前言：目前我國第三代半導體材料市場仍以日美歐廠商為主角，但近幾年我國已經(jīng)開始大力扶持第三代半導體產(chǎn)業(yè)。2016年國務院出臺了《“十三五”國家科技創(chuàng)新規(guī)劃》，明確提出以第三代半導體材料為核心，以搶占先進電子材料技術(shù)的制高點。
第三代半導體材料發(fā)展情況
第三代半導體材料主要是以碳化硅(SiC)、氮化鎵(GaN)、氧化鋅(ZnO)、金剛石、氮化鋁(AlN)為代表的寬禁帶半導體材料。
與第一、二代半導體材料相比，第三代半導體材料具有更寬的禁帶寬度、更高的擊穿電場、更高的熱導率、更高的電子飽和速率及更高的抗輻射能力，更適合于制作高溫、高頻、抗輻射及大功率器件，通常又被稱為寬禁帶半導體材料(禁帶寬度大于2.3eV)，亦被稱為高溫半導體材料。
從目前第三代半導體材料及器件的研究來看，較為成熟的第三代半導體材料是碳化硅和氮化鎵，而氧化鋅、金剛石、氮化鋁等第三代半導體材料的研究尚屬起步階段。碳化硅(SiC)和氮化鎵(GaN)，被行業(yè)稱為第三代半導體材料的雙雄。
由于第三代半導體材料及其制作的器件的優(yōu)越性、實用性和戰(zhàn)略性，許多發(fā)達國家將第三代半導體材料列入國家計劃，全面部署，竭力搶占戰(zhàn)略制高點。目前美歐日具備較為成熟的GaN半導體材料產(chǎn)業(yè)體系。
▼ 三代半導體材料性能對比
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國外20世紀80年代開始對GaN半導體材料進行研究，并已經(jīng)形成了比較完善的產(chǎn)業(yè)體系，而我國第三代半導體研究起步較晚，目前尚處于初步的產(chǎn)業(yè)格局階段。
我國第三代半導體材料產(chǎn)業(yè)化情況
目前，我國第三代半導體產(chǎn)業(yè)發(fā)展初步形成了京津冀、長三角、珠三角、閩三角、中西部等五大重點發(fā)展區(qū)域。從2015年下半年至2018年底，從已披露的第三代半導體項目投資總額來看，五大地區(qū)的投資額占比分別為長三角區(qū)域63%、中西部區(qū)域14%、京津冀6%、閩三角5%、珠三角區(qū)域2%。
長三角地區(qū)第三代半導體產(chǎn)業(yè)集聚能力凸顯，投資總額607億元，其中，2018年投資總額超過550億元(其中積塔半導體的359億元投資以SiC電力電子器件產(chǎn)線為主)。北京、深圳、廈門、泉州、蘇州等代表性城市在2018年深入部署、多樣并舉，有序推動第三代半導體產(chǎn)業(yè)發(fā)展。
目前國內(nèi)第三代半導體材料產(chǎn)業(yè)從數(shù)量上來看已具備一定規(guī)模，初步形成了一個較為完整的產(chǎn)業(yè)鏈。國內(nèi)第三代半導體材料的主要廠商及產(chǎn)業(yè)鏈格局情況如下：
● 襯底供應商～SiC襯底：山東天岳、河北同光、天科合達、江西晶能等；GaN襯底：蘇州納維、東莞中鎵等；
● 外延供應商～中蕊光電、鎵芯河北、英諾賽科、江蘇華功、大連芯冠、江蘇能華、蘇州晶港、蘇州能訊、中電55所、中電13所、海威華芯等；
● 器件、模組供應商～電力電子器件：江蘇能華、江蘇華功、英諾賽科、大連芯冠、中電55所；微波射頻器件：中電55所、中電13所、蘇州能訊、中芯光電；UV探測器：中芯光電、鎵芯光電；LED照明：華燦光電、深圳兆馳、聚燦光電、三安光電等；產(chǎn)業(yè)代工：臺積電、穩(wěn)惠、三安光電、海威華芯、方正微電子等。
我國第三代半導體材料市場及應用
2018年，在國內(nèi)市場和國際市場雙雙推動下，國內(nèi)第三代半導體產(chǎn)業(yè)繼續(xù)發(fā)力向前推進。據(jù)第三代半導體產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟統(tǒng)計，2018年我國第三代半導體整體產(chǎn)值約為7423億元(包括半導體照明)，較2017年同比增長近13%。其中電力電子產(chǎn)值規(guī)模近12.3億元，較上年增長23%以上；微波射頻產(chǎn)值規(guī)模36.7億元，較上年增長了20%；光電(主要為半導體照明)產(chǎn)值規(guī)模為7374億元，較上年增長近13%。
GaN射頻器件已成功應用于眾多領(lǐng)域，以無線基礎(chǔ)設(shè)施和國防應用為主，還包括衛(wèi)星通信、民用雷達和航空電子等領(lǐng)域。據(jù)Yole統(tǒng)計，2018年全球3W以上GaN射頻器件(不含手機PA)市場規(guī)模達到4.57億美元，在射頻器件市場(包括Si LDMOS、GaAs和GaN)的滲透率超過25%。預計到2023年市場規(guī)模將達到13.24億美元，年復合增長率超過23%。
