第三代半導體的發展研究

據了解，我國計劃把大力支持發展第三代半導體產業，寫入“十四五”規劃，計劃在2021-2025年期間，在教育、科研、開發、融資、應用等等各個方面，大力支持發展第三代半導體產業，以期實現產業獨立自主。

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，特別是硅，構成了一切邏輯器件的基礎。 我們的CPU、GPU的算力，都離不開硅的功勞。

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。 其中砷化鎵在射頻功放器件中扮演重要角色，磷化銦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。

以第三代半導體的典型代表碳化硅（SiC）為例，碳化硅具有高臨界磁場、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，碳化硅器件可以顯著降低開關損耗。 因此，碳化硅可以制造高耐壓、大功率的電力電子器件如MOSFET、IGBT、SBD等，用于智能電網、新能源汽車等行業。 與硅元器件相比，氮化鎵具有高臨界磁場、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，無法挑戰硅基半導體的統治地位。

目前碳化硅襯底技術相對簡單，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。硅基半導體的性能已無法完全滿足5G和新能源汽車的需求，碳化硅和氮化鎵等第三代半導體的優勢被放大。

另外，制備技術的進步使得碳化硅和氮化鎵器件成本不斷下降，碳化硅和氮化鎵的性價比優勢將充分顯現。 初步判斷，第三代半導體未來的核心增長點將集中在碳化硅和氮化鎵各自占優勢的領域。

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，有望成為碳化硅市場快速增長的主要驅動力。

計到2023年，碳化硅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。碳化硅功率器件輕量化、高效率、耐高溫的特性有助于有效降低新能源汽車的成本。

2018年特斯拉Model 3采用了意法半導體生產的碳化硅逆變器，是第一家在主逆變器中集成全碳化硅功率模塊的車企。

以Model 3搭載的碳化硅功率器件為例，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，碳化硅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碳化硅變流技術的牽引系統項目。 采用完全的碳化硅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

氮化鎵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，有望成為氮化鎵市場快速增長的主要驅動力?；诘壒に嚨幕菊急葘⒂?0%增至58%，帶來大量氮化鎵的新增需求。

預計到2022年，氮化鎵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

氮化鎵具備導通電阻小、損耗低以及能源轉換效率高等優點，由氮化鎵制成的充電器還可以做到較小的體積。安卓端率先將氮化鎵技術導入到快充領域，隨著氮化鎵生產成本迅速下降，氮化鎵快充有望成為消費電子領域下一個殺手級應用。預計全球氮化鎵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發布國內首款氮化鎵充電器SuperVOOC 2.0，充電功率為65W； 2020年2月，小米推出65W 氮化鎵充電器，體積比小米筆記本充電器縮小48％，并且售價創下業內新低。

隨著氮化鎵技術逐步提升，規模效應會帶動成本越來越低，未來氮化鎵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、中國以硅為代表的第一代半導體材料和國際一線水平差距最大

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、中國以砷化鎵為代表的第二代半導體材料已經有突破的跡象

1.砷化鎵晶圓環節

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.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71%的市場份額，其次為宏捷（臺灣）與環宇（GCS，美國），分別為9%和8%。

3.砷化鎵元器件

砷化鎵元器件產品（PA為主），也是以歐美廠商為主，最大的是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。

可見，在砷化鎵三大產業鏈環節（晶圓、晶圓制造代工、核心元器件），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。

三、中國在以氮化鎵和碳化硅為代表第三代半導體材料方面有追趕和超車的機會

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。

中國三代半導體材料相關公司

來源：GaN世界

責任編輯：haq