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第三代半导体详解及名单

宣布日期：

2020-09-10

浏览次数：

271

什么是第三代半导体？

? ? 第三代半导体是以碳化硅SiC、氮化镓GaN为主的宽禁带半导体质料，具有高击穿电场、高饱和电子速率、高热导率、高电子密度、高迁徙率、可遭受大功率等特点。

一、二、三代半导体什么区别？

一、质料：

? ? 第一代半导体质料，发明并适用于20世纪50年月，以硅（Si）、锗（Ge）为代表，特殊是Si，组成了一切逻辑器件的基础。我们的CPU、GPU的算力，都离不开Si的收获。

? ? 第二代半导体质料，发明并适用于20世纪80年月，主要是指化合物半导体质料，以砷化镓（GaAs）、磷化铟（InP）为代表。其中GaAs在射频功放器件中饰演主要角色，InP在光通讯器件中应用普遍……

? ? 而第三代半导体，发明并适用于本世纪初年，涌现出了碳化硅（SiC）、氮化镓（GaN）、氧化锌（ZnO）、金刚石（C）、氮化铝（AlN）等具有宽禁带（Eg＞2.3eV）特征的新兴半导体质料，因此也被成为宽禁带半导体质料。

第三代半导体详解及名单

二、带隙：?

? ? 第一代半导体质料，属于间接带隙，窄带隙；第二代半导体质料，直接带隙，窄带隙；第三代半导体质料，宽禁带，全组分直接带隙。

? ? 和古板半导体质料相比，更宽的禁带宽度允许质料在更高的温度、更强的电压与更快的开关频率下运行。

三、应用：

? ? 第一代半导体质料主要用于分立器件和芯片制造；

? ? 第二代半导体质料主要用于制作高速、高频、大功率以及发光电子器件，也是制作高性能微波、毫米波器件的优良质料，普遍应用在微波通讯、光通讯、卫星通讯、光电器件、激光器和卫星导航等领域。

? ? 第三代半导体质料普遍用于制作高温、高频、大功率和抗辐射电子器件，应用于半导体照明、5G通讯、卫星通讯、光通讯、电力电子、航空航天等领域。第三代半导体质料已被以为是当今电子工业生长的新动力。

? ? 碳化硅（SiC）（第三代）具有高临界磁场、高电子饱和速率与极高热导率等特点，使得其器件适用于高频高温的应用场景，相较于硅器件（第一代），可以显著降低开关消耗。因此，SiC可以制造高耐压、大功率电力电子器件如MOSFET、IGBT、SBD等，用于智能电网、新能源汽车等行业。与硅元器件（第一代）相比，氮化镓（GaN）（第三代）具有高临界磁场、高电子饱和速率与极高的电子迁徙率的特点，是超高频器件的极佳选择，适用于5G通讯、微波射频等领域的应用。

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? ? 第三代半导体质料具有抗高温、高功率、高压、高频以及高辐射等特征，相比第一代硅（Si）基半导体可以降低50%以上的能量损失，同时使装备体积减小75%以上。

? ? 第三代半导体属于后摩尔定律看法，制程和装备要求相对不高，难点在于第三代半导体质料的制备，同时在设计上要有优势。

第三代半导体现状

? ? 由于制造装备、制造工艺以及本钱的劣势，多年来第三代半导体质料只是在小规模内应用，无法挑战Si基半导体的统治职位。

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? ? 现在碳化硅（SiC）衬底手艺相对简朴，海内已实现4英寸量产，6英寸的研发也已经完成。

氮化镓（GaN）制备手艺仍有待提升，海内企业现在可以小批量生产2英寸衬底，具备了4英寸衬底生产能力，并开发出6英寸样品。

第三代半导体的机缘

? ? 在5G和新能源汽车等新市场需求的驱动下，第三代半导体质料有望迎来加速生长。

? ? 随着5G、新能源汽车等新市场泛起，硅（Si）基半导体的性能已无法完全知足需求，碳化硅（SiC）和氮化镓（GaN），即第三代半导体的优势被放大。

? ? 另外，制备手艺前进使得碳化硅（SiC）和氮化镓（GaN）器件本钱一直下降，碳化硅（SiC）和氮化镓（GaN）的性价比优势将充分展现，

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? ? 第三代半导体未来焦点增添点碳化硅（SiC）和氮化镓（GaN）有各自的优势领域。

一、碳化硅（SiC）

? ? 常被用于功率器件，适用于600V下的高压场景，普遍应用于新能源汽车、充电桩、轨道交通、光伏、风电等电力电子领域。新能源汽车以及轨道交通两个领域复合增速较快，有望成为SiC市场快速增添的主要驱动力。预计到2023年，SiC功率器件的市场规模将凌驾15亿美元，年复合增添率为31%。

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1、【新能源汽车】

? ? 在新能源汽车领域，碳化硅（SiC）器件主要可以应用于功率控制单位、逆变器、车载充电器等方面。SiC功率器件轻量化、高效率、耐高温的特征有助于有用降低新能源汽车系统本钱。

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? ? 2018年特斯拉Model 3接纳了意法半导体生产的SiC逆变器，是第一家在主逆变器中集玉成SiC功率�？榈某灯�。

