智芯研報 | 新基建帶動下的第三代半導體產業發展機遇

第三代半導體聯合創新孵化中心

2021年7月5日 11:51

第三代半導體具有禁帶寬度更寬、電子漂移飽和速率更高、絕緣擊穿場強更高、熱導率更高等特點，適用于高溫、高頻、高壓、高功率器件，應用于通信基站、消費電子、智能電網、光伏逆變器、高鐵、新能源汽車、工業電機等多個領域。基于新一代信息技術應用與融合的新型基礎設施建設將極大帶動第三代半導體材料及器件應用和產業發展。

01引言

隨著 5G 技術的加速應用，特別是國家“新基建”政策的出臺，第三代半導體逐漸進入大眾視野，成為投資追捧的熱點領域。國家也計劃把第三代半導體產業寫入“十四五”規劃，在2021-2025年期間，舉全國之力，在教育、科研、開發、融資、應用等各個方面，大力支持發展第三代半導體產業，以期實現產業獨立自主，不再受制于人。

近年來，隨著材料、器件、工藝和應用方面的一系列技術創新和突破，第三代半導體材料正以其優良的性能突破傳統硅基材料瓶頸。第三代半導體擁有巨大的發展空間和良好的市場前景，催生著上萬億元的潛在市場，有望引領新一輪產業革命。

02 第三代半導體

半導體是指常溫下導電性能介于導體與絕緣體之間的材料。國際上一般把禁帶寬度（Eg）大于或等于 2.3 eV 的半導體材料稱之為寬禁帶半導體材料，也稱第三代半導體材料。常見的第三代半導體材料包括：碳化硅（SiC）、氮化（GaN）、金剛石、氧化鋅（ZnO）、氮化鋁（AlN）等。

第一代半導體材料指鍺（Ge）和硅（Si），50年代 Ge 在半導體中占主導地位，主要用于低電壓、低頻、中功率器件，由于耐高溫、抗輻射性能較差，60年代后期逐漸被Si取代。

Si在自然界儲量大，大尺寸晶圓制備技術、芯片制造工藝成熟，Si 基芯片產業遵循摩爾定律快速發展，應用于分立器件、集成電路，目前全球95%以上的半導體芯片和器件是用Si作為基礎材料生產的，目前商用晶圓尺寸已經拓展到12英寸（300mm）。

第二代半導體材料主要是指以砷化鎵（GaAs）、磷化銦（InP）為代表的Ⅲ-Ⅴ族化合物半導體材料，發展于20世紀80年代，具有載流子濃度低、光電特性好、耐熱、抗輻射等特性，主要用于制作高速、高頻、大功率以及發光電子器件，但由于資源稀缺、大尺寸制備困難、價格貴、有毒性、污染環境，應用受到一定局限。

以碳化硅（SiC）、氮化鎵（GaN）為代表的第三代半導體材料發展于 20 世紀 90 年代，具有耐高溫、耐高壓、高電流、高頻、低導通電阻等特點，廣泛應用于高電壓、高功率、高頻領域。第一代半導體屬于元素半導體，第二代和第三代半導體都屬于化合物半導體。

03 性能優勢及應用領域

相比第一、二代半導體，第三代半導體具有禁帶寬度更寬、電子漂移飽和速率更高、絕緣擊穿場強更高、熱導率更高等特點。其具體性能參數指標見表1。

與Si材料相比，SiC和GaN禁帶寬度約為Si的3倍，擊穿場強超過10倍，具有低導通損耗，適用于高壓高功率器件； SiC熱導率約為Si的3.3倍，具有良好的散熱特性，可以減少器件體積，適用于高溫器件； GaN 的電子漂移飽和速率為 Si 的 2.5倍，有利于簡化外圍組件降低成本，適用于高頻率器件。

因此，在應用領域，如圖所示，GaN的優勢在高頻領域，目前主要集中在1000V以下，例如通信基站、消費電子等； SiC的優勢在高溫和1200V以上的高壓電力領域，包括智能電網、光伏逆變器、高鐵、新能源汽車、工業電機等；在中低頻、中低功率領域，GaN 和 SiC 都可以應用，與傳統Si基器件進行競爭。

