网摘 ：一文读懂 第三代半导体

半导体产业发展至今经历了三个阶段：
第一代半导体材料以硅为代表；
第二代半导体材料砷化镓也已经广泛应用；
而以氮化镓和碳化硅、氧化锌、氧化铝、金刚石等为代表的第三代半导体材料。
相较前两代产品性能优势显著，凭借其高效率、高密度、高可靠性等优势，在新能源 汽车、通信以及家用电器等领域发挥重要作用，成为业内关注的新焦点 。

一、产业概述
1.1 半导体硅（Si）材料的限制
上世纪五十年代以来，以硅（Si）材料为代表的第一代半导体材料引发了集成电路（IC）为核心的微电子领域迅速发展。然而，由于硅材料的带隙较窄、电子迁移率和击穿电场较低，Si 在光电子领域和高频高功率器件方面的应用受到诸多限制。

1.2 半导体材料性能对比
随着Si材料的瓶颈日益突出，以砷化镓（GaAs）为代表的第二代半导体材料开始崭露头角，使半导体材料的应用进入光电子领域，尤其是在红外激光器和高亮度的红光二极管等方面。第三代半导体材料的兴起，则是以氮化镓（GaN）材料p型掺杂的突破为起点，以高亮度蓝光发光二极管（LED）和蓝光激光器（LD）的研制成功为标志，包括GaN、碳化硅（SiC）和氧化锌（ZnO）等宽禁带材料。

1.3 三代半导体材料应用情况
第三代半导体（以SiC和GaN为主）又称宽禁带半导体，禁带宽度在2.2eV以上，具有高击穿电场、高饱和电子速度、高热导率、高电子密度、高迁移率等特点，逐步受到重视。SiC与GaN相比较，前者相对GaN发展更早一些，技术成熟度也更高一些；两者有一个很大的区别是热导率，这使得在高功率应用中，SiC占据统治地位；同时由于GaN具有更高的电子迁移率，因而能够比SiC或Si具有更高的开关速度，在高频率应用领域，GaN具备优势。

二、SIC产业概况
2.1 SiC产业概述
SiC生产过程分为SiC单晶生长、外延层生长及器件制造三大步骤，对应的是产业链衬底、外延、器件与模组三大环节。
其中SiC衬底通常用Lely法制造，国际主流产品正从4英寸向6英寸过渡，且已经开发出8英寸导电型衬底产品。
SiC外延通常用化学气相沉积（CVD）方法制造，根据不同的掺杂类型，分为n型、p型外延片。
SiC器件上，国际上600~1700VSiCSBD、MOSFET已经实现产业化，主流产品耐压水平在1200V以下，封装形式以TO封装为主。

2.2 SiC 产业格局
全球 SiC产业格局呈现美国、欧洲、日本三足鼎立态势。其中美国全球独大，全球SiC产量的70%~80%来自美国公司，典型公司是Cree、Ⅱ-Ⅵ；欧洲拥有完整的SiC衬底、外延、器件以及应用产业链，典型公司是英飞凌、意法半导体 等；日本是设备和模块开发方面的领先者，典型公司是罗姆半导体、三菱电机、富士电机等。

2.3 SiC功率器件市场空间
根据Yole的预测，2017~2023年，SiC功率器件市场将以每年31%的复合增长率增长，2023年将超过15亿美元；而SiC行业龙头Cree则更为乐观，其预计短期到2022年，SiC在电动车用市场空间将快速成长到24亿美元，是2017年车用SiC整体收入（700万美元）的342倍。

三、GaN产业概况
3.1 GaN 材料特性
GaN 材料与Si/SiC 相比有独特优势。GaN与SiC同属于第三代宽禁带半导体材料，相较于已经发展十多年的SiC，GaN功率器件是后进者，它拥有类似SiC性能优势的宽禁带材料，但拥有更大的成本控制潜力。与传统Si材料相比，基于GaN材料制备的功率器件拥有更高的功率密度输出，以及更高的能量转换效率，并可以使系统小型化、轻量化，有效降低电力电子装置的体积和重量，从而极大降低系统制作及生产成本。

3.2 GaN器件发展情况
基于GaN的LED自上世纪90年代开始大放异彩，目前已是LED的主流，自20世纪初以来，GaN功率器件已经逐步商业化。2010年，第一个GaN功率器件由IR投入市场，2014年以后，600V GaN HEMT已经成为GaN器件主流。2014年，行业首次在8英寸SiC上生长GaN器件。

3.3 GaN应用场景
GaN与SiC、Si材料各有其优势领域，但是也有重叠的地方。GaN材料电子饱和漂移速率最高，适合高频率应用场景，但是在高压高功率场景不如SiC；随着成本的下降，GaN有望在中低功率领域替代二极管、IGBT、MOSFET等硅基功率器件。以电压来分，0~300V是Si材料占据优势，600V以上是SiC占据优势，300V~600V之间则是GaN材料的优势领域。

3.4 GaN 产业链概述
GaN与SiC产业链类似，GaN器件产业链各环节依次为：GaN单晶衬底（或SiC、蓝宝石、Si）→GaN材料外延→器件设计→器件制造。目前产业以IDM企业为主，但是设计与制造环节已经开始出现分工，如传统硅晶圆代工厂台积电 开始提供GaN制程代工服务，国内的三安集成也有成熟的GaN制程代工服务。各环节相关企业来看，基本以欧美企业为主，中国企业已经有所涉足。

四、当前举全国之力发展半导体的背景及展望
当前，灯塔国在科技上对我国芯片 产业上的打压成本最低，威力最大，效果最明显。我国半导体创业也有二十余年，但只有设计上做出了些成绩，原因就在于芯片产业高投入、耗时长，直接在国外买更划算。当前国家大力发展第三代半导体既是无奈之举也是弯道超车的历史机遇。日本的半导体产业发展历史也有过国家出面引导扶持的先例，也符合当前国产替代和内循环的大方向。