半導體材料

2022年正值中國產業升級與“雙碳”政策推進的關鍵階段，半導體和新能源行業再度成為關注的焦點。隨著第四次工業革命到來，大量新技術需要依靠芯片來實現，但在過去的幾十年間，中國的半導體材料過度依賴進口，無法自給自足的半導體產業限制了中國信息技術產業的發展。先進半導體材料作為信息技術產業的基石，在國際局勢愈加動蕩的背景下，其供需矛盾日益凸顯，在諸多關鍵新材料中的地位也逐漸突出。

先進半導體材料

第三代半導體材料“超越摩爾定律”，成為半導體產業新的發展重心

一、第三代半導體材料戰略性、先導性地位凸顯

第三代半導體材料，指帶隙寬度明顯大于Si（1.1eV）和GaAs（1.4eV）的寬禁帶 半導體材料，主要包括Ⅲ族氮化物（如GaN、AlN等）、碳化硅（SiC）、氧化物半導體（如ZnO、Ga?O?等）和金剛石等寬禁帶半導體。當前具備產業化條件的以SiC和GaN為主，AlN、ZnO、Ga?O?、金剛石等寬禁帶半導體大多處于實驗室研究階段，產業化尚需時日。

第三代半導體材料性能更加優異。 相對于Si、GaAs和InP，第三代半導體材料具 有高擊穿電場強度、高熱導率、高電子飽和率、高漂移速率以及高抗輻射能力等優越性能，這些優勢有望大幅降低裝置的損耗和體積/重量，因而第三代半導體材料在高功率、高頻率、高電壓、高溫度、高光效等領域具有難以比擬的優勢和廣闊的應用前景。

表1.傳統半導體材料與第三代半導體材料電學參數比較（來源：DeepTech）

第三代半導體材料成為半導體產業新的關注點。 首先，傳統半導體材料遵循摩爾定 律演進趨勢，隨著制程微縮的難度和成本指數級上升，摩爾定律腳步放緩，以新材料、新結構和新工藝為特征的“超摩爾定律”成為產業發展的新方向。其次，能源危機和環保壓力日益凸顯，第三代半導體材料在功率電子、光電子和微波射頻領域 具有Si器件所不具備的優異性能，以SiC和GaN為代表的第三代半導體成為產業轉 型升級驅動因素。第三，半導體產業是國家核心競爭力，建立自主可控集成電路產業體系是國家重要的發展戰略。在第一代半導體集成電路競賽中，中國大幅落后于國際先進水平，但是在第三代半導體集成電路領域中國與國際先進水平的差距相對較小，有可能實現“彎道超車”。

第三代半導體材料是支撐制造業產業升級的重要保證。 第三代半導體材料適用于中高壓電力電子轉換、毫米波射頻和高效半導體光電子應用?？梢詰糜诠夥L能、 4G/5G移動通信、高速鐵路、電動汽車、智能電網、大數據/云計算中心、半導體照明等各個領域。如4G/5G通信基站和終端使用的GaN微波射頻器件和模塊、高速鐵路使用的SiC基牽引傳動系統、光伏電站、風能電場和電動汽車使用的GaN或SiC電能逆變器或轉換器、智能電網使用的SiC大功率開關器件、工業控制使用的GaN或SiC基電機馬達變頻驅動器，大數據/云計算中心使用的GaN或SiC 基高效供電電源，半導體照明中使用的GaN基高亮度LED等。

圖1.第三代半導體材料主要應用領域（來源：DeepTech）

二、關鍵技術取得突破，與全球先進水平差距縮小

通過國家和地方的大力支持，中國第三代半導體材料發展迅速，形成了比較完整的 技術鏈，部分關鍵技術指標達到國際先進水平。

圖2.第三代半導體材料主要技術環節（來源：DeepTech）

在SiC襯底及外延方面： 中國已經實現4英寸SiC襯底的量產，開發出6-8英寸 SiC單晶樣品，襯底質量與國際水平尚存在一定差距。在SiC外延方面，中國實現了4-6英寸SiC外延片的量產，可以滿足3.3kV及以下功率器件制備需求，而超高壓（＞10kV）SiC功率器件所需的N型SiC外延片以及雙極型SiC功率器件所需的P型SiC外延片等方面還處于研究階段。

