第三代半導(dǎo)體的發(fā)展研究

據(jù)了解，我國(guó)計(jì)劃把大力支持發(fā)展第三代半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)，寫(xiě)入“十四五”規(guī)劃，計(jì)劃在2021-2025年期間，在教育、科研、開(kāi)發(fā)、融資、應(yīng)用等等各個(gè)方面，大力支持發(fā)展第三代半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)，以期實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)獨(dú)立自主。

什么是第三代半導(dǎo)體？

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

一、二、三代半導(dǎo)體什么區(qū)別？

一、材料

第一代半導(dǎo)體材料，發(fā)明并實(shí)用于20世紀(jì)50年代，以硅（Si）、鍺（Ge）為代表，特別是硅，構(gòu)成了一切邏輯器件的基礎(chǔ)。 我們的CPU、GPU的算力，都離不開(kāi)硅的功勞。

第二代半導(dǎo)體材料，發(fā)明并實(shí)用于20世紀(jì)80年代，主要是指化合物半導(dǎo)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(yīng)用廣泛……

而第三代半導(dǎo)體，發(fā)明并實(shí)用于本世紀(jì)初年，涌現(xiàn)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(dǎo)體材料，因此也被成為寬禁帶半導(dǎo)體材料。

二、帶隙

第一代半導(dǎo)體材料，屬于間接帶隙，窄帶隙； 第二代半導(dǎo)體材料，直接帶隙，窄帶隙； 第三代半導(dǎo)體材料，寬禁帶，全組分直接帶隙。

和傳統(tǒng)半導(dǎo)體材料相比，更寬的禁帶寬度允許材料在更高的溫度、更強(qiáng)的電壓與更快的開(kāi)關(guān) 頻率下運(yùn)行。

三、應(yīng)用

第一代半導(dǎo)體材料主要用于分立器件和芯片制造；

第二代半導(dǎo)體材料主要用于制作高速、高頻、大功率以及發(fā)光電子器件，也是制作高性能微波、毫米波器件的優(yōu)良材料，廣泛應(yīng)用在微波通信、光通信、衛(wèi)星通信、光電器件、激光 器和衛(wèi)星導(dǎo)航等領(lǐng)域。

第 三代半導(dǎo)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(yīng)用于半導(dǎo)體照明、5G通信、衛(wèi)星通信、光通信、電力電子、航空航天等領(lǐng)域。 第三代半導(dǎo)體材料已被認(rèn)為是當(dāng)今電子產(chǎn)業(yè)發(fā)展的新動(dòng)力。

以第三代半導(dǎo)體的典型代表碳化硅（SiC）為例，碳化硅具有高臨界磁場(chǎng)、高電子飽和速度與極高熱導(dǎo)率等特點(diǎn)，使得其器件適用于高頻高溫的應(yīng)用場(chǎng)景，相較于硅器件，碳化硅器件可以顯著降低開(kāi)關(guān)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(wǎng)、新能源汽車(chē)等行業(yè)。 與硅元器件相比，氮化鎵具有高臨界磁場(chǎng)、高電子飽和速度與極高的電子遷移率的特點(diǎn)，是超高頻器件的極佳選擇，適用于5G通信、微波射頻等領(lǐng)域的應(yīng)用。

第三代半導(dǎo)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(dǎo)體可以降低50%以上的能量損失，同時(shí)使裝備體積減小75%以上。

第三代半導(dǎo)體屬于后摩爾定律概念，制程和設(shè)備要求相對(duì)不高，難點(diǎn)在于第三代半導(dǎo)體材料的制備，同時(shí)在設(shè)計(jì)上要有優(yōu)勢(shì)。

第三代半導(dǎo)體現(xiàn)狀

由于制造設(shè)備、制造工藝以及成本的劣勢(shì)，多年來(lái)第三代半導(dǎo)體材料只是在小范圍內(nèi)應(yīng)用，無(wú)法挑戰(zhàn)硅基半導(dǎo)體的統(tǒng)治地位。

目前碳化硅襯底技術(shù)相對(duì)簡(jiǎn)單，國(guó)內(nèi)已實(shí)現(xiàn)4英寸量產(chǎn)，6英寸的研發(fā)也已經(jīng)完成。 氮化鎵（GaN）制備技術(shù)仍有待提升，國(guó)內(nèi)企業(yè)目前可以小批量生產(chǎn)2英寸襯底，具備了4英寸襯底生產(chǎn)能力，并開(kāi)發(fā)出6英寸樣品。

