隨著粵港澳大灣區(qū)內(nèi)電子產(chǎn)業(yè)生態(tài)的日益磅礴，身處其中的上游半導(dǎo)體材料廠商們，也在市場的需求助推和自身技術(shù)演進過程中，日益壯大起來。

尤其是邁步5G浪潮中心，單純硅材料囿于其元素本身的限制，已經(jīng)在某些場景無法滿足對于更高壓、更大功率和低損耗等特性的需求。由此，以砷化鎵和磷化銦為代表的第二代，以及由碳化硅和氮化鎵為代表的第三代半導(dǎo)體應(yīng)用市場在此間被逐步培育壯大，并在龍頭創(chuàng)新公司的帶動之下，走紅全球市場。

政策層面早已對我國發(fā)展半導(dǎo)體上游基礎(chǔ)前沿技術(shù)有了部署希冀。“十三五”期間，國家科技部在“國家重點研發(fā)計劃”中提到支持第三代半導(dǎo)體發(fā)展，國家2030計劃和“十四五”國家研發(fā)計劃也明確提出第三代半導(dǎo)體是重要發(fā)展方向，其也被列為國家科技創(chuàng)新2030重大項目“重點新材料研發(fā)及應(yīng)用”。

在此期間，廣州提出組織實施“強芯”工程。深圳提出的“芯片制造補鏈工程”中，提及對關(guān)鍵設(shè)備和材料的研發(fā)及產(chǎn)業(yè)化；同時強調(diào)到2023年，要實現(xiàn)第三代半導(dǎo)體中試研發(fā)和器件生產(chǎn)線建成，帶動襯底、外延等環(huán)節(jié)加速發(fā)展，本地產(chǎn)業(yè)鏈配套和協(xié)作能力明顯提升，產(chǎn)業(yè)鏈競爭力顯著增強的目標(biāo)。

如今在粵港澳大灣區(qū)內(nèi)的產(chǎn)業(yè)鏈公司中，有早年間隨著LED產(chǎn)業(yè)生態(tài)競合、成長起來，由此在氮化鎵領(lǐng)域有所積淀的廠商；有基于產(chǎn)業(yè)生態(tài)部署而深入含鎵材料化合物材料市場，并陸續(xù)邁步第二代和第三代半導(dǎo)體材料的廠商；也有自海外留學(xué)歸來，便認(rèn)準(zhǔn)并扎根第三代半導(dǎo)體完善產(chǎn)業(yè)鏈生態(tài)的創(chuàng)業(yè)公司。

雖然整體來看，在第二代和第三代半導(dǎo)體材料領(lǐng)域，國內(nèi)與國外或多或少依然有所差距，但隨著國內(nèi)生態(tài)的共同推進，以及材料廠商本身的持續(xù)研發(fā)迭代，大灣區(qū)內(nèi)的材料市場正散發(fā)出旺盛生命力。它們越過“瞪羚”企業(yè)發(fā)展過程中必經(jīng)的艱難時期，追趕更艱難的制程工藝，并以此進擊更完善的產(chǎn)業(yè)生態(tài)角色。

 

化合物半導(dǎo)體材料的起步

縱觀如今晶圓制造的原材料領(lǐng)域，硅片依然是半導(dǎo)體器件市場中九成的供應(yīng)基礎(chǔ)所在。

但在5G、新能源汽車、功率半導(dǎo)體等市場應(yīng)用的擴圍背景下，性能更匹配這些場景訴求的稀散金屬材料被愈發(fā)重視起來。

不同于硅片采用單質(zhì)材料，第二代和第三代半導(dǎo)體材料都是由至少兩個稀散金屬或其他元素組合構(gòu)成的化合物材料。這導(dǎo)致化合物半導(dǎo)體材料與硅片材料在生長過程中有一定程度不同，高純度原料也并不那么容易被獲得。

也因此，化合物半導(dǎo)體材料的襯底環(huán)節(jié)后，比硅片材料多了“外延”這一環(huán)節(jié)，正是影響到晶圓片純度、平整度的重要一環(huán)。這就考驗著材料廠商們的技術(shù)和產(chǎn)業(yè)鏈聯(lián)動實力。

2012年，先導(dǎo)稀材集團基于對鎵材料的能力積累，逐步將業(yè)務(wù)延伸到下游市場。新成立的先導(dǎo)先進材料公司，開始主要承接砷化鎵這一化合物半導(dǎo)體材料的制備及應(yīng)用。