在GaN襯底及外延方面： 中國形成了具有自主知識產權的氫化物氣相外延（HVPE） 技術，實現了2英寸自支撐GaN襯底量產和4英寸小批量出貨，實現6英寸GaN單晶襯底研發，晶體質量達到了國際先進水平。在GaN外延方面，根據襯底的不同主要分為GaN-on-sapphire、GaN-on-Si、GaN-on-SiC、GaN-on-GaN 四種。GaN-on-sapphire主要應用在LED市場，主流尺寸為4英寸；GaN-on-Si主要應用于電力電子和光電子市場，實現批量生產6-8英寸Si上 GaN外延片，克服了大尺寸Si襯底上GaN外延材料的開裂和翹曲等關鍵技術問題，部分技術處于國際先進水平；GaN-on-SiC主要應用在微波射頻市場，中國已成功生長出高質量的4英寸SiC襯底上GaN HEMT器件外延片；GaN-on-GaN主要應用市場是藍/綠光激光器，中國還未實現產業化。

在電力電子器件方面： 中國多家企業和科研機構已經掌握了SiC SBD和JFET的量 產技術，實現650V-1700V的SiC SBD產品大規模出貨以及3300V SiC SBD產品樣品。研制出650V-1700V的SiC MOSFET產品，尚不具備產業化能力。GaN電力電子器件方面，已經實現了650V及以下Si上GaN電力電子器件的產業化應用，但主要以分立器件為主，系統集成度和導通電阻等關鍵指標與國際先進水平有差距；已經研發出面向新能源汽車應用的1200V Si上GaN器件，尚未取得應用突破。

在微波射頻器件方面： GaN微波射頻器件主要包括SiC基GaN、Si基GaN和金剛 石基GaN的功率放大器。對于SiC基GaN工藝，主要應用場景是軍事和國防領域的雷達、衛星通信，對輸出功率要求比較高，中國已經研制出覆蓋C波段和Kα波段多款軍用GaN HEMT及MMIC；在民用方面，中國推出了用于無線通信基站的GaN微波功率管，但在可靠性、工藝技術方面還存在較大差距。對于Si基GaN器件來說，主要應用場景是規模巨大的5G通信系統，輸出功率要求不高，對低成本、高性價比的要求相對比較高，中國已經推出了相關產品，但還未大規模應用。對于金剛石基GaN 射頻器件來說，主要應用場景是軍事和國防用雷達、衛星通信，對輸出功率要求比較高，目前處于實驗室研發階段。

在光電子器件方面：L ED技術與國際差距較小，部分技術國際領先。目前中國在藍寶石襯底上制備的功率型白光LED產業化光效超過160Im/W，在Si襯底上制備的 LED產業化光效超過150Im/W，處于國際領先水平。在高端照明如汽車照明，核 心專利技術由美國、德國、日本掌握。在新型顯示方面，Micro-LED作為下一代顯 示技術的重要技術路線，中國從關鍵裝備到芯片、封裝、驅動、應用系統，國內企業也進行了全面布局。

三、區域發展各具特色，產業集群正在形成

中國半導體照明產業已經有20多年的發展歷程，政府高度重視技術創新和產業發 展，產業布局相對完善，已經成為全球最重要的半導體照明產品生產國。中國第三

代半導體電力電子、射頻及光電子產業發展時間相對較短，從中央到地方密集出臺 政策措施扶持產業發展，第三代半導體產業集聚態勢正在形成。

國家層面， 2015年國務院印發了《中國制造2025》國家戰略，提出了發展第三代 半導體材料的任務和要求；隨后，國家各部委相繼出臺了《“十三五”國家科技創新規劃》、《“十三五”國家戰略性新興產業發展規劃》等多項重要規劃，均布局了第三代半導體相關內容。面向“十四五”，第三代半導體材料相關內容已經寫進“十四五”國家發展規劃。

地方層面， 北京、深圳、廣東、福建、江蘇、浙江、湖南等省市政府先后出臺相關 政策（不包括 LED），第三代半導體技術和產業發展均被納入地方“十三五”和“十四五”相關領域規劃內容。各地區依托當地優勢研究機構和企業，通過推進技術成果轉化、資本投資等多種形式，推動第三代半導體產業發展。

