智芯研报 | 新基建带动下的第三代半导体产业发展机遇

第三代半导体联合创新孵化中心 2021年7月5日浏览：1818

第三代半导体具有禁带宽度更宽、电子漂移饱和速率更高、绝缘击穿场强更高、热导率更高等特点，适用于高温、高频、高压、高功率器件，应用于通信基站、消费电子、智能电网、光伏逆变器、高铁、新能源汽车、工业电机等多个领域。基于新一代信息技术应用与融合的新型基础设施建设将极大带动第三代半导体材料及器件应用和产业发展。

01引言

随着 5G 技术的加速应用，特别是国家“新基建”政策的出台，第三代半导体逐渐进入大众视野，成为投资追捧的热点领域。国家也计划把第三代半导体产业写入“十四五”规划，在2021-2025年期间，举全国之力，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，不再受制于人。

近年来，随着材料、器件、工艺和应用方面的一系列技术创新和突破，第三代半导体材料正以其优良的性能突破传统硅基材料瓶颈。第三代半导体拥有巨大的发展空间和良好的市场前景，催生着上万亿元的潜在市场，有望引领新一轮产业革命。

02 第三代半导体

半导体是指常温下导电性能介于导体与绝缘体之间的材料。国际上一般把禁带宽度（Eg）大于或等于 2.3 eV 的半导体材料称之为宽禁带半导体材料，也称第三代半导体材料。常见的第三代半导体材料包括：碳化硅（SiC）、氮化（GaN）、金刚石、氧化锌（ZnO）、氮化铝（AlN）等。

第一代半导体材料指锗（Ge）和硅（Si），50年代 Ge 在半导体中占主导地位，主要用于低电压、低频、中功率器件，由于耐高温、抗辐射性能较差，60年代后期逐渐被Si取代。

Si在自然界储量大，大尺寸晶圆制备技术、芯片制造工艺成熟，Si 基芯片产业遵循摩尔定律快速发展，应用于分立器件、集成电路，目前全球95%以上的半导体芯片和器件是用Si作为基础材料生产的，目前商用晶圆尺寸已经拓展到12英寸（300mm）。

第二代半导体材料主要是指以砷化镓（GaAs）、磷化铟（InP）为代表的Ⅲ-Ⅴ族化合物半导体材料，发展于20世纪80年代，具有载流子浓度低、光电特性好、耐热、抗辐射等特性，主要用于制作高速、高频、大功率以及发光电子器件，但由于资源稀缺、大尺寸制备困难、价格贵、有毒性、污染环境，应用受到一定局限。

以碳化硅（SiC）、氮化镓（GaN）为代表的第三代半导体材料发展于 20 世纪 90 年代，具有耐高温、耐高压、高电流、高频、低导通电阻等特点，广泛应用于高电压、高功率、高频领域。第一代半导体属于元素半导体，第二代和第三代半导体都属于化合物半导体。

03 性能优势及应用领域

相比第一、二代半导体，第三代半导体具有禁带宽度更宽、电子漂移饱和速率更高、绝缘击穿场强更高、热导率更高等特点。其具体性能参数指标见表1。

与Si材料相比，SiC和GaN禁带宽度约为Si的3倍，击穿场强超过10倍，具有低导通损耗，适用于高压高功率器件； SiC热导率约为Si的3.3倍，具有良好的散热特性，可以减少器件体积，适用于高温器件； GaN 的电子漂移饱和速率为 Si 的 2.5倍，有利于简化外围组件降低成本，适用于高频率器件。

因此，在应用领域，如图所示，GaN的优势在高频领域，目前主要集中在1000V以下，例如通信基站、消费电子等； SiC的优势在高温和1200V以上的高压电力领域，包括智能电网、光伏逆变器、高铁、新能源汽车、工业电机等；在中低频、中低功率领域，GaN 和 SiC 都可以应用，与传统Si基器件进行竞争。

按器件功能分，如图所示，第三代半导体主要应用在功率器件、微波射频器件、光电子器件中。

功率器件（Power De‐vice）也称电力电子器件，主要用于电气工程、电力系统，根据负载要求处理电路中电力转换，具有处理高电压、大电流的能力，电压处理范围从几十伏~几千伏，电流能力最高可达几千安，典型的功率处理功能包括变频、变压、变流、功率放大和功率管理。

射频器件（Radio Frequency De‐vice）指频率范围在 300kHz～300GHz 之间，具有远距离传输能力的器件，在无线通讯中扮演数字信号和电磁波信号转换的角色，是无线通讯设备中的基础性零部件，包括滤波器、功率放大器（PA）、双工器、射频开关、低噪放大器、天线等。

目前射频器件市场主要有 GaAs、Si LDMOS、GaN三种工艺，GaAs器件功率较低，通常低于 50W； Si LDMOS 工作频率存在极限，最高有效频率在3GHz以下； GaN则弥补了 GaAs 和 Si LDMOS 的技术缺陷，同时拥有高频性能和高功率处理能力。