第三代半導(dǎo)體的機(jī)遇

在5G和新能源汽車(chē)等新市場(chǎng)需求的驅(qū)動(dòng)下，第三代半導(dǎo)體材料有望迎來(lái)加速發(fā)展。硅基半導(dǎo)體的性能已無(wú)法完全滿(mǎn)足5G和新能源汽車(chē)的需求，碳化硅和氮化鎵等第三代半導(dǎo)體的優(yōu)勢(shì)被放大。

另外，制備技術(shù)的進(jìn)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?xún)r(jià)比優(yōu)勢(shì)將充分顯現(xiàn)。 初步判斷，第三代半導(dǎo)體未來(lái)的核心增長(zhǎng)點(diǎn)將集中在碳化硅和氮化鎵各自占優(yōu)勢(shì)的領(lǐng)域。

一、碳化硅（SiC）

常被用于功率器件，適用于600V下的高壓場(chǎng)景，廣泛應(yīng)用于新能源汽車(chē)、充電樁、軌道交通、光伏、風(fēng)電等電力電子領(lǐng)域。新能源汽車(chē)以及軌道交通兩個(gè)領(lǐng)域復(fù)合增速較快，有望成為碳化硅市場(chǎng)快速增長(zhǎng)的主要驅(qū)動(dòng)力。

計(jì)到2023年，碳化硅功率器件的市場(chǎng)規(guī)模將超過(guò)15億美元，年復(fù)合增長(zhǎng)率為 31%。

1.新能源汽車(chē)

在新能源汽車(chē)領(lǐng)域，碳化硅器件主要可以應(yīng)用于功率控制單元、逆變器、車(chē)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(chē)的成本。

2018年特斯拉Model 3采用了意法半導(dǎo)體生產(chǎn)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(chē)企。

以Model 3搭載的碳化硅功率器件為例，其輕量化的特性節(jié)省了電動(dòng)汽車(chē)內(nèi)部空間，高效率的特性有效降低了電動(dòng)汽車(chē)電池成本，耐高溫的特性降低了對(duì)冷卻系統(tǒng)的要求，節(jié)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(fā)并制造的高性能SiC-MOSFET 控制模塊。

2.軌道交通

在軌道交通領(lǐng)域，碳化硅器件主要應(yīng)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(fā)展趨勢(shì)。

近日完成調(diào)試的蘇州3號(hào)線(xiàn)0312號(hào)列車(chē)是國(guó)內(nèi)首個(gè)基于碳化硅變流技術(shù)的牽引系統(tǒng)項(xiàng)目。 采用完全的碳化硅半導(dǎo)體技術(shù)替代傳統(tǒng)IGBT技術(shù)，在提高系統(tǒng)效率的同時(shí)降低了噪聲，提升了乘客的舒適度。

二、氮化鎵（GaN）

側(cè)重高頻性能，廣泛應(yīng)用于基站、雷達(dá)、工業(yè)、消費(fèi)電子領(lǐng)域：

1.5G基站

氮化鎵射頻器件更能有效滿(mǎn)足5G高功率、高通信頻段的要求。5G基站以及快充兩個(gè)領(lǐng)域復(fù)合增速較快，有望成為氮化鎵市場(chǎng)快速增長(zhǎng)的主要驅(qū)動(dòng)力。基于氮化鎵工藝的基站占比將由50%增至58%，帶來(lái)大量氮化鎵的新增需求。

預(yù)計(jì)到2022年，氮化鎵器件的市場(chǎng)規(guī)模將超過(guò)25億美元，年復(fù)合增長(zhǎng)率為17%。

2.快充

氮化鎵具備導(dǎo)通電阻小、損耗低以及能源轉(zhuǎn)換效率高等優(yōu)點(diǎn)，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(shù)導(dǎo)入到快充領(lǐng)域，隨著氮化鎵生產(chǎn)成本迅速下降，氮化鎵快充有望成為消費(fèi)電子領(lǐng)域下一個(gè)殺手級(jí)應(yīng)用。預(yù)計(jì)全球氮化鎵功率半導(dǎo)體市場(chǎng)規(guī)模從2018年的873萬(wàn)美元增長(zhǎng)到2024年的3.5億美元，復(fù)合增長(zhǎng)率達(dá)到85%。

2019年9月，OPPO發(fā)布國(guó)內(nèi)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(jià)創(chuàng)下業(yè)內(nèi)新低。

隨著氮化鎵技術(shù)逐步提升，規(guī)模效應(yīng)會(huì)帶動(dòng)成本越來(lái)越低，未來(lái)氮化鎵充電器的滲透率會(huì)不斷提升。