先導(dǎo)先進材料總經(jīng)理周鐵軍告訴南方財經(jīng)全媒體記者，化合物半導(dǎo)體材料在從2英寸晶圓迭代到如今的6英寸左右晶圓過程中，最大的難點就是晶體生長。

“尤其在進行大尺寸晶體生長時，其所需的溫度需要晶體加熱器的熱量從外往里進行輻射。但往往是晶體中心的溫度符合生長條件了，而周圍的溫度可能還沒有達到適合的生長條件；當(dāng)周圍的溫度達到適合的生長條件時，中心溫度又容易超出適合晶體生長的溫度。這樣一來，晶體鏡像溫度的一致性就變得較難控制，從而就比較難長出大直徑的晶體。”他舉例道，如在砷化鎵晶體生長過程中，機器還會分為6個溫區(qū)，每個溫區(qū)溫度不同，構(gòu)成復(fù)雜的生長環(huán)境。

要解決這些問題，需要有專人與設(shè)備研發(fā)部門進行配合，更需要與半導(dǎo)體設(shè)備廠商有深度的戰(zhàn)略合作，聯(lián)合調(diào)教甚至共同開發(fā)改進試驗和生產(chǎn)設(shè)備。

當(dāng)然在這其中，工藝會比設(shè)備更加關(guān)鍵。周鐵軍指出，由于生產(chǎn)設(shè)備終究是要配合工藝要求，有時候即便有了成熟的設(shè)備，也未必能夠生產(chǎn)出高質(zhì)量的襯底材料。本質(zhì)上看，這是一個需要產(chǎn)業(yè)環(huán)節(jié)緊密配合，彼此勢均力敵、共榮發(fā)展的過程。

持續(xù)研發(fā)努力逐步得到了市場回應(yīng)。據(jù)調(diào)研機構(gòu)Yole Développement于2020年發(fā)布的報告顯示，預(yù)估2017至2019年間，全球范圍內(nèi)砷化鎵晶圓供應(yīng)商的市場份額排名中，先導(dǎo)先進材料以98%的年增速，位居行業(yè)第三，市場份額為17%。

同期內(nèi)其他大廠的年增速均有所下滑，而考慮到2020年至今，全球主要材料供應(yīng)國家都或多或少受到新冠肺炎疫情或災(zāi)害天氣等因素影響，存在減產(chǎn)或短暫停工等現(xiàn)象，不排除中國廠商的市場占有率有較大提升空間。

據(jù)周鐵軍介紹，先導(dǎo)先進材料公司在技術(shù)演進過程中，始終對標(biāo)著包括德國弗瑞伯格、日本住友電工等在內(nèi)的全球頂尖化合物半導(dǎo)體材料公司，并在全球范圍內(nèi)與化合物半導(dǎo)體領(lǐng)域?qū)＜液献鳌?/span>

目前，砷化鎵材料市場最快者推進到了8英寸晶圓，絕大部分還處在2-6英寸晶圓過程中，先導(dǎo)也是如此。不過周鐵軍指出，公司在2020年開始研發(fā)8英寸砷化鎵產(chǎn)品，計劃在2021年下半年將8英寸產(chǎn)品投入市場。從這個角度看，與全球核心公司的步伐相差無幾。

 

國內(nèi)產(chǎn)研勢力的進擊

縱觀全球半導(dǎo)體材料襯底領(lǐng)域，日本無疑是發(fā)展至今技術(shù)層面較為成熟的國家，且目前依然占據(jù)著優(yōu)勢地位。歐美則是隨著新材料應(yīng)用市場的崛起，相關(guān)大廠近些年間通過并購整合等方式，也走向了成熟的發(fā)展周期。

一批國產(chǎn)勢力在近些年間，憑借日益成熟的產(chǎn)業(yè)生態(tài)，疊加技術(shù)能力積累，上游材料廠商們也有了充溢的發(fā)展實力。

典型如LED產(chǎn)業(yè)，其最初的技術(shù)路線并非全然由中國產(chǎn)研界提出，但隨著后續(xù)制備過程中對深層次技術(shù)能力的迭代需求，我們國家依然在此領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)了成熟的產(chǎn)業(yè)化路徑。

2013年至2014年間，中圖科技成立后開始了緊鑼密鼓地建廠。據(jù)介紹，2015年初，公司產(chǎn)線正式運營，經(jīng)過半年的調(diào)校探索，很快在2016-2017年間，業(yè)務(wù)基本走上正軌，并在2017年實現(xiàn)國內(nèi)領(lǐng)先。

