第三代半导体材料产业化的机遇和挑战 - 安防知识网 - 资讯

从第三代半导体材料的技术趋势来看，大尺寸和高质量SiC生长技术是未来发展的趋势，同质外延依然是GaN器件的技术改进方向，所以高质量GaN衬底的研发还将继续

　　前言：目前我国第三代半导体材料市场仍以日美欧厂商为主角，但近几年我国已经开始大力扶持第三代半导体产业。2016年国务院出台了《“十三五”国家科技创新规划》，明确提出以第三代半导体材料为核心，以抢占先进电子材料技术的制高点。

　　第三代半导体材料发展情况

　　第三代半导体材料主要是以碳化硅(SiC)、氮化镓(GaN)、氧化锌(ZnO)、金刚石、氮化铝(AlN)为代表的宽禁带半导体材料。

　　与第一、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、更高的电子饱和速率及更高的抗辐射能力，更适合于制作高温、高频、抗辐射及大功率器件，通常又被称为宽禁带半导体材料(禁带宽度大于2.3eV)，亦被称为高温半导体材料。

　　从目前第三代半导体材料及器件的研究来看，较为成熟的第三代半导体材料是碳化硅和氮化镓，而氧化锌、金刚石、氮化铝等第三代半导体材料的研究尚属起步阶段。碳化硅(SiC)和氮化镓(GaN)，被行业称为第三代半导体材料的双雄。

　　由于第三代半导体材料及其制作的器件的优越性、实用性和战略性，许多发达国家将第三代半导体材料列入国家计划，全面部署，竭力抢占战略制高点。目前美欧日具备较为成熟的GaN半导体材料产业体系。

　　▼ 三代半导体材料性能对比

　　（来源：十一科技）

　　国外20世纪80年代开始对GaN半导体材料进行研究，并已经形成了比较完善的产业体系，而我国第三代半导体研究起步较晚，目前尚处于初步的产业格局阶段。

　　我国第三代半导体材料产业化情况

　　目前，我国第三代半导体产业发展初步形成了京津冀、长三角、珠三角、闽三角、中西部等五大重点发展区域。从2015年下半年至2018年底，从已披露的第三代半导体项目投资总额来看，五大地区的投资额占比分别为长三角区域63%、中西部区域14%、京津冀6%、闽三角5%、珠三角区域2%。

　　长三角地区第三代半导体产业集聚能力凸显，投资总额607亿元，其中，2018年投资总额超过550亿元(其中积塔半导体的359亿元投资以SiC电力电子器件产线为主)。北京、深圳、厦门、泉州、苏州等代表性城市在2018年深入部署、多样并举，有序推动第三代半导体产业发展。

　　目前国内第三代半导体材料产业从数量上来看已具备一定规模，初步形成了一个较为完整的产业链。国内第三代半导体材料的主要厂商及产业链格局情况如下：

　　● 衬底供应商～SiC衬底：山东天岳、河北同光、天科合达、江西晶能等；GaN衬底：苏州纳维、东莞中镓等；

　　● 外延供应商～中蕊光电、镓芯河北、英诺赛科、江苏华功、大连芯冠、江苏能华、苏州晶港、苏州能讯、中电55所、中电13所、海威华芯等；

　　● 器件、模组供应商～电力电子器件：江苏能华、江苏华功、英诺赛科、大连芯冠、中电55所；微波射频器件：中电55所、中电13所、苏州能讯、中芯光电；UV探测器：中芯光电、镓芯光电；LED照明：华灿光电、深圳兆驰、聚灿光电、三安光电等；产业代工：台积电、稳惠、三安光电、海威华芯、方正微电子等。

　　我国第三代半导体材料市场及应用

　　2018年，在国内市场和国际市场双双推动下，国内第三代半导体产业继续发力向前推进。据第三代半导体产业联盟统计，2018年我国第三代半导体整体产值约为7423亿元(包括半导体照明)，较2017年同比增长近13%。其中电力电子产值规模近12.3亿元，较上年增长23%以上；微波射频产值规模36.7亿元，较上年增长了20%；光电(主要为半导体照明)产值规模为7374亿元，较上年增长近13%。