國防是GaN射頻器件最主要的應用領(lǐng)域。由于對高性能的需求和對價格的不敏感，國防市場為GaN射頻器件提供了廣闊的發(fā)展空間。據(jù)Yole統(tǒng)計，2018年國防領(lǐng)域GaN射頻器件市場規(guī)模為2.01億美元，占GaN射頻器件市場的份額達到44%，超過基站成為最大的應用市場。GaN射頻器件在國防領(lǐng)域的市場規(guī)模將隨著滲透率的提高而繼續(xù)增長，預計到2023年，市場規(guī)模將達到4.54億美元，2018-2023年均復合增速為18%。
▼ 第三代半導體材料用途
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基站是GaN射頻器件第二大應用市場。據(jù)據(jù)Yole統(tǒng)計，2018年基站領(lǐng)域GaN射頻器件市場規(guī)模為1.5億美元，占GaN射頻器件市場33%的份額。隨著5G通信的實施，2019-2020年市場規(guī)模會出現(xiàn)明顯的增長。預計到2023年，基站領(lǐng)域GaN射頻器件的市場規(guī)模將達到5.21億美元，2018-2023年均復合增長率達到28%。
2019中國5G建設(shè)高速發(fā)展，基站端GaN放大器同比增長達71.4%；到2020年，基站端GaN放大器市場規(guī)模達32.7億元，同比增長340.8%；預計到2023年基站端GaN放大器市場規(guī)模達121.7億元。
據(jù)拓璞分析，GaN放大器需求數(shù)量2019-2013年保持快速增長，2023年達18117萬個。按照4寸GaN晶圓切400個計算，則需要GaN晶圓數(shù)量達45萬片。
▼ 中國5G基站GaN晶圓需求預測
(來源：拓璞)
第三代半導體材料產(chǎn)業(yè)化的挑戰(zhàn)
據(jù)CASA不完全統(tǒng)計，2018年國內(nèi)第三代半導體領(lǐng)域新增3條6英寸SiC產(chǎn)線(株洲中車時代、三安集成和國家電網(wǎng)能源互聯(lián)網(wǎng)研究院(中試線)的6寸線)。除上述3條線外，國內(nèi)泰科天潤和中電55所已有SiC產(chǎn)線，至此國內(nèi)目前至少已有5條SiC產(chǎn)線(包括中試線)。
2018年國內(nèi)第三代半導體投資擴產(chǎn)熱度不減。據(jù)CASA不完全統(tǒng)計，目前國內(nèi)第三代半導體相關(guān)領(lǐng)域共有8起大的投資擴產(chǎn)項目，總投資額至少達到639億元。其中有4項與氮化鎵(GaN)材料有關(guān)，包括外延片及芯片、電力電子及射頻器件等，投資擴產(chǎn)項目總額為220億元(與2017年的19億元相比，增加了近11倍)；碳化硅(SiC)材料相關(guān)的襯底、外延及芯片、封裝測試、電力電子器件等項目的投資擴產(chǎn)總共4項，已披露的總額約為60億元(與2017年的65億元基本持平)。其他以先進半導體集成電路為名義的投資1起，投資金額近359億元，其中涉及建設(shè)一條SiC電力電子器件生產(chǎn)線。(十一科技三代半導體發(fā)展中心整理數(shù)據(jù))
整體而言，我國在第三代半導體(電力電子和射頻領(lǐng)域)初步形成了從襯底到模組初步的產(chǎn)業(yè)鏈體系。
第三代半導體材料產(chǎn)業(yè)化的挑戰(zhàn)是材料品質(zhì)。SiC同質(zhì)外延和Si基GaN異質(zhì)外延方面，作為應用最廣泛的兩種第三代半導體材料，目前商業(yè)化的最大尺寸為6英寸，為進一步降低器件成本，業(yè)界已經(jīng)研發(fā)出8英寸產(chǎn)品。其中，8英寸Si基GaN外延片的研發(fā)尤為活躍，2017年以來，業(yè)內(nèi)企業(yè)已經(jīng)成功研發(fā)出8英寸Si基GaN外延片，并在8英寸晶圓上成功開發(fā)出GaN電力電子器件。
▼ 2018年8英寸Si基GaN外延片及器件研發(fā)進展
（來源：CASA整理）
結(jié)語
從第三代半導體材料的技術(shù)趨勢來看，大尺寸和高質(zhì)量SiC生長技術(shù)是未來發(fā)展的趨勢，同質(zhì)外延依然是GaN器件的技術(shù)改進方向，所以高質(zhì)量GaN襯底的研發(fā)還將繼續(xù)。
從價格及成本趨勢來看，未來6英寸SiC襯底預計將降至5000元/片以下，GaN襯底價格有望降至500美元/片左右，并且隨著襯底和外延片尺寸的增加和生產(chǎn)規(guī)模的擴大，襯底和外延片的成本將有所下降。
目前全球70-80%的第三代半導體材料SiC產(chǎn)量來自美國。在中美貿(mào)易摩擦持續(xù)發(fā)酵背景下，第三代半導體材料國產(chǎn)化替代進程有望持續(xù)加速，第三代半導體材料應用前景光明。
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