2020年第三代半導(dǎo)體材料應(yīng)用領(lǐng)域及行業(yè)發(fā)展面臨的機(jī)遇挑戰(zhàn)分析[圖]

    一、第三代半導(dǎo)體材料應(yīng)用領(lǐng)域分析

    氮化鎵（GaN）、碳化硅（SiC）為最成熟的第三代半導(dǎo)體材料又稱寬禁帶半導(dǎo)體材料（禁帶寬度大于2.2ev），其余包括氧化鋅、金剛石、氮化鋁的研究還處于起步階段。

    與第一二代半導(dǎo)體材料相比，第三代半導(dǎo)體材料具有更寬的禁帶寬度、更高的擊穿電場(chǎng)、更高的熱導(dǎo)率、更高的電子飽和速率及更高的抗輻射能力，更適合于制作高溫、高頻、抗輻射及大功率器件，通常又被稱為寬禁帶半導(dǎo)體材料（禁帶寬度大于2.2eV），亦被稱為高溫半導(dǎo)體材料。

    作為一類(lèi)新型寬禁帶半導(dǎo)體材料，第三代半導(dǎo)體材料在許多應(yīng)用領(lǐng)域擁有前兩代半導(dǎo)體材料無(wú)法比擬的優(yōu)點(diǎn)：如具有高擊穿電場(chǎng)、高飽和電子速度、高熱導(dǎo)率、高電子密度、高遷移率等特點(diǎn)，可實(shí)現(xiàn)高壓、高溫、高頻、高抗輻射能力，被譽(yù)為固態(tài)光源、電力電子、微波射頻器件的“核芯”，是光電子和微電子等產(chǎn)業(yè)的“新發(fā)動(dòng)機(jī)”。

    此外，第三代半導(dǎo)體材料還具有廣泛的基礎(chǔ)性和重要的引領(lǐng)性。從目前第三代半導(dǎo)體材料和器件的研究來(lái)看，較為成熟的是氮化鎵（GaN）和碳化硅（SiC）半導(dǎo)體材料，也是最具有發(fā)展前景的兩種材料。

    從應(yīng)用范圍來(lái)說(shuō)，第三代半導(dǎo)體領(lǐng)域還具有學(xué)科交叉性強(qiáng)、應(yīng)用領(lǐng)域廣、產(chǎn)業(yè)關(guān)聯(lián)性大等特點(diǎn)。在半導(dǎo)體照明、新一代移動(dòng)通信、智能電網(wǎng)、高速軌道交通、新能源汽車(chē)、消費(fèi)類(lèi)電子等領(lǐng)域擁有廣闊的應(yīng)用前景，是支撐信息、能源、交通、國(guó)防等產(chǎn)業(yè)發(fā)展的重點(diǎn)新材料。

    •GaN、SiC能過(guò)夠大幅提升電子器件的高壓、高頻、高功率的工作特性，在軍事、新能源、電動(dòng)汽車(chē)等領(lǐng)域具有非常大的應(yīng)用前景。

    •GaN：氮化鎵（GaN）是極其穩(wěn)定的化合物，又是堅(jiān)硬和高熔點(diǎn)材料，熔點(diǎn)為1700℃。GaN具有高的電離度，在三五族化合物中是最高的（0.5或0.43）。在大氣壓下，GaN晶體一般是六方纖鋅礦結(jié)構(gòu)，因?yàn)槠溆捕却?，所以它又是一種良好的涂層保護(hù)材料。GaN具有出色的擊穿能力、更高的電子密度和電子速度以及更高的工作溫度。目前主要用于功率器件領(lǐng)域，未來(lái)在高頻通信領(lǐng)域也將有極大應(yīng)用潛力。未來(lái)當(dāng)5G標(biāo)準(zhǔn)頻率超過(guò)40GHz，砷化鎵將無(wú)法負(fù)荷，必須采用氮化鎵。

    •SiC：碳化硅（SiC）俗稱金剛砂，為硅與碳相鍵結(jié)而成的陶瓷狀化合物，碳化硅在大自然以莫桑石這種稀罕的礦物的形式存在。自1893年起碳化硅粉末被大量用作磨料。將碳化硅粉末燒結(jié)可得到堅(jiān)硬的陶瓷狀碳化硅顆粒，并可將之用于諸如汽車(chē)剎車(chē)片、離合器和防彈背心等需要高耐用度的材料中，在諸如發(fā)光二極管、早期的無(wú)線電探測(cè)器之類(lèi)的電子器件制造中也有使用。如今碳化硅被廣泛用于制造高溫、高壓半導(dǎo)體。通過(guò)Lely法能生長(zhǎng)出大塊的碳化硅單晶。
目前主要用于高溫、高頻、高效能的大功率元件，具備耐高溫、耐腐蝕、熱穩(wěn)定性好等優(yōu)勢(shì)。

    GaN、SiC適用于高功率和高頻率的應(yīng)用場(chǎng)景

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    1、電力電子領(lǐng)域

    SiC、GaN的電力電子器件市場(chǎng)在2016年正式形成。初步估計(jì)，2016年SiC電力電子市場(chǎng)規(guī)模在2.1億-2.4億美元之間，而GaN電力電子市場(chǎng)規(guī)模約在2000萬(wàn)-3000萬(wàn)美元之間，兩者合計(jì)達(dá)2.3億-2.7億美元。2016年全球功率半導(dǎo)體銷(xiāo)售金額約124億美元，意味著第三代半導(dǎo)體功率器件2016年的市場(chǎng)占有率已經(jīng)達(dá)到2%左右。

