第三代半导体 全村的希望

什么是第三代半导体？

第三代半导体是以碳化硅SiC、氮化镓GaN为主的宽禁带半导体材料，具有高击穿电场、高饱和电子速度、高热导率、高电子密度、高迁移率、可承受大功率等特点。  

一、二、三代半导体什么区别？

一、材料：  第一代半导体材料，发明并实用于20世纪50年代，以硅（Si）、锗（Ge）为代表，特别是Si，构成了一切逻辑器件的基础。我们的CPU、GPU的算力，都离不开Si的功劳。   第二代半导体材料，发明并实用于20世纪80年代，主要是指化合物半导体材料，以砷化镓（GaAs）、磷化铟（InP）为代表。其中GaAs在射频功放器件中扮演重要角色，InP在光通信器件中应用广泛……   而第三代半导体，发明并实用于本世纪初年，涌现出了碳化硅（SiC）、氮化镓（GaN）、氧化锌（ZnO）、金刚石（C）、氮化铝（AlN）等具有宽禁带（Eg＞2.3eV）特性的新兴半导体材料，因此也被成为宽禁带半导体材料。

 二、带隙：   第一代半导体材料，属于间接带隙，窄带隙；第二代半导体材料，直接带隙，窄带隙；第三代半导体材料，宽禁带，全组分直接带隙。   和传统半导体材料相比，更宽的禁带宽度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。  三、应用：  第一代半导体材料主要用于分立器件和芯片制造；   第二代半导体材料主要用于制作高速、高频、大功率以及发光电子器件，也是制作高性能微波、毫米波器件的优良材料，广泛应用在微波通信、光通信、卫星通信、光电器件、激光器和卫星导航等领域。   第三代半导体材料广泛用于制作高温、高频、大功率和抗辐射电子器件，应用于半导体照明、5G通信、卫星通信、光通信、电力电子、航空航天等领域。第三代半导体材料已被认为是当今电子产业发展的新动力。   碳化硅（SiC）（第三代）具有高临界磁场、高电子饱和速度与极高热导率等特点，使得其器件适用于高频高温的应用场景，相较于硅器件（第一代），可以显著降低开关损耗。因此，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。与硅元器件（第一代）相比，氮化镓（GaN）（第三代）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，适用于5G通信、微波射频等领域的应用。   第三代半导体材料具有抗高温、高功率、高压、高频以及高辐射等特性，相比第一代硅（Si）基半导体可以降低50%以上的能量损失，同时使装备体积减小75%以上。
第三代半导体属于后摩尔定律概念，制程和设备要求相对不高，难点在于第三代半导体材料的制备，同时在设计上要有优势。
 

第三代半导体现状

由于制造设备、制造工艺以及成本的劣势，多年来第三代半导体材料只是在小范围内应用，无法挑战Si基半导体的统治地位。   目前碳化硅（SiC）衬底技术相对简单，国内已实现4英寸量产，6英寸的研发也已经完成。 氮化镓（GaN）制备技术仍有待提升，国内企业目前可以小批量生产2英寸衬底，具备了4英寸衬底生产能力，并开发出6英寸样品。  

