扩张速度过快，导致行业产能近剩；二是怕两家的产能充分释放出来后，在行业里形成事实的低价格垄断现象，不利于高价单晶市场的发展。

事实上，目前大多数的IGBT芯片厂商，还很少采用碳化硅(SiC)、氮化镓(GaN)的抛光片来生产，而是直接在硅片上通过MOCVD外延片工艺直接线上制作，由于中国目前LED产能十分集中，而且可以低价生产MOCVD设备，所以中国国内也拥有了全球半数以上的MOCVD设备在运行。

如果通过工艺调整，让这些设备都可以兼容碳化硅(SiC)、氮化镓(GaN)单晶外延工艺的话，那么全球最大的碳化硅(SiC)、氮化镓(GaN)产能还是在中国境内，介于LED芯片领域，三安光电等中国芯片厂商的低价已经让全球市场难以应对，那么未来这些厂商的碳化硅(SiC)、氮化镓(GaN)产能，也同样让全球业界十分警惕。

而除了三安光电在近两年大规模投资了碳化硅(SiC)、氮化镓(GaN)的外延产能外，前段时间在股市上同样呼风唤雨的康佳，能够打破自己长期转型不成功印象的事件，除了那个营收几乎可以忽略不计的存储芯片业务外，实际上大家更关注的是其重庆重金投资的碳化硅(SiC)、氮化镓(GaN)芯片业务。

康佳虽然对外宣称相关的碳化硅(SiC)、氮化镓(GaN)芯片是为了制作micro LED显示器，但如果micro LED显示器的色域控制技术得不到突破，不能真正进入到消费市场的话，那么这些产能会不会也成为IGBT芯片的青青大草原呢。