隨著新能源汽車、電力電網和5G通信等領域迅速發展，以SiC、GaN為代表的第三代半導體憑借著其在高壓、高溫、高頻應用中的優勢，逐漸顯露出對硅基半導體的替代作用，被認為是半導體行業的重要發展方向。

發展至今，硅晶圓正在從8英寸過渡到12英寸，更大的晶圓尺寸，意味著單片晶圓所能夠制造的芯片數量更多，晶圓邊緣的浪費減少，單芯片成本降低。第三代半導體也不例外，都在向大尺寸晶圓大跨步。

SiC，進入八英寸時代

SiC具有高擊穿電場、高飽和電子速度、高熱導率、高電子密度和高遷移率等特點，是良好的半導體材料，目前已經在汽車電子、工業半導體等領域有了較為廣泛的應用。

國內企業在SiC襯底方面以4英寸為主，同時山東天岳、天科合達、河北同光、中科節能、露笑科技等廠商已完成6英寸襯底的研發；中電科裝備已成功研制出6英寸半絕緣襯底，在SiC單晶襯底技術上形成自主技術體系。山西爍科、晶盛機電、天科合達等公司也在8英寸SiC襯底技術上有所成績。

國際上也已有Wolfspeed、羅姆、意法半導體、安森美、II-VI、Soitec等企業成功研發出了8英寸SiC襯底。?

根據中國寬禁帶功率半導體及應用產業聯盟的預測，預計2020—2025年國內4英寸 SiC 晶圓市場逐步從10萬片減少至5萬片，6英寸晶圓將從8萬片增長至20萬片；2025—2030年，4英寸晶圓將逐步退出市場，6英寸增加至40萬片。

值得注意的是，雖然8英寸SiC的到來的確能夠為產業帶來一些變化，但目前SiC器件的生產線大都還是6英寸的產線。

雖然在功率半導體制造的離子注入、薄膜沉積、介質刻蝕、金屬化等環節，8英寸碳化硅與6英寸SiC的差距不大，但是在8英寸SiC的襯底生長、襯底切割加工、氧化工藝等方面存在諸多制造難點。其中，襯底生長方面，擴徑到8英寸，對襯底生長的難度會成倍增加；襯底切割加工方面，越大尺寸的襯底切割應力、翹曲的問題越顯著；氧化工藝一直是碳化硅工藝中的核心難點，8英寸、6英寸對氣流和溫場的控制有不同需求，工藝需各自獨立開發。目前頭部的廠商也正在與供應鏈上下游技術廠商合作開發自己的制造設備和生產工藝。因此，SiC晶圓升級到8英寸，還需要對制造設備和整體支持生態系統進行升級更換。

根據Wolfspeed的數據顯示，以32mm2面積的裸片（芯片）為例，8英寸晶圓上的裸片數量相比6英寸增加近90%，同時邊緣裸片數量占比從14%降低至7%，也就是說8英寸晶圓利用率相比6英寸提升了7%。因此晶圓往大尺寸發展是需求增長下的必然趨勢。只是相對于4英寸到6英寸的里程碑式轉變，6英寸過渡到8英寸還需要一段時間。在未來一段時間內，6英寸產線還是會占據主流地位。

GaN，六英寸正在加速

GaN具有耐高壓、耐高溫、低能量損耗的特點，在功能上與SiC各有側重。SiC側重高壓，GaN側重高頻。不過，GaN成本昂貴，刻蝕困難，其產業化的進度要比SiC慢，目前GaN的市場較小，連1%都不到，其晶圓正處于4英寸向6英寸過渡的階段。

國內商業化的GaN襯底尺寸以2英寸為主，4英寸實現小批量出貨，預計2025年前完成6英寸襯底的批量生產并進入市場。主要企業包括蘇州納維和東莞中鎵等公司。

國際GaN單晶襯底供應商包括日本的住友電工、古河機械、三菱化學、美國的Kyma、法國的Lumilog等公司，日本是全球最大GaN晶圓生產地，占據了90%以上的市場份額。其中主流的量產產品還是2英寸，4英寸與6英寸GaN單晶襯底已經有多家廠商宣布完成研發，其中4英寸有部分廠商實現量產。

GaN器件的常用襯底是硅基和碳化硅基：碳化硅基GaN射頻器件具有高導熱性能和大功率射頻輸出優勢，適用于5G基站、衛星、雷達等領域。硅基GaN功率器件主要應用于電力電子器件領域。而基于GaN襯底的GaN器件，雖然在各個性能指標都處于領先水平，但是襯底價格過高。

GaN產業鏈上游原材料包括GaN襯底及GaN外延片，原材料成本較高，進口依賴嚴重，國產化率約10%。在襯底領域，GaN襯底存在著嚴重的技術困難，一片2英寸的GaN襯底，在國際市場上的售價高達5000美元，而且一片難求。所以硅基和碳化硅基的GaN器件將會率先商用。

GaN應用范圍廣泛，作為支撐“新基建”建設的關鍵核心器件，其下游應用切中了“新基建”中5G基站、特高壓、新能源充電樁、城際高鐵等主要領域。此外，GaN的高效電能轉換特性，能夠幫助實現光伏、風電（電能生產），直流特高壓輸電（電能傳輸），新能源汽車、工業電源、機車牽引、消費電源（電能使用）等領域的電能高效轉換，助力“碳達峰，碳中和”目標實現。根據Market and Market 、Yole等機構的增長幅度測算，預計到2026年全球GaN元件市場規模將增長到423億美元，年均復合增長率約為13.5%。

目前來看，由于制備工藝、后續加工及原料來源等因素影響，硅材料依然是主流半導體材料。不過隨著終端應用需求的激增會推動SiC、GaN晶圓尺寸向8英寸方向升級。現在SiC及GaN晶圓主要被限制在4-6英寸，相信頭部供應商在8英寸晶圓方面的發力，將帶動8英寸寬禁帶功率半導體晶圓產能的增多。未來幾年內，SiC、GaN晶圓尺寸往8英寸方向發展的趨勢將持續存在。

編輯：黃飛

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