得以快速完成這一過程，就是由自研技術(shù)驅(qū)動的。藍寶石襯底的氮化鎵路線最早并非由中國科學(xué)家提出，這一發(fā)展思路起源于日本，并在完成產(chǎn)業(yè)化驗證后，獲得了諾貝爾獎項，進而推動該技術(shù)路線在全球LED材料產(chǎn)業(yè)中推廣。

但中圖科技通過與產(chǎn)業(yè)界和學(xué)界的共同研究，2018年，時任中圖有限董事長、總經(jīng)理職務(wù)的康凱作為主要完成人，參與的項目“氮化物半導(dǎo)體大失配異質(zhì)外延技術(shù)”獲得國家技術(shù)發(fā)明獎二等獎，這也是支撐公司產(chǎn)品產(chǎn)業(yè)化落地的一個重要支點。

康凱向記者介紹，圖形化襯底工藝是一項開放性技術(shù)，通過光學(xué)設(shè)計的LED材料為錐體，需要掩膜和材料刻蝕同步進行，以達到最終所需結(jié)果。這是化合物半導(dǎo)體材料發(fā)展過程中的特殊性，與僅限于二維層面的硅基材料刻蝕有巨大區(qū)別，也是產(chǎn)業(yè)落地過程中的核心難點。

“我們做到了在刻蝕能力提升的同時，把二次掩膜刻蝕技術(shù)首次實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化，加速推動了藍寶石圖形化襯底技術(shù)大規(guī)模、低成本、重復(fù)穩(wěn)定的國產(chǎn)化進程。”他續(xù)稱。

在此基礎(chǔ)上，再進行技術(shù)的迭代演進就有了優(yōu)勢加成。康凱向南方財經(jīng)全媒體記者表示，基于公司自身團隊對產(chǎn)業(yè)和技術(shù)能力領(lǐng)先的認(rèn)知，再以此復(fù)制、擴產(chǎn)，很快就能實現(xiàn)更大的先進工藝規(guī)模效益，并讓后來者難以輕易超越。

“這個產(chǎn)業(yè)是充分開放式競爭環(huán)境，就要求公司需要在材料、技術(shù)等各方面綜合實力要超過同業(yè)，并且保證低成本、穩(wěn)定性，才能獲得更龐大的市場和客戶。”康凱如此總結(jié)道。

這也是中國公司在藍寶石襯底的氮化鎵材料制備技術(shù)，甚至在LED產(chǎn)業(yè)鏈發(fā)展過程中，逐步成為全球核心力量的原因之一。

在早年間，藍寶石材料在晶向選擇方面晶片背面的拋光精細(xì)度參數(shù)等在境內(nèi)外要求不同，在有頭部公司掌握了優(yōu)勢地位后，帶動國內(nèi)產(chǎn)業(yè)共同制定國家標(biāo)準(zhǔn)，也會對整個產(chǎn)業(yè)生態(tài)的更高效發(fā)展帶來啟迪作用。

由此，將進一步推動國內(nèi)的LED半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)，包括設(shè)備廠商、器件廠商等，實現(xiàn)更大規(guī)模的生態(tài)完善和成熟。

中圖科技招股書顯示，自2018年起，公司折合4英寸PSS（圖形化藍寶石襯底）月產(chǎn)能一直保持在100萬片以上，年產(chǎn)能超1300萬片。

另據(jù)LEDinside對全球GaN-LED外延片產(chǎn)量的測算，中圖公司2018-2020年連續(xù)三年全球市場占有率均超過26%，2020年全球市場占有率達到29.81%，目前為全球產(chǎn)銷規(guī)模最大的PSS廠商之一。

大灣區(qū)的優(yōu)勢能力就在于，憑借成熟的產(chǎn)業(yè)化生態(tài)鏈融合。一旦技術(shù)能夠獲得突破，接下來的大規(guī)模、低成本商用，就不是太難的問題。由此也推動中國在化合物半導(dǎo)體材料市場能夠?qū)崿F(xiàn)快速突破。

先導(dǎo)公司在持續(xù)發(fā)展中實現(xiàn)了類似路徑。周鐵軍告訴記者，公司剛進入第二代半導(dǎo)體材料市場時，主要份額被前述日、美國家頂尖公司所壟斷，導(dǎo)致下游企業(yè)發(fā)展舉步維艱，且襯底產(chǎn)品的價格極其昂貴，大部分利潤都被國外企業(yè)所截取。