按器件功能分，如圖所示，第三代半導體主要應用在功率器件、微波射頻器件、光電子器件中。

功率器件（Power De‐vice）也稱電力電子器件，主要用于電氣工程、電力系統，根據負載要求處理電路中電力轉換，具有處理高電壓、大電流的能力，電壓處理范圍從幾十伏~幾千伏，電流能力最高可達幾千安，典型的功率處理功能包括變頻、變壓、變流、功率放大和功率管理。

射頻器件（Radio Frequency De‐vice）指頻率范圍在 300kHz～300GHz 之間，具有遠距離傳輸能力的器件，在無線通訊中扮演數字信號和電磁波信號轉換的角色，是無線通訊設備中的基礎性零部件，包括濾波器、功率放大器（PA）、雙工器、射頻開關、低噪放大器、天線等。

目前射頻器件市場主要有 GaAs、Si LDMOS、GaN三種工藝，GaAs器件功率較低，通常低于 50W； Si LDMOS 工作頻率存在極限，最高有效頻率在3GHz以下； GaN則彌補了 GaAs 和 Si LDMOS 的技術缺陷，同時擁有高頻性能和高功率處理能力。

光電子器件指利用光-電子（或電-光子）轉換效應制成的各種功能器件。

SiC主要用于功率器件，應用范圍覆蓋從低壓到高壓各領域； GaN主要用于射頻器件，同時用于功率器件。

在成本因素下，未來可取代相應Si基器件。芯片設計廠商來說，這可能將是一場災難。

04新基建帶動下發展機遇

當下，我國經濟發展最大的驅動力當屬“新基建”。 “新基建”主要是面向未來數字經濟時代，基于新一代信息技術應用與融合的新型基礎設施。

“新基建”包括三方面內容：

一是信息基礎設施，主要指基于5G、物聯網、人工智能、云計算、區塊鏈等新一代信息技術演化生成的基礎設施；

二是融合基礎設施 ，主要指深度應用互聯網、大數據、人工智能等技術，支撐傳統基礎設施轉型升級，進而形成的融合基礎設施；

三是創新基礎設施，主要指支撐科學研究、技術開發、產品研制的具有公益屬性的基礎設施。

涉及領域主要包括5G基站、大數據中心、人工智能、工業互聯網、特高壓、城際高速鐵路和城市軌道交通、新能源汽車充電樁等七大方向。

“新基建”各個產業建設都與半導體息息相關，特別是第三代半導體，由于其特殊性能是支持“新基建”的核心材料，其應用包括以下領域（見表2）。

▌ 4.1 5G 基站

5G 技術涵蓋毫米波頻率，基站帶寬要求達 1GHz，大規模 MIMO(Multi-Input Multi-Output)天線以 64T64R 陣列天線為主，功率放大器需求量從4G的12個增加到192個，基站密度和基站數量會大幅增加，射頻器件是基站設備中主要的能耗部件，大帶寬、高效率、小體積，輕質量、低成本的射頻功率器件需求日益迫切。

GaN以更高的功率密度實現小型化與系統集成，相同性能下，GaN射頻芯片是GaAs芯片面積的 1/10，是 Si LDMOS 面積的 1/7；與 SiGe 基 MIMO 天線相比，GaN 可以使功率損耗降低 40%，裸片面積減少 94%，成本降低80%。

▌ 4.2 新能源汽車充電樁

充電模塊是充電樁的重要組成部件，其成本占設備總成本的50%，對新能源電動汽車而言，提升充電速度和降低充電成本是行業發展的兩大目標。

SiC MOS‐FET 可以使電源電路中的磁性單元體積更小、重量更輕，電源整體效率更高，進而實現充電速度的提升和充電成本的降低。目前我國充電樁保有量達到 121.9 萬個，

