第三代半导体材料迎爆发碳化硅氮化镓站上

据媒体消息，中国正在规划将大力支持发展第三代半导体产业写入“十四五”规划之中，计划在到年的五年之内，举全国之力，在教育、科研、开发、融资、应用等等各个方面对第三代半导体发展提供广泛支持，以期实现产业独立自主，不再受制于人。下一个五年的经济战略包括向无线网络到人工智能等技术领域投入约1.4万亿美元。

当前先进半导体材料已上升至国家战略层面，年目标渗透率超过50%。底层材料与技术是半导体发展的基础科学，《中国制造》分别对第三代半导体单晶衬底、光电子器件/模块、电力电子器件/模块、射频器件/模块等细分领域做出了目标规划。

在任务目标中提到实现在5G通信、高效能源管理中的国产化率达到50%；在新能源汽车、消费电子中实现规模应用，在通用照明市场渗透率达到80%以上。

半导体行业发展至今经历了三个阶段，目前已经发展形成了三代半导体材料。

第一代半导体材料是以主要是指Si、Ge元素半导体，它们是半导体分立器件、集成电路和太阳能电池的基础材料，但是硅基芯片经过长期发展，已经正在逐渐接近材料的极限，硅基器件性能提高的潜力也越来越小。

第二代半导体材料主要是指如砷化镓、锑化铟等化合物半导体材料。其中以砷化镓（GaAs）为代表，砷化镓拥有一些较硅要好的电子特性，可以用在高于GHz的场合，并且砷化镓比同样的硅基器件更适合运用在高功率的场合，可以运用在移动电话历史沿革、卫星通讯、雷达系统等地方。

第三代半导体材料是以氮化镓（GaN）和碳化硅（SiC）、氧化锌（ZnO）等宽禁带为代表，跟前两代相比，第三代半导体具有更宽的禁带宽度、更高的击穿电场、更高的热导率、更高的电子饱和速率及更高的抗辐射能力，更适合于制作高温、高频、抗辐射及大功率器件。

第三代化合物半导体材料性能优异市场广阔，YOLE预计到年，全球GaN功率器件整体市场规模可达到11亿美元，SiC市场规模预计达到4.5亿美元。

图表来源：MoneyDJ

氮化镓（GaN）、碳化硅（SiC）为最成熟的第三代半导体材料又称宽禁带半导体材料（禁带宽度大于2.2ev），其余包括氧化锌、金刚石、氮化铝的研究还处于起步阶段。

GaN、SiC能过够大幅提升电子器件的高压、高频、高功率的工作特性，在军事、新能源、电动汽车等领域具有非常大的应用前景。

和传统半导体材料相比，禁带宽度越大允许材料在更高的温度、更强的电压与更快的开关频率下运行。SiC可以制造高耐压、大功率电力电子器件如MOSFET、IGBT、SBD等，用于智能电网、新能源汽车等行业。

由于其优异的性能，SiC功率半导体市场正在快速成长，年SiC功率半导体市场规模不到5亿美元，预计到年市场规模将增长至20亿美元，CAGR约30%，其中汽车市场将成为最重要的驱动因素，预计到年其在占SiC功率半导体市场占比将达50%。

氮化镓（GaN）是氮和镓的化合物，与硅元器件相比，GaN具有高临界磁场、高电子饱和速度与极高的电子迁移率的特点，是超高频器件的极佳选择，目前氮化镓的应用主要集中在功率、发光材料、5G通信射频领域等。

在GaN方面，预计消费类电子将是前期主要的应用领域，激光雷达、数据存储及新能源汽车等新兴市场将成为后期主要驱动力。根据Yole的数据，到年，全球GaN功率器件整体市场规模可达到3亿美元以上，年至年复合增长率高达80%。

5G基站GaN射频功率放大器将成为主流技术，逐渐侵占LDMOS的市场，GaN能较好的适用于大规模MIMO。GaN的优点是禁带宽度大，热导率高，因此工作温度高，击穿电压高，抗辐射能力强。未来，SiC衬底的GaN功率元件，在5G基站预计将得到更多的应用。

随着第三代半导体材料的成本因生产技术的不断提升而下降，其应用市场也将迎来爆发式增长，给半导体行业带来新的发展机遇。

SiC产业链分为四个产业环节：上游衬底、中游外延片（EPI硅片）、下游器件、模组制造。

高技术门槛导致第三代半导体材料市场以日美欧寡头垄断，全球SiC制造厂商主要是英飞凌、Cree和Rohm，三家企业占据90%的碳化硅市场份额。

龙头企业Cree扩大规模和锁定货源，与意法半导体、英飞凌等中游厂商达成多项战略协议，在价值1亿美元的长期供应协议中，Cree为英飞凌的光伏逆变器、机器人、充电基础设施、工业电源、牵引和变速驱动器等产品提供SiC晶圆。

另一项为期多年的2.5亿美元规模的协议中，Cree的Wolfspeed部门将会向ST供应mmSiC晶圆。

国际先进技术已将SiC单晶衬底从4英寸推广到8英寸，预期未来碳化硅成本每年下降10-15%。

根据IHS数据，预计未来两三年内MOSFET（SiC）单位成本降至IGBT2-3倍水平，即元左右，产业化值得期待。短期内，MOSFET（SiC）路线具备相对的经济性和可操作性，有望成为未来三年内的新需求。

目前国内已经形成相对完整的产业链体系，SiC衬底以4英寸为主，衬底材料方面有山东天岳、天科合达，EPI硅片有东莞天域半导体、厦门瀚天天成，其他器件和模组公司比如斯达半导、中车时代电气、泰科天润等，国内厂商与海外巨头差距较小，根据中研网，本土企业已在SiC-SBD形成销售收入，开发出V/A的混合模块、V/50A等大容量全SiC功率模块。

国内目前已实现4英寸衬底的量产；同时山东天岳、天科合达、河北同光、中科节能均已完成6英寸衬底的研发；中电科装备已成功研制出6英寸半绝缘衬底。

在GaN衬底方面，国内企业已经可以小批量生产2英寸衬底，具备4英寸衬底生产能力，并开发出6英寸衬底样品。

目前已实现产业化的企业包括苏州纳米所的苏州纳维科技公司和北京大学的东莞市中镓半导体科技公司，其中苏州纳维目前已推出4英寸衬底产品，并且正在开展6英寸衬底片研发。

同时，随着化合物半导体重要性日渐提升，第三代半导体（以GaN、SiC为代表）材料和芯片生产线不断涌现，并快速成长。

硅材料在未来十年的技术革新下，将维持主流半导体材料的地位，朝向硅自主材料和硅衬底化合物两条路径发展。

即使在5G/IoT/AI等技术导入下，硅衬底的化合物材料也能满足射频芯片、功率器件对高频、高压、高功率的的需求，而且更具有经济效益。

在目前的电子产品应用中，仅有军工、安防、航天等少部分需要超高规格的应用领域，才需采用化合物单晶材料。

随着物联网、大数据和人工智能驱动的新计算时代的发展，对半导体器件的需求日益增长，对器件可靠性与性能指标的要求也更加严苛。以碳化硅和氮化镓为代表的第三代半导体开始逐渐受到市场的重视，国际上已形成完整的覆盖材料，器件，模块和应用等环节的产业链，全球新一轮的产业升级已经开始。