第三代半導體 全村的希望

什么是第三代半導體？

第三代半導體是以碳化硅SiC、氮化鎵GaN為主的寬禁帶半導體材料，具有高擊穿電場、高飽和電子速度、高熱導率、高電子密度、高遷移率、可承受大功率等特點。

一、二、三代半導體什么區別？

一、材料： 第一代半導體材料，發明并實用于20世紀50年代，以硅（Si）、鍺（Ge）為代表，特別是Si，構成了一切邏輯器件的基礎。我們的CPU、GPU的算力，都離不開Si的功勞。 第二代半導體材料，發明并實用于20世紀80年代，主要是指化合物半導體材料，以砷化鎵（GaAs）、磷化銦（InP）為代表。其中GaAs在射頻功放器件中扮演重要角色，InP在光通信器件中應用廣泛…… 而第三代半導體，發明并實用于本世紀初年，涌現出了碳化硅（SiC）、氮化鎵（GaN）、氧化鋅（ZnO）、金剛石（C）、氮化鋁（AlN）等具有寬禁帶（Eg＞2.3eV）特性的新興半導體材料，因此也被成為寬禁帶半導體材料。

二、帶隙： 第一代半導體材料，屬于間接帶隙，窄帶隙；第二代半導體材料，直接帶隙，窄帶隙；第三代半導體材料，寬禁帶，全組分直接帶隙。 和傳統半導體材料相比，更寬的禁帶寬度允許材料在更高的溫度、更強的電壓與更快的開關頻率下運行。 三、應用： 第一代半導體材料主要用于分立器件和芯片制造； 第二代半導體材料主要用于制作高速、高頻、大功率以及發光電子器件，也是制作高性能微波、毫米波器件的優良材料，廣泛應用在微波通信、光通信、衛星通信、光電器件、激光器和衛星導航等領域。 第三代半導體材料廣泛用于制作高溫、高頻、大功率和抗輻射電子器件，應用于半導體照明、5G通信、衛星通信、光通信、電力電子、航空航天等領域。第三代半導體材料已被認為是當今電子產業發展的新動力。 碳化硅（SiC）（第三代）具有高臨界磁場、高電子飽和速度與極高熱導率等特點，使得其器件適用于高頻高溫的應用場景，相較于硅器件（第一代），可以顯著降低開關損耗。因此，SiC可以制造高耐壓、大功率電力電子器件如MOSFET、IGBT、SBD等，用于智能電網、新能源汽車等行業。與硅元器件（第一代）相比，氮化鎵（GaN）（第三代）具有高臨界磁場、高電子飽和速度與極高的電子遷移率的特點，是超高頻器件的極佳選擇，適用于5G通信、微波射頻等領域的應用。 第三代半導體材料具有抗高溫、高功率、高壓、高頻以及高輻射等特性，相比第一代硅（Si）基半導體可以降低50%以上的能量損失，同時使裝備體積減小75%以上。
第三代半導體屬于后摩爾定律概念，制程和設備要求相對不高，難點在于第三代半導體材料的制備，同時在設計上要有優勢。

第三代半導體現狀

由于制造設備、制造工藝以及成本的劣勢，多年來第三代半導體材料只是在小范圍內應用，無法挑戰Si基半導體的統治地位。 目前碳化硅（SiC）襯底技術相對簡單，國內已實現4英寸量產，6英寸的研發也已經完成。 氮化鎵（GaN）制備技術仍有待提升，國內企業目前可以小批量生產2英寸襯底，具備了4英寸襯底生產能力，并開發出6英寸樣品。

