一文读懂第三代半导体战略背景、核心产业链

来源:慧聪电子网发布时间:2021-03-236浏览

询问 AI

集成电路主要分为硅基半导体与化合物半导体二大类，半导体产业发展经历了三个阶段：

1)第一代半导体是以硅(Si)材料为衬底材料的半导体；

2)第二代半导体是以砷化镓(GaAs)材料为衬底的化合物半导体，目前也已经广泛运用；

3)第三代半导体以碳化硅(SiC)、氮化镓(GaN)为代表，其余包括氧化锌(ZnO)、金刚石、氮化铝(AlN)等的研究尚处于起步阶段。

与第一代和第二代半导体材料相比，第三代半导体材料具有更宽的禁带宽度、更高的击穿电场、更高的热导率、更大的电子饱和速度以及更高的抗辐射能力，更适合制作高温、高频、抗辐射及大功率器件。

(图片来源：中信建投证券)

发展第三代半导体战略背景分析

自贸易战以来，中美关系一直处于微妙状态，在传统的一、二代半导体行业，美国拥有绝对优势的技术、专利、市场份额，可以在任何一个环节打压中国，以华为为代表的企业从海外采购零部件和芯片制造技术正面临越来越多的困难。自主可控一直是当下内循环最重要逻辑。

同时，随着物联网、大数据和人工智能驱动的新计算时代的发展，对半导体器件的需求日益增长，对器件可靠性与性能指标的要求也更加严苛。以碳化硅为代表的第三代半导体开始逐渐受到市场的重视，国际上已形成完整的覆盖材料、器件、模块和应用等环节的产业链，全球新一轮的产业升级已经开始。

8月4日，国务院公开发布《新时期促进集成电路产业和软件产业高质量发展的若干政策》强调，集成电路产业和软件产业是信息产业的核心，是引领新一轮科技革命和产业变革的关键力量，其中重点强调，中国芯片自给率要在2025年达到70%。所以中国半导体产业发展是非常有必要的，中国的崛起也必将大力发展半导体产业，以保证中国的电子信息产业的稳定发展。

据权威消息人士透露，“十四五”规划之中，我国计划在2021-2025年期间，在教育、科研、开发、融资、应用等各个方面，大力支持发展第三代半导体产业，以期实现产业独立自主。下一个五年的经济战略包括向无线网络到人工智能等技术领域投入约1.4万亿美元。

第三代半导体材料总体情况

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。

硅材料随着电压的升高，高频性能和能量密度不断在下降，和碳化硅、氮化镓相比优势越来越小。碳化硅主要运用在高压环境，氮化镓主要集中在中低压的领域。造成两者重点发展的方向有重叠、但各有各的路线。通常以650V作为一个界限：650V以上通常是碳化硅材料的应用，650V以下比如一些消费类电子上氮化镓的优势更加明显。

(图片来源：国泰君安)

根据Omdia的《2020年SiC和GaN功率半导体报告》，到2020年底，全球SiC和GaN功率半导体的销售收入预计将从2018年的5.71亿美元增至8.54亿美元。未来十年的年均两位数增长率，到2029年将超过50亿美元。

半导体材料的发展主要体现在三个方面：1)衬底及外延材料向大直径发展；2)材料质量和器件性能的提升；3)成本和价格的下降推动产业发展。在衬底方面，日本多家公司已在出售2~3英寸GaN衬底；在外延片方面，4~6英寸Si衬底GaN外延片的材料已经实现量产。

(图片来源：海通证券)

氮化镓(GaN)：第三代半导体核心材料

氮化镓作为第三代半导体材料，有更高的禁带宽度，是迄今理论上电光、光电转换效率最高的材料体系，下游应用包括微波射频器件(通信基站等)，电力电子器件(电源等)，光电器件(LED 照明等)。

目前GaN知名厂商集中海外，根据Yole报告，氮化镓产业链基本包括衬底、外延片、器件制造等环节，其中硅基衬底主要供应商有德国Siltronic、日本Sumco、日本Shin-Etsu 等企业，而日本的NTT-AT、比利时的EpiGaN 和英国的IQE 等则是硅基GaN 外延片的主要供应商。部分厂商则在产业链上延伸，同时生产外延片及器件制造，例如Episil、Bridg、Fujitsu 等。目前主流氮化镓生产厂家依旧集中在欧洲国家及日本等，我国企业尚未进入供给端第一梯队。

1、通讯基站领域：提高功率密度

目前采用氮化镓的微波射频器件主要用于军事领域、4G/5G 通讯基站等，由于涉及军事安全，国外对高性能氮化镓器件实行对华禁运。因此，发展自主氮化镓射频功放产业，有助于打破国外垄断，实现自主可控。

得益于GaN可处理更高频率和更高能效的电源，相比硅组件，GaN可以在尺寸和能耗减半的条件下输送同等的功率，从而提高功率密度，帮助客户在不增大设计空间的同时满足更高的功率要求。而大范围的5G网络覆盖要求运营商部署更高功率和运行频率的设备，GaN的功率密度优势可以满足他们的需求。

2、电子电力器件：电源设备占主导

GaN作为第三代半导体材料，广泛应用于功率电子器件中，根据材料深一度援引Yole数据，2018年GaN功率器件国际市场规模中，电源设备领域占比55%，其次是激光雷达，占比达到26%，其他下游应用如包络跟踪、无线电源等。

目前使用的电子及电源设备，如个人电脑适配器、音频/视频接收器和数字电视等，有着占用空间大、不美观、发热导致电量损耗等缺点，而GaN 能够减少电源体积，同时提升效率。

3、其他需求：光伏&军用持续发力

1)GaN成为降低光伏成本关键

GaN和SiC器件进入光伏市场，将为小型系统带来更大的竞争优势，主要包括：更低的均化电力成本，提升通过租赁和电力购买协议而销售的电能利润。此外，这些器件还能改善性能和可靠性。据北极星太阳能光伏网援引研究机构Lux Research 报告显示，受太阳能模组的下游需求驱动，宽禁带半导体――即碳化硅(SiC)和氮化镓(GaN)将引领太阳能逆变器隔离器市场在2020年达到14亿美元。

2)GaN军用需求快速增长

在军用市场，GaN射频器件需求快速增长，根据相关数据，仅战斗机雷达对GaN射频功率模块的需求就将达到7500万只。目前，美国海军新一代干扰机吊舱及空中和导弹防御雷达(AMDR)已采用GaN射频功放器件替代GaAs器件。根据该期刊论文援引Yole的预测，2020年末，GaN射频器件市场规模将达到7.5亿美元，年均复合增长率20%。