光电子器件指利用光-电子（或电-光子）转换效应制成的各种功能器件。

SiC主要用于功率器件，应用范围覆盖从低压到高压各领域； GaN主要用于射频器件，同时用于功率器件。

在成本因素下，未来可取代相应Si基器件。芯片设计厂商来说，这可能将是一场灾难。

04新基建带动下发展机遇

当下，我国经济发展最大的驱动力当属“新基建”。 “新基建”主要是面向未来数字经济时代，基于新一代信息技术应用与融合的新型基础设施。

“新基建”包括三方面内容：

一是信息基础设施，主要指基于5G、物联网、人工智能、云计算、区块链等新一代信息技术演化生成的基础设施；

二是融合基础设施 ，主要指深度应用互联网、大数据、人工智能等技术，支撑传统基础设施转型升级，进而形成的融合基础设施；

三是创新基础设施，主要指支撑科学研究、技术开发、产品研制的具有公益属性的基础设施。

涉及领域主要包括5G基站、大数据中心、人工智能、工业互联网、特高压、城际高速铁路和城市轨道交通、新能源汽车充电桩等七大方向。

“新基建”各个产业建设都与半导体息息相关，特别是第三代半导体，由于其特殊性能是支持“新基建”的核心材料，其应用包括以下领域（见表2）。

▌ 4.1 5G 基站

5G 技术涵盖毫米波频率，基站带宽要求达 1GHz，大规模 MIMO(Multi-Input Multi-Output)天线以 64T64R 阵列天线为主，功率放大器需求量从4G的12个增加到192个，基站密度和基站数量会大幅增加，射频器件是基站设备中主要的能耗部件，大带宽、高效率、小体积，轻质量、低成本的射频功率器件需求日益迫切。

GaN以更高的功率密度实现小型化与系统集成，相同性能下，GaN射频芯片是GaAs芯片面积的 1/10，是 Si LDMOS 面积的 1/7；与 SiGe 基 MIMO 天线相比，GaN 可以使功率损耗降低 40%，裸片面积减少 94%，成本降低80%。

▌ 4.2 新能源汽车充电桩

充电模块是充电桩的重要组成部件，其成本占设备总成本的50%，对新能源电动汽车而言，提升充电速度和降低充电成本是行业发展的两大目标。

SiC MOS‐FET 可以使电源电路中的磁性单元体积更小、重量更轻，电源整体效率更高，进而实现充电速度的提升和充电成本的降低。目前我国充电桩保有量达到 121.9 万个，

车桩比约为3.4：1，与国家规划的1：1目标相比仍有巨大市场空间，SiC器件在电动汽车充电桩领域平均渗透率约为10%。

在新能源汽车中，功率器件是电驱动系统的主要组成部分，对其效率、功率密度和可靠性起着主导作用。目前，新能源汽车电驱动部分主要由硅基功率器件组成。

随着电动汽车的发展，对电驱动的小型化和轻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主驱动控制器的电动汽车（Model3），每个逆变器包含 24 个 SiC MOSFET 模块，车身比Model S减小了20%，开关损耗降低75％，逆变器效率提升5%～8%。

▌ 4.3 数据中心

服务器电源是服务器的能源库，为服务器提供电能，保证服务器系统正常运行。

在服务器电源中使用SiC功率器件，可以提升服务器电源的功率密度和效率，整体上缩小数据中心的体积，实现数据中心整体建设成本的降低，同时实现更高的环保效率。

GaN 功率器件可用于从交流到直流的电源转换，以及转换负载的直流电源，整体效率相比Si器件可提高10%，功率密度增加25%以上。

▌ 4.4 特高压

特高压作为大型系统工程，将催生从原材料到元器件等一系列需求。功率器件是输电端特高压直流输电中柔性输电技术和变电端电力电子变压器的关键器件。

直流断路器作为柔性直流输电的关键部分之一，其可靠性对整个输电系统的稳定性有着较大影响。

由于直流断路器整体电压高，受限Si器件目前电压等级，使用传统Si基器件设计需要多级子单元串联，使用高电压SiC器件可以大大减少串联子单元数量，在直流断路器中具有广阔的应用前景。

▌ 4.5 城际轨道交通

未来轨道交通对电力电子装置如牵引变流器、电力电子电压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，进一步实现设备高效率化和小型化，明显减轻轨道交通的载重系统，未来SiC混合模块将首先开始替代部分 Si IGBT 模块，随着 SiC 器件容量的提升，将在轨道交通领域发挥更大的用。

05第三代半导体产业格局

第三代半导体产业链环节包括单晶衬底、外延片、器件设计、器件制造、封装测试、整机终端。与 Si 材料不同，SiC 和GaN器件不能直接制作在单晶衬底上，必须在衬底上生长高质量外延材料，在外延层上制造各类器件。