表2.中國第三代半導體材料相關政策（來源：各部委網站、DeepTech）

中國半導體照明產業發展相對成熟，形成了環渤海、長三角、珠三角、閩三角以及中西部五大產業集聚區。 從產業基地建設情況來看， 中國形成了13個國家級半導 體照明產業基地。2004年，上海、廈門、大連、南昌、深圳、揚州和石家莊7個地區獲批建立國家級半導體照明產業化基地，加快了中國半導體照明產業的空間集聚，推動了半導體照明產業快速發展。隨著半導體照明產業的發展，越來越多的城市將半導體照明產業列為當地重點布局的戰略性產業，著力建設半導體照明相關產 業基地和園區，2009年，科技部認定天津、杭州、武漢、東莞、西安和寧波6個 地區建立國家級半導體照明產業化基地。依托國家級產業基地，各地建成了數百個 半導體照明產業園區，半導體照明產業在中國全面開花，推動中國成為全球最大的 半導體照明產品生產和出口地。

圖3.中國國家級半導體照明產業基地分布情況（來源：DeepTech）

中國第三代半導體電力電子、微波射頻及光電子產業正在加速形成各具特色的產業集群。 中國在SiC、GaN材料及器件方面的發展起步較晚，與全球水平仍有較大差距，目前正在積極布局中。2017年，中國第三代半導體產業全面啟動，中央和地 方出臺相關政策加大對第三代半導體材料及產業化應用扶持力度。從政策分布來看，廣東省、江蘇省、上海市、北京市、福建省、湖南省相對集中，未來將圍繞這些區域形成第三代半導體產業集群。北京市和廣東省相繼建立北京第三代半導體材料及應用聯合創新基地和第三代半導體南方基地，著力發展第三代半導體全產業鏈，未來將形成全球重要的第三代半導體產業集群；經過幾年的發展，中國第三代半導體主要企業由中試進入大規模量產階段，新建產能主要集中在上海、深圳、湖南、山西等地區，在這些地區依托龍頭企業及當地產業基礎將形成產業集群。浙江、河北、山東、安徽、四川等地已經集聚了相對完整的第三代半導體產業鏈，具備建設產業集群條件。

圖4.中國第三代半導體產業分布情況（來源：DeepTech）

第三代半導體典型園區：

1）北京第三代半導體材料及應用聯合創新基地 ： 北京第三代半導體材料及應用聯合創新基地產業集聚初見雛形。初步完成SiC全鏈條核心技術突破和產業鏈布局，天科合達、世紀金光實現了4英寸以上SiC襯底材料批量生產，泰科天潤、世紀金光在國內率先實現SiC二極管批量生產，形成了從材料、器件、封裝到應用的產業鏈條。GaN射頻方面引入中國電子科技集團有限公司第13研究所，規劃在基地投資50億元發展民品微波射頻產業。

圖5.北京市第三代半導體產業鏈（來源：DeepTech）

2）江蘇省蘇州市工業園區： 蘇州工業園區已形成以GaN材料及其應用為優勢的第三代半導體產業集聚區。在GaN材料、中游器件及終端應用產品方面形成一定規模，依托中國科學院蘇州納米技術與納米仿生研究所，集聚了如納維科技、蘇州晶湛、蘇州能訊等一批行業領軍企業。目前，蘇州工業園第三代半導體相關企業共9家，涵蓋襯底、外延、器件等環節。

圖6.蘇州工業園區第三代半導體產業鏈（來源：DeepTech）

第三代半導體材料典型企業：

1）山東天岳： 山東天岳是中國SiC半絕緣襯底龍頭企業，也是第三代半導體材料領域第一家上市企業。截至2021年底，山東天岳SiC襯底產能約為50000片/年，襯底尺寸主要為4英寸。山東天岳在半絕緣型SiC襯底領域國內市場占有率第一，主要客戶為中電科13所和55所。2020年，公司招股說明書上表示公司市場占有率較上年增12個百分點，位列世界前三，大大縮小了與國外競爭對手的差距。山東天岳總部位于山東濟南，產業化基地位于上海臨港新片區，于2020年底開始建設，總投資25億元。