“依托母公司先導(dǎo)稀材在稀散金屬材料科技領(lǐng)域的優(yōu)勢地位，先導(dǎo)先進材料通過持續(xù)研發(fā)投入，終于在2、4、6英寸砷化鎵襯底領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)產(chǎn)品性能達到頭部大廠的水平，但產(chǎn)品成本遠低于它們，這為公司用較低的價格搶奪市場創(chuàng)造了契機。”據(jù)周鐵軍介紹，公司前期虧損多年，但終究是扛過早期研發(fā)積累的艱難時期，走到如今份額。

 

探索平臺化路徑

對于任何電子生態(tài)鏈企業(yè)來說，平臺化經(jīng)營、串聯(lián)起更豐富的產(chǎn)業(yè)角色，都是發(fā)展到成熟期后的必由之路。不過新興材料領(lǐng)域公司由于面對著初期尚不成熟的生態(tài)環(huán)境，如何定位自己并承擔(dān)由此帶來的壓力，也是一個重要命題。

2009年，海外讀博歸來的汪之涵認(rèn)準(zhǔn)功率半導(dǎo)體行業(yè)的發(fā)展前景，與同學(xué)聯(lián)手開啟創(chuàng)業(yè)道路。2016年，為了拓展第三代半導(dǎo)體業(yè)務(wù)，基本半導(dǎo)體公司應(yīng)運而生，專注于碳化硅功率器件的研發(fā)與產(chǎn)業(yè)化。

相比第一代和第二代半導(dǎo)體材料，第三代半導(dǎo)體材料是從技術(shù)到應(yīng)用都更新興的領(lǐng)域，產(chǎn)業(yè)生態(tài)還不甚成熟，不同產(chǎn)業(yè)角色的實力也參差不齊。

“對我們這類創(chuàng)業(yè)型公司來說，成立之初就決定以IDM模式發(fā)展，會面臨很多風(fēng)險和不確定性。”基本半導(dǎo)體董事長汪之涵向南方財經(jīng)全媒體記者坦言，公司采取循序漸進的發(fā)展模式，最開始以代工方式迅速研發(fā)產(chǎn)品推向市場，隨著公司深入發(fā)展，逐漸轉(zhuǎn)向IDM路徑。

“IDM模式是半導(dǎo)體企業(yè)在發(fā)展過程中的可選項之一，并不是必選。”汪之涵指出，產(chǎn)業(yè)間發(fā)展的常見模式之一是垂直整合。但是硅基集成電路領(lǐng)域已經(jīng)發(fā)展成為設(shè)計環(huán)節(jié)和制造環(huán)節(jié)由不同企業(yè)獨立完成的模式。

做出選擇的核心主要考量行業(yè)整體環(huán)境和企業(yè)所處地位。他認(rèn)為，在集成電路領(lǐng)域，設(shè)計公司和代工廠分工合作，是一種成熟、有持續(xù)發(fā)展空間的方式。但是目前第三代半導(dǎo)體的重要應(yīng)用是功率半導(dǎo)體器件，此領(lǐng)域的優(yōu)勢企業(yè)通常會選擇IDM發(fā)展模式，因其工藝技術(shù)對產(chǎn)品的性能、可靠性會帶來較大影響。

“如果完全讓設(shè)計和制造環(huán)節(jié)分開，很難做出一流的產(chǎn)品。所以無論是硅基功率半導(dǎo)體廠商，還是碳化硅功率半導(dǎo)體廠商，大多采用IDM發(fā)展模式。”汪之涵指出，基本半導(dǎo)體公司的愿景是成為國際一流的碳化硅功率器件企業(yè)，因此走IDM模式是必由之路。

“我們認(rèn)為，考慮到材料特性差異，功率半導(dǎo)體市場中的碳化硅器件大規(guī)模替代硅基器件只是時間早晚問題。雖然市場還存在不確定性，但碳化硅行業(yè)的機會巨大，我們也提前進行了充分布局。”汪之涵表示。

“做產(chǎn)品不可能一蹴而就，即便在正式推出產(chǎn)品后，還需要通過客戶測試認(rèn)證、小批量交付、大批量出貨這一漫長周期。我們通過高效發(fā)展，可以逐步彌補與海外先進企業(yè)的距離。所以有困難反而是動力和機遇。”他續(xù)稱。

如今，特斯拉等車企已經(jīng)全面采用碳化硅器件，給相關(guān)產(chǎn)業(yè)公司帶來更大信心。汪之涵指出，行業(yè)的大規(guī)模應(yīng)用已經(jīng)在持續(xù)加速，加上技術(shù)路線確定，這讓團隊、客戶、合作伙伴和投資者都有很強信心。