車樁比約為3.4：1，與國家規劃的1：1目標相比仍有巨大市場空間，SiC器件在電動汽車充電樁領域平均滲透率約為10%。

在新能源汽車中，功率器件是電驅動系統的主要組成部分，對其效率、功率密度和可靠性起著主導作用。目前，新能源汽車電驅動部分主要由硅基功率器件組成。

隨著電動汽車的發展，對電驅動的小型化和輕量化提出了更高的要求。

2018年，特斯拉推出了第一款采用 SiC MOS‐FET主驅動控制器的電動汽車（Model3），每個逆變器包含 24 個 SiC MOSFET 模塊，車身比Model S減小了20%，開關損耗降低75％，逆變器效率提升5%～8%。

▌ 4.3 數據中心

服務器電源是服務器的能源庫，為服務器提供電能，保證服務器系統正常運行。

在服務器電源中使用SiC功率器件，可以提升服務器電源的功率密度和效率，整體上縮小數據中心的體積，實現數據中心整體建設成本的降低，同時實現更高的環保效率。

GaN 功率器件可用于從交流到直流的電源轉換，以及轉換負載的直流電源，整體效率相比Si器件可提高10%，功率密度增加25%以上。

▌ 4.4 特高壓

特高壓作為大型系統工程，將催生從原材料到元器件等一系列需求。功率器件是輸電端特高壓直流輸電中柔性輸電技術和變電端電力電子變壓器的關鍵器件。

直流斷路器作為柔性直流輸電的關鍵部分之一，其可靠性對整個輸電系統的穩定性有著較大影響。

由于直流斷路器整體電壓高，受限Si器件目前電壓等級，使用傳統Si基器件設計需要多級子單元串聯，使用高電壓SiC器件可以大大減少串聯子單元數量，在直流斷路器中具有廣闊的應用前景。

▌ 4.5 城際軌道交通

未來軌道交通對電力電子裝置如牽引變流器、電力電子電壓器等提出了更高的要求。

SiC功率器件可以大幅度提高功率密度和工作效率，進一步實現設備高效率化和小型化，明顯減輕軌道交通的載重系統，未來SiC混合模塊將首先開始替代部分 Si IGBT 模塊，隨著 SiC 器件容量的提升，將在軌道交通領域發揮更大的用。

05第三代半導體產業格局

第三代半導體產業鏈環節包括單晶襯底、外延片、器件設計、器件制造、封裝測試、整機終端。與 Si 材料不同，SiC 和GaN器件不能直接制作在單晶襯底上，必須在襯底上生長高質量外延材料，在外延層上制造各類器件。

SiC 功率器件用外延片主要生長在SiC單晶襯底上。

GaN器件根據其應用領域不同襯底材料主要包括藍寶石、GaN、Si、SiC，其中藍寶石襯底目前最大尺寸為6in（152mm），生產GaN外延片質量好，價格便宜，主要用于光電子器件中 LED 芯片，由于其與GaN晶格失配度較大，導電性、導熱性差，無法用于射頻器件； GaN單晶襯底目前量產最大尺寸為 2 in（50mm），外延片質量極好，但價格昂貴，目前主要用于光電子器件中激光器； Si單晶襯底是GaN功率器件最主要的襯底材料，外延片質量良好，最大應用尺寸為8 in（203mm），價格便宜，是消費電子電源芯片最主要選擇； SiC襯底目前國內量產尺寸為 4in～6in（101mm～152mm），SiC 襯底與 GaN 的失配小，生長的 GaN 外延片質量很好，同時 SiC 襯底熱導率高，散熱性能好，但價格貴，主要應用于5G基站射頻前段芯片、軍用雷達等領域。單晶襯底和外延片的材料制造能力、晶圓尺寸、性能參數決定了第三代半導體產業的發展水平及進程。

Si 單晶主要采用直拉法，72h 可生長出2m～3m左右的硅單晶棒，一根單晶棒一次能切下上千片硅片，8in（203mm）硅片價格約 300 元，12in（305mm）硅片價格約為850元左右，12in （305mm）是高端IC芯片主流尺寸。