中國(guó)三代半導(dǎo)體材料中和全球的差距

一、中國(guó)以硅為代表的第一代半導(dǎo)體材料和國(guó)際一線(xiàn)水平差距最大

1.生產(chǎn)設(shè)備

幾乎所有的晶圓代工廠都會(huì)用到美國(guó)公司的設(shè)備，2019年全球前5名芯片設(shè)備生產(chǎn)商3家來(lái)自美國(guó)；而中國(guó)的北方華創(chuàng)、中微半導(dǎo)體、上海微電子等中國(guó)優(yōu)秀的芯片公司只是在刻蝕設(shè)備、清洗設(shè)備、光刻機(jī)等部分細(xì)分領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)突破，設(shè)備領(lǐng)域的國(guó)產(chǎn)化率還不到20%。

2.應(yīng)用材料

美國(guó)已連續(xù)多年位列第一，我國(guó)的高端光刻膠幾乎依賴(lài)進(jìn)口，全球5大硅晶圓的供應(yīng)商占據(jù)了高達(dá)92.8%的產(chǎn)能，美國(guó)、日本、韓國(guó)的公司具有壟斷地位。

3.生產(chǎn)代工

2019年臺(tái)積電市場(chǎng)占有率高達(dá)52%，韓國(guó)三星占了18%左右，中國(guó)最優(yōu)秀的芯片制造公司中芯國(guó)際只占5%，且在制程上前面兩個(gè)相差30年的差距。

二、中國(guó)以砷化鎵為代表的第二代半導(dǎo)體材料已經(jīng)有突破的跡象

1.砷化鎵晶圓環(huán)節(jié)

據(jù)Strategy Analytics數(shù)據(jù)，2018年前四大砷化鎵外延片廠商為IQE（英國(guó)）、全新光電（VPEC，臺(tái)灣）、住友化學(xué)（Sumitomo Chemicals，日本）、英特磊（IntelliEPI，臺(tái)灣），市場(chǎng)占有率分別為54%、25%、13%、6%。 CR4高達(dá)98%。

2.砷化鎵晶圓制造環(huán)節(jié)（Foundry+IDM）

臺(tái)灣系代工廠為主流，穩(wěn)懋（臺(tái)灣）一家獨(dú)大，占據(jù)了砷化鎵晶圓代工市場(chǎng)71%的市場(chǎng)份額，其次為宏捷（臺(tái)灣）與環(huán)宇（GCS，美國(guó)），分別為9%和8%。

3.砷化鎵元器件

砷化鎵元器件產(chǎn)品（PA為主），也是以歐美廠商為主，最大的是Skyworks（思佳訊），市場(chǎng)占有率為30.7%； 其次為Qorvo（科沃，RFMD和TriQuint合并而成），市場(chǎng)份額為28%； 第三名為Avago（安華高，博通收購(gòu)）。 這三家都是美國(guó)企業(yè)。

可見(jiàn)，在砷化鎵三大產(chǎn)業(yè)鏈環(huán)節(jié)（晶圓、晶圓制造代工、核心元器件），目前都以歐美、日本和臺(tái)灣廠商為主導(dǎo)。 中國(guó)企業(yè)起步晚，在產(chǎn)業(yè)鏈中話(huà)語(yǔ)權(quán)不強(qiáng)。

不過(guò)從三個(gè)環(huán)節(jié)來(lái)看，已經(jīng)有突破的跡象。如華為就是將手機(jī)射頻關(guān)鍵部件PA通過(guò)自己研發(fā)然后轉(zhuǎn)單給三安光電代工的。

三、中國(guó)在以氮化鎵和碳化硅為代表第三代半導(dǎo)體材料方面有追趕和超車(chē)的機(jī)會(huì)

由于第三代半導(dǎo)體材料及應(yīng)用產(chǎn)業(yè)發(fā)明并實(shí)用于本世紀(jì)初年，各國(guó)的研究和水平相差不遠(yuǎn)，國(guó)內(nèi)產(chǎn)業(yè)界和專(zhuān)家認(rèn)為第三代半導(dǎo)體材料成了我們擺脫集成電路（芯片）被動(dòng)局面、實(shí)現(xiàn)芯片技術(shù)追趕和超車(chē)的良機(jī)。就像汽車(chē)產(chǎn)業(yè)，中國(guó)就是利用發(fā)展新能源汽車(chē)的模式來(lái)拉近和美、歐、日系等汽車(chē)強(qiáng)國(guó)的距離的，并且在某些領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)了彎道超車(chē)、換道超車(chē)的局面。三代半材料性能優(yōu)異、未來(lái)應(yīng)用廣泛，如果從這方面趕超是存在機(jī)會(huì)的。

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來(lái)源：GaN世界

責(zé)任編輯：haq