第三代半导体的机遇

在5G和新能源汽车等新市场需求的驱动下，第三代半导体材料有望迎来加速发展。   随着5G、新能源汽车等新市场出现，硅（Si）基半导体的性能已无法完全满足需求，碳化硅（SiC）和氮化镓（GaN），即第三代半导体的优势被放大。
另外，制备技术进步使得碳化硅（SiC）和氮化镓（GaN）器件成本不断下降，碳化硅（SiC）和氮化镓（GaN）的性价比优势将充分显现，   第三代半导体未来核心增长点碳化硅（SiC）和氮化镓（GaN）有各自的优势领域。  一、碳化硅（SiC）常被用于功率器件，适用于600V下的高压场景，广泛应用于新能源汽车、充电桩、轨道交通、光伏、风电等电力电子领域。新能源汽车以及轨道交通两个领域复合增速较快，有望成为SiC市场快速增长的主要驱动力。预计到2023年，SiC功率器件的市场规模将超过15亿美元，年复合增长率为31%。  1、【新能源汽车】在新能源汽车领域，碳化硅（SiC）器件主要可以应用于功率控制单元、逆变器、车载充电器等方面。SiC功率器件轻量化、高效率、耐高温的特性有助于有效降低新能源汽车系统成本。   2018年特斯拉Model 3采用了意法半导体生产的SiC逆变器，是第一家在主逆变器中集成全SiC功率模块的车企。   以Model 3搭载的SiC功率器件为例，其轻量化的特性节省了电动汽车内部空间，高效率的特性有效降低了电动汽车电池成本，耐高温的特性降低了对冷却系统的要求，节约了冷却成本。   此外，近期新上市的比亚迪汉EV也搭载了比亚迪自主研发并制造的高性能SiC-MOSFET 控制模块。  2、【轨道交通】在轨道交通领域，SiC器件主要应用于轨交牵引变流器，能大幅提升牵引变流装置的效率，符合轨道交通绿色化、小型化、轻量化的发展趋势。   近日完成调试的苏州3号线0312号列车是国内首个基于SiC变流技术的牵引系统项目。采用完全的SiC半导体技术替代传统IGBT技术，在提高系统效率的同时降低了噪声，提升了乘客的舒适度。  二、氮化镓（GaN）侧重高频性能，广泛应用于基站、雷达、工业、消费电子领域：  1、【5G基站】GaN射频器件更能有效满足5G高功率、高通信频段的要求。5G基站以及快充两个领域复合增速较快，有望成为GaN市场快速增长的主要驱动力。基于GaN工艺的基站占比将由50%增至58%，带来大量GaN需求。 预计到2022年，氮化镓（GaN）器件的市场规模将超过25亿美元，年复合增长率为17%。  2、【快充】GaN具备导通电阻小、损耗低以及能源转换效率高等优点，由GaN制成的充电器还可以做到较小的体积。安卓端率先将GaN技术导入到快充领域，随着GaN生产成本迅速下降，GaN快充有望成为消费电子领域下一个杀手级应用。预计全球GaN功率半导体市场规模从2018年的873万美元增长到2024年的3.5亿美元，复合增长率达到85%。   2019年9月，OPPO发布国内首款GaN充电器SuperVOOC 2.0，充电功率为65W；2020年2月，小米推出65W GaN充电器，体积比小米笔记本充电器缩小48％，并且售价创下业内新低。   随着GaN技术逐步提升，规模效应会带动成本越来越低，未来GaN充电器的渗透率会不断提升。  

中国三代半导体材料中和全球的差距

一、中国在第一代半导体材料，以硅（Si）为代表和全球的差距最大。 1、生产设备：几乎所有的晶圆代工厂都会用到美国公司的设备，2019年全球前5名芯片设备生产商3家来自美国；而中国的北方华创、中微半导体、上海微电子等中国优秀的芯片公司只是在刻蚀设备、清洗设备、光刻机等部分细分领域实现突破，设备领域的国产化率还不到20%。  2、应用材料：美国已连续多年位列第一，我国的高端光刻胶几乎依赖进口，全球5大硅晶圆的供应商占据了高达92.8%的产能，美国、日本、韩国的公司具有垄断地位。  3、生产代工：2019年台积电市场占有率高达52%，韩国三星占了18%左右，中国最优秀的芯片制造公司中芯国际只占5%，且在制程上前面两个相差30年的差距。  二、中国第二代半导体材料代表的砷化镓（GaAs）已经有突破的迹象。 1、砷化镓晶圆环节：根据Strategy Analytics数据，2018年前四大砷化镓外延片厂商为IQE（英国）、全新光电（VPEC，台湾）、住友化学（Sumitomo Chemicals，日本）、英特磊（IntelliEPI，台湾），市场占有率分别为54%、25%、13%、6%。CR4高达98%。  2、在砷化镓晶圆制造环节（Foundry+IDM）：台湾系代工厂为主流，稳懋（台湾）一家独大，占据了砷化镓晶圆代工市场的 71%份额，其次为宏捷（台湾）与环宇（GCS，美国），分别为9%和8%。  3、从砷化镓产品来看（PA为主），全球竞争格局也是以欧美产商为主，最大Skyworks（思佳讯），市场占有率为30.7%，其次为Qorvo（科沃，RFMD和TriQuint合并而成），市场份额为28%，第三名为Avago（安华高，博通收购）。这三家都是美国企业。   在砷化镓三大产业链环节：晶圆、晶圆制造代工、核心元器件环节，目前都以欧美、日本和台湾厂商为主导。中国企业起步晚，在产业链中话语权不强。   不过从三个环节来看，已经有突破的迹象。如华为就是将手机射频关键部件PA通过自己研发然后转单给三安光电代工的。  4、中国在以氮化镓（GaN）和碳化硅（SiC）为代表第三代半导体材料方面有追赶和超车的良机。  由于第三代半导体材料及应用产业发明并实用于本世纪初年，各国的研究和水平相差不远，国内产业界和专家认为第三代半导体材料成了我们摆脱集成电路（芯片）被动局面，实现芯片技术追赶和超车的良机。就像汽车产业，中国就是利用发展新能源汽车的模式来拉近和美、欧、日系等汽车强国的距离的，并且在某些领域实现了弯道超车、换道超车的局面。三代半材料性能优异、未来应用广泛，如果从这方面赶超是存在机会的。  

中国三代半导体材料相关公司

责任编辑：xj

       原文标题：什么是第三代半导体？第三代半导体现状与机遇！附第三代半导体详解及名单

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