2）天科合達： 天科合達 公司是中國SiC導電型襯底龍頭企業，公司實現2英寸至6英寸SiC晶片產品的規?；?，2020年啟動8英寸晶片產品研發。截至2021年底，公司SiC襯底折合4英寸產能約為50000片/年。天科合達總部位于北京市大興區，在北京和江蘇徐州有產業化基地，2021年在深圳投資22億元建設6英寸SiC襯底及外延生產線。

3）納維科技： 蘇州納維科技有限公司是中國首家GaN襯底晶片供應商，GaN襯底尺寸以2英寸為主，4英寸至6英寸已經小批量出貨，技術水平全球領先。納維科技2英寸GaN襯底產量接近10000片/年，客戶主要為全球研發型機構，面向激光器、LED、電子器件、探測器和太赫茲等應用。

四、創新生態生機勃勃，助力打造核心競爭力

中國建立了較為完善的第三代半導體技術創新體系。 與全球同步，中國科研院所和 大學也相繼開展了第三代半導體材料的研究，主要包括中科院物理所、山東大學、 中科院硅酸鹽所、中科院半導體所以及中國電子科技集團第46研究所等單位，這些 科研單位的超前研究成果構建了中國第三代半導體產業技術基礎。隨著全球第三代半導體產業化水平的持續推進，中國越來越多的科研單位在細分領域和主要環節進行科學研究，如清華大學、北京大學、浙江大學、西安電子科技大學、復旦大學等單位，這些單位完善了中國第三代半導體研究體系。為建設以企業為主體、市場為導向、產學研用深度融合的技術創新體系，全面提升中國第三代半導體領域的自主創新能力，支撐第三代半導體產業集群式發展，深圳、蘇州、南京、山西、湖南、北京等國家級第三代半導體技術創新中心相繼成立，中國第三代半導體技術研發格局基本形成。

圖7.中國第三代半導體產業研究機構分布圖（來源：DeepTech）

中國第三代半導體技術創新機構形成以北京、江蘇和廣東三地為核心全國多點分布 的格局。 北京市研發力量全國最強，不僅有頂級的科研單位代表，如中科院半導體 所、中科院物理所、清華大學、北京大學、國網研究院等，主要企業如天科合達、中科鋼研、泰科天潤、世紀金光等也匯聚于此。江蘇省和廣東省緊隨其后，形成了以大學、科研院所、國家級技術創新中心、省市級技術創新平臺、企業研發中心為代表的完善的研發體系。上海市、山東省、山西省、湖南省、江西省、福建省、安徽省、浙江省等地區依托大學、大院、大所以及龍頭企業正在建設符合區域發展的研究隊伍。

中國第三代半導體技術創新人才形成以院士為引領，杰青、長江學者、國家高層次 人才計劃、青年學者等多層次人才梯隊結構。 鄭有炓、甘子釗、王立軍、江風益、 郝躍、劉明等院士專家構成了中國第三代半導體領域第一人才梯隊，在前沿領域進行探索研究，為中國第三代半導體技術指明了方向。以徐現剛、陳小龍、張榮、王新強、龍世兵等杰青和長江學者為代表的專家，以及張清純、嚴群、張波等國家計劃重點人才形成了中國第三代半導體領域第二人才梯隊，在學科建設、技術引領、人才培養方面發揮重要作用。廣大的青年專家、學者、企業技術負責人等構成了中國第三代半導體領域第三人才梯隊，在技術研究、工程研發、產業化推進等方面貢獻力量。另外，依托早期半導體照明產業的發展，中國在第三代半導體領域初步積累了人才基礎，三安光電、國星光電、乾照光電等半導體照明龍頭企業都為第三代半導體領域的重要參與者。

典型研究機構：

1）電子科技大學 ： 電子科技大學國家示范性微電子學院依托現有的電子科學與工程學院，擁有電子薄膜與集成器件國家重點實驗室、電子科技大學功率集成技術實驗室、國家電磁輻射控制材料工程技術研究中心、極高頻復雜系統國防重點學科實驗室、微波電真空器件國防科技重點實驗室、國家集成電路人才培養基地、國家集成電路設計成都產業化基地研發培訓中心、3個國家級實驗教學示范中心、10個省部級重點實驗室及工程中心等實驗平臺。