SiC 功率器件用外延片主要生长在SiC单晶衬底上。

GaN器件根据其应用领域不同衬底材料主要包括蓝宝石、GaN、Si、SiC，其中蓝宝石衬底目前最大尺寸为6in（152mm），生产GaN外延片质量好，价格便宜，主要用于光电子器件中 LED 芯片，由于其与GaN晶格失配度较大，导电性、导热性差，无法用于射频器件； GaN单晶衬底目前量产最大尺寸为 2 in（50mm），外延片质量极好，但价格昂贵，目前主要用于光电子器件中激光器； Si单晶衬底是GaN功率器件最主要的衬底材料，外延片质量良好，最大应用尺寸为8 in（203mm），价格便宜，是消费电子电源芯片最主要选择； SiC衬底目前国内量产尺寸为 4in～6in（101mm～152mm），SiC 衬底与 GaN 的失配小，生长的 GaN 外延片质量很好，同时 SiC 衬底热导率高，散热性能好，但价格贵，主要应用于5G基站射频前段芯片、军用雷达等领域。单晶衬底和外延片的材料制造能力、晶圆尺寸、性能参数决定了第三代半导体产业的发展水平及进程。

Si 单晶主要采用直拉法，72h 可生长出2m～3m左右的硅单晶棒，一根单晶棒一次能切下上千片硅片，8in（203mm）硅片价格约 300 元，12in（305mm）硅片价格约为850元左右，12in （305mm）是高端IC芯片主流尺寸。

SiC没有液态，只有固态和气态，升华温度约2700℃，不能用拉硅单晶的方法制备。目前制备半导体级高纯度SiC单晶，主要为Lely改良法，最快的SiC单晶生长方法，生长速度在每小时0.1mm～0.2mm左右，72h仅生长7.2mm～14.4mm。目前国产4in （101mm）SiC衬底售价在4000元～10000 元左右 6in（152mm）更是达到10000元～15000元的水平。

GaN 极其稳定，熔点约为 1700℃，具有高电离度，很难采用熔融的结晶技术制作GaN衬底。目前主要在蓝宝石衬底上生长GaN厚膜，然后通过剥离技术实现衬底和厚膜分离，将分离后的GaN厚膜做为外延用衬底，主流尺寸为2in （50mm）。由于价格昂贵，限制了 GaN 厚膜衬底的应用[4]。

从全球第三代半导体产业格局来看，主要包括日本、美国、欧洲、中国。其中日本技术力量雄厚，产业链完整，在设备和模块开发方面处于领先地位。

美国在SiC领域占据最大市场份额，同时拥有GaN完整产业链。欧洲拥有完整的SiC衬底、外延、设计及制造的完整产业链，拥有英飞凌、意法半导体等国际顶级制造商。

SiC 产业呈现美、日、韩三足鼎立局面，美国最大，前五大厂商占据90%市场份额，科锐、英飞凌、罗姆三家公司占据全球 70%～80% 的市场份额，全球 SiC 衬底几乎由Cree一家主导，占据了全球近40%的市场份额。

商业模式方面以IDM模式为主流趋势，强大的 IDM 能力是构建高壁垒和高毛利的关键，可以将各环节成本压至最低。中国未来将是最大的 SiC 市场，国产替代需求强烈，目前国内已有天科合达、山东天岳、中电科 55 所、世纪金光、基本半导体、泰科天润、瀚天天成、三安光电等，国内IGBT龙头企业和传统功率器件企业在积极布局 SiC产业。

GaN 产业，住友电工和科锐是全球GaN射频器件领域的龙头企业，市场占有率均超过 30%，其次为 Qorvo 和 MA‐COM。

苏州纳维科技，是国内唯一一家，国际上少有的几家能批量生产 2in（50mm）GaN的企业；东莞中镓，建成国内首家专业氮化镓衬底生产线，可以制备出1100μm的自支撑GaN衬底；苏州晶湛、聚能晶源均可以生产8in （203mm）硅基氮化镓外延片；世纪金光，是涵盖SiC、GaN单晶、外延、器件、模块研发设计生产销售一体的公司；润微电子收购中航微电子，拥有8in （203mm）硅基氮化镓生产线和国内首个600V/10A GaN器件产品；士兰微，拥有6in （152mm）硅基氮化镓功率器件生产线。

近年来，在国家政策的大力支持下，国内第三代半导体产线陆续投产，产能不断增加。 2019 年，国内 SiC 衬底折合 4in（50mm）产能约为70万片/a，SiC外延片折算 6in（152mm）产能约为 20 万片/a；国内Si 基 GaN 外延片（不含LED）折算 6in（152mm）产能约为20万片/a，Si基GaN器件（不含LED）折算6in （152mm）产能约为19 万片/a，SiC 基 GaN 外延片折算 4in（50mm）产能约为 10 万片/a，SiC 基 GaN器件折算4in （50mm）产能约为8万片/a。

06 结语

未来，随着“新基建”的带动，我国第三代半导体产业将迎来广阔发展机遇，产业发展关键在上游材料、设备研发，以及高端技术人才，通过降低衬底缺陷、提高良率，做到大尺寸、低成本，进而推动第三代半导体应用领域和Si基功率器件的替代空间。

| 来源：中国电子工程设计院有限公司，作者：程星华

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