　　GaN射频器件已成功应用于众多领域，以无线基础设施和国防应用为主，还包括卫星通信、民用雷达和航空电子等领域。据Yole统计，2018年全球3W以上GaN射频器件(不含手机PA)市场规模达到4.57亿美元，在射频器件市场(包括Si LDMOS、GaAs和GaN)的渗透率超过25%。预计到2023年市场规模将达到13.24亿美元，年复合增长率超过23%。

　　国防是GaN射频器件最主要的应用领域。由于对高性能的需求和对价格的不敏感，国防市场为GaN射频器件提供了广阔的发展空间。据Yole统计，2018年国防领域GaN射频器件市场规模为2.01亿美元，占GaN射频器件市场的份额达到44%，超过基站成为最大的应用市场。GaN射频器件在国防领域的市场规模将随着渗透率的提高而继续增长，预计到2023年，市场规模将达到4.54亿美元，2018-2023年均复合增速为18%。

　　▼ 第三代半导体材料用途

　　（来源：十一科技）

　　基站是GaN射频器件第二大应用市场。据据Yole统计，2018年基站领域GaN射频器件市场规模为1.5亿美元，占GaN射频器件市场33%的份额。随着5G通信的实施，2019-2020年市场规模会出现明显的增长。预计到2023年，基站领域GaN射频器件的市场规模将达到5.21亿美元，2018-2023年均复合增长率达到28%。

　　2019中国5G建设高速发展，基站端GaN放大器同比增长达71.4%；到2020年，基站端GaN放大器市场规模达32.7亿元，同比增长340.8%；预计到2023年基站端GaN放大器市场规模达121.7亿元。

　　据拓璞分析，GaN放大器需求数量2019-2013年保持快速增长，2023年达18117万个。按照4寸GaN晶圆切400个计算，则需要GaN晶圆数量达45万片。

　　▼ 中国5G基站GaN晶圆需求预测

　　(来源：拓璞)

　　第三代半导体材料产业化的挑战

　　据CASA不完全统计，2018年国内第三代半导体领域新增3条6英寸SiC产线(株洲中车时代、三安集成和国家电网能源互联网研究院(中试线)的6寸线)。除上述3条线外，国内泰科天润和中电55所已有SiC产线，至此国内目前至少已有5条SiC产线(包括中试线)。

　　2018年国内第三代半导体投资扩产热度不减。据CASA不完全统计，目前国内第三代半导体相关领域共有8起大的投资扩产项目，总投资额至少达到639亿元。其中有4项与氮化镓(GaN)材料有关，包括外延片及芯片、电力电子及射频器件等，投资扩产项目总额为220亿元(与2017年的19亿元相比，增加了近11倍)；碳化硅(SiC)材料相关的衬底、外延及芯片、封装测试、电力电子器件等项目的投资扩产总共4项，已披露的总额约为60亿元(与2017年的65亿元基本持平)。其他以先进半导体集成电路为名义的投资1起，投资金额近359亿元，其中涉及建设一条SiC电力电子器件生产线。(十一科技三代半导体发展中心整理数据)

　　整体而言，我国在第三代半导体(电力电子和射频领域)初步形成了从衬底到模组初步的产业链体系。

　　第三代半导体材料产业化的挑战是材料品质。SiC同质外延和Si基GaN异质外延方面，作为应用最广泛的两种第三代半导体材料，目前商业化的最大尺寸为6英寸，为进一步降低器件成本，业界已经研发出8英寸产品。其中，8英寸Si基GaN外延片的研发尤为活跃，2017年以来，业内企业已经成功研发出8英寸Si基GaN外延片，并在8英寸晶圆上成功开发出GaN电力电子器件。

　　▼ 2018年8英寸Si基GaN外延片及器件研发进展

　　（来源：CASA整理）

　　结语

　　从第三代半导体材料的技术趋势来看，大尺寸和高质量SiC生长技术是未来发展的趋势，同质外延依然是GaN器件的技术改进方向，所以高质量GaN衬底的研发还将继续。

　　从价格及成本趋势来看，未来6英寸SiC衬底预计将降至5000元/片以下，GaN衬底价格有望降至500美元/片左右，并且随着衬底和外延片尺寸的增加和生产规模的扩大，衬底和外延片的成本将有所下降。

　　目前全球70-80%的第三代半导体材料SiC产量来自美国。在中美贸易摩擦持续发酵背景下，第三代半导体材料国产化替代进程有望持续加速，第三代半导体材料应用前景光明。