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? ? 以Model 3搭载的SiC功率器件为例，其轻量化的特征节约了电动汽车内部空间，高效率的特征有用降低了电动汽车电池本钱，耐高温的特征降低了对冷却系统的要求，节约了冷却本钱。

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? ? 别的，近期新上市的比亚迪汉EV也搭载了比亚迪自主研发并制造的高性能SiC-MOSFET 控制�？�。

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2、【轨道交通】

? ? 在轨道交通领域，SiC器件主要应用于轨交牵引变流器，能大幅提升牵引变流装置的效率，切合轨道交通绿色化、小型化、轻量化的生长趋势。

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? ? 克日完成调试的苏州3号线0312号列车是海内首个基于SiC变流手艺的牵引系统项目。接纳完全的SiC半导体手艺替换古板IGBT手艺，在提高系统效率的同时降低了噪声，提升了旅客的恬静度。

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二、氮化镓（GaN）

? ? 着重高频性能，普遍应用于基站、雷达、工业、消耗电子领域：

1、【5G基站】

? ? GaN射频器件更能有用知足5G高功率、高通讯频段的要求。5G基站以及快充两个领域复合增速较快，有望成为GaN市场快速增添的主要驱动力�；贕aN工艺的基站占比将由50%增至58%，带来大宗GaN需求。

预计到2022年，氮化镓（GaN）器件的市场规模将凌驾25亿美元，年复合增添率为17%。

2、【快充】

? ? GaN具备导通电阻小、消耗低以及能源转换效率高等优点，由GaN制成的充电器还可以做到较小的体积。安卓端率先将GaN手艺导入到快充领域，随着GaN生产本钱迅速下降，GaN快充有望成为消耗电子领域下一个杀手级应用。预计全球GaN功率半导体市场规模从2018年的873万美元增添到2024年的3.5亿美元，复合增添率抵达85%。

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? ? 2019年9月，OPPO宣布海内首款GaN充电器SuperVOOC 2.0，充电功率为65W；2020年2月，小米推出65W GaN充电器，体积比小米条记本充电器缩小48％，并且售价创下业内新低。

? ? 随着GaN手艺逐步提升，规模效应会发动本钱越来越低，未来GaN充电器的渗透率会一直提升。

?中国三代半导体质料中和全球的差别

一、中国在第一代半导体质料，以硅（Si）为代表和全球的差别最大。

1、生产装备：险些所有的晶圆代工厂都会用到美国公司的装备，2019年全球前5名芯片装备生产商3家来自美国；而中国的北方华创、中微半导体、上海微电子等中国优异的芯片公司只是在刻蚀装备、洗濯装备、光刻机等部分细分领域实现突破，装备领域的国产化率还不到20%。

2、应用质料：美国已一连多年位列第一，我国的高端光刻胶险些依赖入口，全球5大硅晶圆的供应商占有了高达92.8%的产能，美国、日本、韩国的公司具有垄断职位。

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3、生产代工：2019年台积电市场占有率高达52%，韩国三星占了18%左右，中国最优异的芯片制造公司中芯国际只占5%，且在制程上前面两个相差30年的差别。

二、中国第二代半导体质料代表的砷化镓（GaAs）已经有突破的迹象。

1、砷化镓晶圆环节：凭证Strategy Analytics数据，2018年前四大砷化镓外延片厂商为IQE（英国）、全新光电（VPEC，台湾）、住友化学（Sumitomo Chemicals，日本）、英特磊（IntelliEPI，台湾），市场占有率划分为54%、25%、13%、6%。CR4高达98%。

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2、在砷化镓晶圆制造环节（Foundry+IDM）：台湾系代工厂为主流，稳懋（台湾）一家独大，占有了砷化镓晶圆代工市场的 71%份额，其次为宏捷（台湾）与环宇（GCS，美国），划分为9%和8%。

3、从砷化镓产品来看（PA为主），全球竞争名堂也是以西欧产商为主，最大Skyworks（思佳讯），市场占有率为30.7%，其次为Qorvo（科沃，RFMD和TriQuint合并而成），市场份额为28%，第三名为Avago（安华高，博通收购）。这三家都是美国企业。

? ? 在砷化镓三大工业链环节：晶圆、晶圆制造代工、焦点元器件环节，现在都以西欧、日本和台湾厂商为主导。中国企业起步晚，在工业链中话语权不强。

? ? 不过从三个环节来看，已经有突破的迹象。如华为就是将手机射频要害部件PA通过自己研发然后转单给三安光电代工的。

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4、中国在以氮化镓（GaN）和碳化硅（SiC）为代表第三代半导体质料方面有追赶和超车的良机。

? ? 由于第三代半导体质料及应用工业发明并适用于本世纪初年，各国的研究和水平相差不远，海内工业界和专家以为第三代半导体质料成了我们挣脱集成电路（芯片）被动时势，实现芯片手艺追赶和超车的良机。就像汽车工业，中国就是使用生长新能源汽车的模式来拉近和美、欧、日系等汽车强国的距离的，并且在某些领域实现了弯道超车、换道超车的时势。三代半质料性能优异、未来应用普遍，若是从这方面赶超是保存时机的。

?中国三代半导体质料相关公司

第三代半导体详解及名单

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