SiC沒有液態，只有固態和氣態，升華溫度約2700℃，不能用拉硅單晶的方法制備。目前制備半導體級高純度SiC單晶，主要為Lely改良法，最快的SiC單晶生長方法，生長速度在每小時0.1mm～0.2mm左右，72h僅生長7.2mm～14.4mm。目前國產4in （101mm）SiC襯底售價在4000元～10000 元左右 6in（152mm）更是達到10000元～15000元的水平。

GaN 極其穩定，熔點約為 1700℃，具有高電離度，很難采用熔融的結晶技術制作GaN襯底。目前主要在藍寶石襯底上生長GaN厚膜，然后通過剝離技術實現襯底和厚膜分離，將分離后的GaN厚膜做為外延用襯底，主流尺寸為2in （50mm）。由于價格昂貴，限制了 GaN 厚膜襯底的應用[4]。

從全球第三代半導體產業格局來看，主要包括日本、美國、歐洲、中國。其中日本技術力量雄厚，產業鏈完整，在設備和模塊開發方面處于領先地位。

美國在SiC領域占據最大市場份額，同時擁有GaN完整產業鏈。歐洲擁有完整的SiC襯底、外延、設計及制造的完整產業鏈，擁有英飛凌、意法半導體等國際頂級制造商。

SiC 產業呈現美、日、韓三足鼎立局面，美國最大，前五大廠商占據90%市場份額，科銳、英飛凌、羅姆三家公司占據全球 70%～80% 的市場份額，全球 SiC 襯底幾乎由Cree一家主導，占據了全球近40%的市場份額。

商業模式方面以IDM模式為主流趨勢，強大的 IDM 能力是構建高壁壘和高毛利的關鍵，可以將各環節成本壓至最低。中國未來將是最大的 SiC 市場，國產替代需求強烈，目前國內已有天科合達、山東天岳、中電科 55 所、世紀金光、基本半導體、泰科天潤、瀚天天成、三安光電等，國內IGBT龍頭企業和傳統功率器件企業在積極布局 SiC產業。

GaN 產業，住友電工和科銳是全球GaN射頻器件領域的龍頭企業，市場占有率均超過 30%，其次為 Qorvo 和 MA‐COM。

蘇州納維科技，是國內唯一一家，國際上少有的幾家能批量生產 2in（50mm）GaN的企業；東莞中鎵，建成國內首家專業氮化鎵襯底生產線，可以制備出1100μm的自支撐GaN襯底；蘇州晶湛、聚能晶源均可以生產8in （203mm）硅基氮化鎵外延片；世紀金光，是涵蓋SiC、GaN單晶、外延、器件、模塊研發設計生產銷售一體的公司；潤微電子收購中航微電子，擁有8in （203mm）硅基氮化鎵生產線和國內首個600V/10A GaN器件產品；士蘭微，擁有6in （152mm）硅基氮化鎵功率器件生產線。

近年來，在國家政策的大力支持下，國內第三代半導體產線陸續投產，產能不斷增加。 2019 年，國內 SiC 襯底折合 4in（50mm）產能約為70萬片/a，SiC外延片折算 6in（152mm）產能約為 20 萬片/a；國內Si 基 GaN 外延片（不含LED）折算 6in（152mm）產能約為20萬片/a，Si基GaN器件（不含LED）折算6in （152mm）產能約為19 萬片/a，SiC 基 GaN 外延片折算 4in（50mm）產能約為 10 萬片/a，SiC 基 GaN器件折算4in （50mm）產能約為8萬片/a。

06 結語

未來，隨著“新基建”的帶動，我國第三代半導體產業將迎來廣闊發展機遇，產業發展關鍵在上游材料、設備研發，以及高端技術人才，通過降低襯底缺陷、提高良率，做到大尺寸、低成本，進而推動第三代半導體應用領域和Si基功率器件的替代空間。

| 來源：中國電子工程設計院有限公司，作者：程星華

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