據(jù)悉，目前基本半導(dǎo)體碳化硅功率器件產(chǎn)品性能已達到行業(yè)領(lǐng)先水平，被應(yīng)用于新能源發(fā)電、電動汽車、軌道交通、智能電網(wǎng)和消費電子等領(lǐng)域。在不斷擴大國內(nèi)市場份額的同時，公司也在積極開拓海外市場,

在相對成熟的第二代半導(dǎo)體和藍寶石襯底的氮化鎵材料市場，基于自身地位構(gòu)建更豐富的產(chǎn)業(yè)鏈接能力，也正成為必然的路徑選擇。

周鐵軍告訴記者，先導(dǎo)先進公司所從事的化合物半導(dǎo)體行業(yè)是一個小眾行業(yè)，產(chǎn)值占整個半導(dǎo)體行業(yè)總產(chǎn)值不足5%，公司想要在化合物半導(dǎo)體行業(yè)內(nèi)汲取足夠多利潤、實現(xiàn)高速增長，乃至與歐美日等大廠商相抗衡，就必須實現(xiàn)在下游領(lǐng)域的多元化落地。

考慮及此，公司從生產(chǎn)發(fā)光二極管用的襯底產(chǎn)品開始著手，在占據(jù)較大市場份額后，開始往手機通訊、雷達用的襯底產(chǎn)品拓展。

隨著如今公司在砷化鎵領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)較高份額，基于垂直一體化發(fā)展戰(zhàn)略，則開始著手往更下游市場探索，以期挖掘新興業(yè)務(wù)增長點。

布局的其中一個下游市場是3D感測。據(jù)周鐵軍介紹，目前旗下公司完成VCSEL激光器外延、芯片的自主設(shè)計研發(fā)和小批量投產(chǎn)，已給多家客戶送樣測試，芯片性能與國際一流競品相當(dāng)。

“進入VCSEL激光器芯片領(lǐng)域，意味著公司進入了半導(dǎo)體設(shè)計+半導(dǎo)體芯片制造環(huán)節(jié)。”他表示，公司未來將建立化合物半導(dǎo)體全產(chǎn)業(yè)鏈外延、芯片、封裝、模組和系統(tǒng)的生產(chǎn)制造，產(chǎn)品類型覆蓋射頻(HBT/HEMT)、光通(DFB/FP/DBR)、探測器(PIN/APD)和空間光伏領(lǐng)域，同時對外‌開放合作，開展外延、芯片代工業(yè)務(wù)和材料應(yīng)用研究。

中圖基于此前在氮化鎵市場的積累，也開始探索向第三代半導(dǎo)體市場的進一步產(chǎn)研聯(lián)動。近期公司籌劃在科創(chuàng)板上市，募資用途其中一部分，就是用于“第三代半導(dǎo)體襯底材料工程研究中心建設(shè)項目”。

康凱向記者指出，現(xiàn)階段來看，美國公司在碳化硅基的氮化鎵技術(shù)路線上發(fā)展相對成功，日本則是通過藍寶石襯底的氮化鎵技術(shù)走通了另外一條發(fā)展路徑。這說明技術(shù)本身的發(fā)展路線并不唯一。

“募資投入第三代半導(dǎo)體材料市場的研發(fā)，是因為隨著我們在PSS領(lǐng)域逐步做大，有義務(wù)在新的前沿市場進一步深入研究。”他續(xù)稱，在細(xì)分領(lǐng)域做到全球領(lǐng)先水平后，就一定程度上掌握了突圍既往行業(yè)發(fā)展路線的思路和能力。隨著更大的產(chǎn)業(yè)市場被開啟，中圖也有能力進一步復(fù)制到其他市場進行探索和落地，從而形成平臺化發(fā)展模式。

當(dāng)然他很清醒地認(rèn)識到，產(chǎn)業(yè)投資過程中思路清晰很重要。“我們進行這類投資準(zhǔn)備，不是為了趕風(fēng)口，核心是抓團隊不抓項目，有合適的團隊就會予以相應(yīng)關(guān)注。”康凱表示。

如今，在日益完備的國產(chǎn)半導(dǎo)體生態(tài)鏈條發(fā)展路徑之下，上游材料領(lǐng)域公司基于自身對技術(shù)研發(fā)的深厚積累，以及耐得住寂寞的初心，也正走向下一個高地。