第三代半導體的機遇

在5G和新能源汽車等新市場需求的驅動下，第三代半導體材料有望迎來加速發展。 隨著5G、新能源汽車等新市場出現，硅（Si）基半導體的性能已無法完全滿足需求，碳化硅（SiC）和氮化鎵（GaN），即第三代半導體的優勢被放大。
另外，制備技術進步使得碳化硅（SiC）和氮化鎵（GaN）器件成本不斷下降，碳化硅（SiC）和氮化鎵（GaN）的性價比優勢將充分顯現， 第三代半導體未來核心增長點碳化硅（SiC）和氮化鎵（GaN）有各自的優勢領域。 一、碳化硅（SiC）常被用于功率器件，適用于600V下的高壓場景，廣泛應用于新能源汽車、充電樁、軌道交通、光伏、風電等電力電子領域。新能源汽車以及軌道交通兩個領域復合增速較快，有望成為SiC市場快速增長的主要驅動力。預計到2023年，SiC功率器件的市場規模將超過15億美元，年復合增長率為31%。 1、【新能源汽車】在新能源汽車領域，碳化硅（SiC）器件主要可以應用于功率控制單元、逆變器、車載充電器等方面。SiC功率器件輕量化、高效率、耐高溫的特性有助于有效降低新能源汽車系統成本。 2018年特斯拉Model 3采用了意法半導體生產的SiC逆變器，是第一家在主逆變器中集成全SiC功率模塊的車企。 以Model 3搭載的SiC功率器件為例，其輕量化的特性節省了電動汽車內部空間，高效率的特性有效降低了電動汽車電池成本，耐高溫的特性降低了對冷卻系統的要求，節約了冷卻成本。 此外，近期新上市的比亞迪漢EV也搭載了比亞迪自主研發并制造的高性能SiC-MOSFET 控制模塊。 2、【軌道交通】在軌道交通領域，SiC器件主要應用于軌交牽引變流器，能大幅提升牽引變流裝置的效率，符合軌道交通綠色化、小型化、輕量化的發展趨勢。 近日完成調試的蘇州3號線0312號列車是國內首個基于SiC變流技術的牽引系統項目。采用完全的SiC半導體技術替代傳統IGBT技術，在提高系統效率的同時降低了噪聲，提升了乘客的舒適度。 二、氮化鎵（GaN）側重高頻性能，廣泛應用于基站、雷達、工業、消費電子領域： 1、【5G基站】GaN射頻器件更能有效滿足5G高功率、高通信頻段的要求。5G基站以及快充兩個領域復合增速較快，有望成為GaN市場快速增長的主要驅動力?；贕aN工藝的基站占比將由50%增至58%，帶來大量GaN需求。 預計到2022年，氮化鎵（GaN）器件的市場規模將超過25億美元，年復合增長率為17%。 2、【快充】GaN具備導通電阻小、損耗低以及能源轉換效率高等優點，由GaN制成的充電器還可以做到較小的體積。安卓端率先將GaN技術導入到快充領域，隨著GaN生產成本迅速下降，GaN快充有望成為消費電子領域下一個殺手級應用。預計全球GaN功率半導體市場規模從2018年的873萬美元增長到2024年的3.5億美元，復合增長率達到85%。 2019年9月，OPPO發布國內首款GaN充電器SuperVOOC 2.0，充電功率為65W；2020年2月，小米推出65W GaN充電器，體積比小米筆記本充電器縮小48％，并且售價創下業內新低。 隨著GaN技術逐步提升，規模效應會帶動成本越來越低，未來GaN充電器的滲透率會不斷提升。

中國三代半導體材料中和全球的差距

一、中國在第一代半導體材料，以硅（Si）為代表和全球的差距最大。1、生產設備：幾乎所有的晶圓代工廠都會用到美國公司的設備，2019年全球前5名芯片設備生產商3家來自美國；而中國的北方華創、中微半導體、上海微電子等中國優秀的芯片公司只是在刻蝕設備、清洗設備、光刻機等部分細分領域實現突破，設備領域的國產化率還不到20%。 2、應用材料：美國已連續多年位列第一，我國的高端光刻膠幾乎依賴進口，全球5大硅晶圓的供應商占據了高達92.8%的產能，美國、日本、韓國的公司具有壟斷地位。 3、生產代工：2019年臺積電市場占有率高達52%，韓國三星占了18%左右，中國最優秀的芯片制造公司中芯國際只占5%，且在制程上前面兩個相差30年的差距。 二、中國第二代半導體材料代表的砷化鎵（GaAs）已經有突破的跡象。1、砷化鎵晶圓環節：根據Strategy Analytics數據，2018年前四大砷化鎵外延片廠商為IQE（英國）、全新光電（VPEC，臺灣）、住友化學（Sumitomo Chemicals，日本）、英特磊（IntelliEPI，臺灣），市場占有率分別為54%、25%、13%、6%。CR4高達98%。 2、在砷化鎵晶圓制造環節（Foundry+IDM）：臺灣系代工廠為主流，穩懋（臺灣）一家獨大，占據了砷化鎵晶圓代工市場的 71%份額，其次為宏捷（臺灣）與環宇（GCS，美國），分別為9%和8%。 3、從砷化鎵產品來看（PA為主），全球競爭格局也是以歐美產商為主，最大Skyworks（思佳訊），市場占有率為30.7%，其次為Qorvo（科沃，RFMD和TriQuint合并而成），市場份額為28%，第三名為Avago（安華高，博通收購）。這三家都是美國企業。 在砷化鎵三大產業鏈環節：晶圓、晶圓制造代工、核心元器件環節，目前都以歐美、日本和臺灣廠商為主導。中國企業起步晚，在產業鏈中話語權不強。 不過從三個環節來看，已經有突破的跡象。如華為就是將手機射頻關鍵部件PA通過自己研發然后轉單給三安光電代工的。 4、中國在以氮化鎵（GaN）和碳化硅（SiC）為代表第三代半導體材料方面有追趕和超車的良機。 由于第三代半導體材料及應用產業發明并實用于本世紀初年，各國的研究和水平相差不遠，國內產業界和專家認為第三代半導體材料成了我們擺脫集成電路（芯片）被動局面，實現芯片技術追趕和超車的良機。就像汽車產業，中國就是利用發展新能源汽車的模式來拉近和美、歐、日系等汽車強國的距離的，并且在某些領域實現了彎道超車、換道超車的局面。三代半材料性能優異、未來應用廣泛，如果從這方面趕超是存在機會的。

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責任編輯：xj

原文標題：什么是第三代半導體？第三代半導體現狀與機遇！附第三代半導體詳解及名單

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