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、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。

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)明并實用于20世紀50年代，以硅（Si）、鍺（Ge）為代表，特別是Si，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Si的功勞。 第二代半導(dǎo)體材料，發(fā)明并實用于20世紀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GaAs在射頻功放器件中扮演重要角色，InP在光通信器件中應(yīng)用廣泛…… 而第三代半導(dǎo)體，發(fā)明并實用于本世紀初年，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、更強的電壓與更快的開關(guān)頻率下運行。 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)體材料已被認為是當(dāng)今電子產(chǎn)業(yè)發(fā)展的新動力。 碳化硅（SiC）（第三代）具有高臨界磁場、高電子飽和速度與極高熱導(dǎo)率等特點，使得其器件適用于高頻高溫的應(yīng)用場景，相較于硅器件（第一代），可以顯著降低開關(guān)損耗。因此，SiC可以制造高耐壓、大功率電力電子器件如MOSFET、IGBT、SBD等，用于智能電網(wǎng)、新能源汽車等行業(yè)。與硅元器件（第一代）相比，氮化鎵（GaN）（第三代）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(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（Si）基半導(dǎo)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(dǎo)體屬于后摩爾定律概念，制程和設(shè)備要求相對不高，難點在于第三代半導(dǎo)體材料的制備，同時在設(shè)計上要有優(yōu)勢。

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，多年來第三代半導(dǎo)體材料只是在小范圍內(nèi)應(yīng)用，無法挑戰(zhàn)Si基半導(dǎo)體的統(tǒng)治地位。 目前碳化硅（SiC）襯底技術(shù)相對簡單，國內(nèi)已實現(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，并開發(fā)出6英寸樣品。

第三代半導(dǎo)體的機遇

在5G和新能源汽車等新市場需求的驅(qū)動下，第三代半導(dǎo)體材料有望迎來加速發(fā)展。 隨著5G、新能源汽車等新市場出現(xiàn)，硅（Si）基半導(dǎo)體的性能已無法完全滿足需求，碳化硅（SiC）和氮化鎵（GaN），即第三代半導(dǎo)體的優(yōu)勢被放大。
另外，制備技術(shù)進步使得碳化硅（SiC）和氮化鎵（GaN）器件成本不斷下降，碳化硅（SiC）和氮化鎵（GaN）的性價比優(yōu)勢將充分顯現(xiàn)， 第三代半導(dǎo)體未來核心增長點碳化硅（SiC）和氮化鎵（GaN）有各自的優(yōu)勢領(lǐng)域。 一、碳化硅（SiC）常被用于功率器件，適用于600V下的高壓場景，廣泛應(yīng)用于新能源汽車、充電樁、軌道交通、光伏、風(fēng)電等電力電子領(lǐng)域。新能源汽車以及軌道交通兩個領(lǐng)域復(fù)合增速較快，有望成為SiC市場快速增長的主要驅(qū)動力。預(yù)計到2023年，SiC功率器件的市場規(guī)模將超過15億美元，年復(fù)合增長率為31%。 1、【新能源汽車】在新能源汽車領(lǐng)域，碳化硅（SiC）器件主要可以應(yīng)用于功率控制單元、逆變器、車載充電器等方面。SiC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系統(tǒng)成本。 2018年特斯拉Model 3采用了意法半導(dǎo)體生產(chǎn)的SiC逆變器，是第一家在主逆變器中集成全SiC功率模塊的車企。 以Model 3搭載的SiC功率器件為例，其輕量化的特性節(jié)省了電動汽車內(nèi)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(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，SiC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。 近日完成調(diào)試的蘇州3號線0312號列車是國內(nèi)首個基于SiC變流技術(shù)的牽引系統(tǒng)項目。采用完全的SiC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、工業(yè)、消費電子領(lǐng)域： 1、【5G基站】GaN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(lǐng)域復(fù)合增速較快，有望成為GaN市場快速增長的主要驅(qū)動力?；贕aN工藝的基站占比將由50%增至58%，帶來大量GaN需求。 預(yù)計到2022年，氮化鎵（GaN）器件的市場規(guī)模將超過25億美元，年復(fù)合增長率為17%。 2、【快充】GaN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，由GaN制成的充電器還可以做到較小的體積。安卓端率先將GaN技術(shù)導(dǎo)入到快充領(lǐng)域，隨著GaN生產(chǎn)成本迅速下降，GaN快充有望成為消費電子領(lǐng)域下一個殺手級應(yīng)用。預(yù)計全球GaN功率半導(dǎo)體市場規(guī)模從2018年的873萬美元增長到2024年的3.5億美元，復(fù)合增長率達到85%。 2019年9月，OPPO發(fā)布國內(nèi)首款GaN充電器SuperVOOC 2.0，充電功率為65W；2020年2月，小米推出65W GaN充電器，體積比小米筆記本充電器縮小48％，并且售價創(chuàng)下業(yè)內(nèi)新低。 隨著GaN技術(shù)逐步提升，規(guī)模效應(yīng)會帶動成本越來越低，未來GaN充電器的滲透率會不斷提升。