學院開展了SiC JBS、SiC PiN和SiC功率MOSFET（平面和槽柵）研究。 650V/1200V（10A/20A）SiC JBS二極管已獲批量應用；1200V/25A、1700V/15A SiC MOSFET以及4.5kV/6.5kV/10kV（50A/100A）SiC PiN二極管已經流片成功，可以進行產業化推廣；實現10kV SiC MOSFET晶體管以及 10kV SiC JBS二極管樣品開發工作。自研650V GaN HEMT器件，導通電阻 70mΩ，電流40A，達到國際商用器件Navitas NV6128芯片技術水平；自研100V GaN HEMT器件，導通電阻21mΩ，電流45A ，與國際商用器件EPC 2051器件性能相當。

2）松山湖材料實驗室 ： 松山湖材料實驗室第三代半導體材料與器件團隊涵蓋了從上游薄膜材料外延、中游芯片設計制備、到下游器件模組封裝等全部產業鏈研究布局。構建外延片生長及表征系統、紫外LED芯片制備系統、AlN陶瓷基板及封裝應用系統與應用級產品測試開發系統等四大板塊。2020年松山湖材料實驗室成功建設了一條SiC外延工藝研發產線。

表3.中國第三代半導體產業研究機構分布圖（來源：DeepTech）

五、中國第三代半導體材料未來展望

第三代半導體材料和技術正在加速發展，在新一代顯示、5G移動通信、相控陣雷 達、高效智能電網、新能源汽車、自動駕駛、工業電源、消費類電子產品等領域展示出廣闊的、不可替代的應用前景，并逐漸成為人工智能、未來智聯網等發展的核心關鍵元器件的材料基礎。預計將形成萬億美元的應用市場，成為新一代制造業必爭的戰略要地，成為全球各國提升未來核心競爭力的重要手段和重要支撐。

1）更大尺寸晶圓將成為主流，材料質量與器件性能不斷提升

生產成本成為推動大尺寸晶圓的主要推動力，較大的晶圓直徑能提升單晶利用率降低晶圓制造成本，且全球先進水平已經突破大尺寸晶圓生長技術，如wolfspeed 即將實現8英寸SiC晶圓量產，而國內主流尺寸為4英寸，加速實現6英寸SiC襯底和外延材料的產業化轉移成為中國企業的必然選擇。不斷開發新工藝和新技術，降低材料的缺陷密度、提高產品良率和降低成本，加速突破襯底材料、外延、芯片和封裝測試瓶頸將成為整個行業未來發展的主旋律。

2）產業集群發展態勢將逐漸形成，企業兼并重組整合加速

中國第三代半導體工程化技術已經取得突破，有能力的企業進行產業化布局，支持 政策完善、配套資源齊全、產業生態較好的區域將吸引企業落戶，形成產業聚集， 未來中國將圍繞這些區域形成多個產業集聚區。另外，企業間的兼并重組也將加劇， 全球主要企業如Ⅱ-Ⅵ、wolfspeed等已經開啟整合模式，中國優勢企業為了擴大影響力也將通過兼并重組向上下游延伸；傳統半導體企業為了尋求新的利潤增長點以及布局新技術的需要，也將并購具備硬實力的初創公司；下游應用企業從自身供應鏈安全考慮，也將向上游延伸產業鏈。

3）第三代半導體滲透將加快，新的應用藍海將逐漸開啟

第三代半導體材料在新能源汽車、PV光伏、消費類電子產品、軌道交通、半導體照 明、5G射頻等方面應用優勢明顯，隨著第三代半導體量產技術突破、成本進一步降低，滲透率將逐步提高。電力電子器件在新能源汽車上的應用、光電子器件在Mini/Micro-LED等新一代顯示產業及UV-LED方面的應用將成為未來5年新的風口。

4）新的材料體系將逐漸成熟

Ga?O?、AlN和金剛石等超寬禁帶半導體材料具有更高擊穿電壓、更低導通電阻、更高頻率、更大功率的特點，是支撐未來軌道交通、新能源汽車、能源互聯網等產業創新發展和轉型升級的重點核心材料。國外近幾年對超寬禁帶半導體愈發重視，布局和投入顯著增加，中國也有越來越多的科技人員關注和開展對超寬禁帶半導體的研究，前景為業界看好，未來幾年會逐步推出相關產品。（文章來源：DeepTech）

文章來源：前沿材料

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