中國三代半導(dǎo)體材料中和全球的差距

一、中國在第一代半導(dǎo)體材料，以硅（Si）為代表和全球的差距最大。1、生產(chǎn)設(shè)備：幾乎所有的晶圓代工廠都會用到美國公司的設(shè)備，2019年全球前5名芯片設(shè)備生產(chǎn)商3家來自美國；而中國的北方華創(chuàng)、中微半導(dǎo)體、上海微電子等中國優(yōu)秀的芯片公司只是在刻蝕設(shè)備、清洗設(shè)備、光刻機等部分細分領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)突破，設(shè)備領(lǐng)域的國產(chǎn)化率還不到20%。 2、應(yīng)用材料：美國已連續(xù)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(yīng)商占據(jù)了高達92.8%的產(chǎn)能，美國、日本、韓國的公司具有壟斷地位。 3、生產(chǎn)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(yōu)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、中國第二代半導(dǎo)體材料代表的砷化鎵（GaAs）已經(jīng)有突破的跡象。1、砷化鎵晶圓環(huán)節(jié)：根據(jù)Strategy Analytics數(shù)據(jù)，2018年前四大砷化鎵外延片廠商為IQE（英國）、全新光電（VPEC，臺灣）、住友化學(xué)（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、在砷化鎵晶圓制造環(huán)節(jié)（Foundry+IDM）：臺灣系代工廠為主流，穩(wěn)懋（臺灣）一家獨大，占據(jù)了砷化鎵晶圓代工市場的 71%份額，其次為宏捷（臺灣）與環(huán)宇（GCS，美國），分別為9%和8%。 3、從砷化鎵產(chǎn)品來看（PA為主），全球競爭格局也是以歐美產(chǎn)商為主，最大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(yè)。 在砷化鎵三大產(chǎn)業(yè)鏈環(huán)節(jié)：晶圓、晶圓制造代工、核心元器件環(huán)節(jié)，目前都以歐美、日本和臺灣廠商為主導(dǎo)。中國企業(yè)起步晚，在產(chǎn)業(yè)鏈中話語權(quán)不強。 不過從三個環(huán)節(jié)來看，已經(jīng)有突破的跡象。如華為就是將手機射頻關(guān)鍵部件PA通過自己研發(fā)然后轉(zhuǎn)單給三安光電代工的。 4、中國在以氮化鎵（GaN）和碳化硅（SiC）為代表第三代半導(dǎo)體材料方面有追趕和超車的良機。 由于第三代半導(dǎo)體材料及應(yīng)用產(chǎn)業(yè)發(fā)明并實用于本世紀初年，各國的研究和水平相差不遠，國內(nèi)產(chǎn)業(yè)界和專家認為第三代半導(dǎo)體材料成了我們擺脫集成電路（芯片）被動局面，實現(xiàn)芯片技術(shù)追趕和超車的良機。就像汽車產(chǎn)業(yè)，中國就是利用發(fā)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(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)了彎道超車、換道超車的局面。三代半材料性能優(yōu)異、未來應(yīng)用廣泛，如果從這方面趕超是存在機會的。

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責(zé)任編輯：xj

原文標題：什么是第三代半導(dǎo)體？第三代半導(dǎo)體現(xiàn)狀與機遇！附第三代半導(dǎo)體詳解及名單

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