    2015-2021年碳化硅（SIC）器件市場(chǎng)規(guī)模走勢(shì)預(yù)測(cè)

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    SiC、GaN在功率電子市場(chǎng)的前景看好。智研咨詢發(fā)布的《2020-2026年中國(guó)半導(dǎo)體材料行業(yè)市場(chǎng)前景規(guī)劃及銷(xiāo)售渠道分析報(bào)告》顯示：22021年全球SiC市場(chǎng)規(guī)模將上漲到5.5億美元，2016-2021年的復(fù)合年增長(zhǎng)率（CAGR）將達(dá)到19%。而Yole同時(shí)預(yù)測(cè)，GaN功率器件在未來(lái)五年（2016-2021年）復(fù)合年增率將達(dá)到86%，市場(chǎng)將在2021年達(dá)到3億美元。當(dāng)然，SiC、GaN替代Si產(chǎn)品仍然為時(shí)甚早。預(yù)計(jì)至2024年，第三代半導(dǎo)體功率電子的滲透率將達(dá)到13%，而Si產(chǎn)品仍將占據(jù)剩下的87%的市場(chǎng)份額。

    硅材料在未來(lái)十年的技術(shù)革新下，將維持主流半導(dǎo)體材料的地位，朝向硅自主材料和硅襯底化合物兩條路經(jīng)發(fā)展。

    即使在5G/IoT/AI等技術(shù)導(dǎo)入下，硅襯底的化合物材料也能滿足射頻芯片、功率器件對(duì)高頻、高壓、高功率的的需求，而且更具有經(jīng)濟(jì)效益；

    •在目前的電子產(chǎn)品應(yīng)用中，僅有軍工、安防、航天等少部分需要超高規(guī)格的應(yīng)用領(lǐng)域，才需采用化合物單晶材料。

    硅材料依然為主流半導(dǎo)體材料

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    GaN-on-Si硅基氮化鎵為主要GaN應(yīng)用方式

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    2、波射頻領(lǐng)域

    據(jù)預(yù)測(cè)，2016-2020年GaN射頻器件市場(chǎng)將擴(kuò)大至目前的2倍，市場(chǎng)復(fù)合年增長(zhǎng)率（CAGR）將達(dá)到4%；2020年末，市場(chǎng)規(guī)模將擴(kuò)大至目前的2.5倍。2015年，受益于中國(guó)LTE（4G）網(wǎng)絡(luò)的大規(guī)模應(yīng)用，帶來(lái)無(wú)線基礎(chǔ)設(shè)施市場(chǎng)的大幅增長(zhǎng)，有力地刺激了GaN微波射頻產(chǎn)業(yè)。2015年末，整個(gè)GaN射頻市場(chǎng)規(guī)模接近3億美元。2017-2018年，在無(wú)線基礎(chǔ)設(shè)施及國(guó)防應(yīng)用市場(chǎng)需求增長(zhǎng)的推動(dòng)下，GaN市場(chǎng)會(huì)進(jìn)一步放大，但增速會(huì)較2015年有所放緩。2019-2020年，5G網(wǎng)絡(luò)的實(shí)施將接棒推動(dòng)GaN市場(chǎng)增長(zhǎng)。未來(lái)10年，GaN市場(chǎng)將有望超過(guò)30億美元。

    GaN在射頻芯片的應(yīng)用占比上升

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    3、光電領(lǐng)域

    隨著技術(shù)進(jìn)步，半導(dǎo)體照明的應(yīng)用領(lǐng)域不斷拓寬，市場(chǎng)規(guī)模不斷增長(zhǎng)。2015年，LED器件營(yíng)收約147億美元，預(yù)計(jì)2016年約152億美元；2020年超過(guò)180億美元。LED器件照明應(yīng)用仍是主流應(yīng)用，約占30%以上，并穩(wěn)步增長(zhǎng)；LED在汽車(chē)以及農(nóng)業(yè)等應(yīng)用逐年擴(kuò)大。

    近年來(lái)，LED照明產(chǎn)品的市場(chǎng)滲透率快速增長(zhǎng)，特別是在新增銷(xiāo)售量的滲透率有較快增長(zhǎng)，但在已安裝市場(chǎng)上，由于基數(shù)龐大，LED目前的（在用量）市場(chǎng)滲透率仍不高。2015年全球LED燈安裝數(shù)量在整體照明產(chǎn)品在用量中的滲透率僅為6%，預(yù)計(jì)2022年將接近40%，LED全球照明市場(chǎng)仍具較大增長(zhǎng)潛力。

    2015-2020年全球LED器件市場(chǎng)規(guī)模走勢(shì)預(yù)測(cè)

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    二、我國(guó)第三代半導(dǎo)體材料發(fā)展面臨的機(jī)遇挑戰(zhàn)

    在巨大優(yōu)勢(shì)和光明前景的刺激下，目前全球各國(guó)均在加大馬力布局第三代半導(dǎo)體領(lǐng)域，但我國(guó)在寬禁帶半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)化方面進(jìn)度還比較緩慢，寬禁帶半導(dǎo)體技術(shù)亟待突破。近日，投資50億元的聚力成半導(dǎo)體（重慶）有限公司奠基，該項(xiàng)目有望突破我國(guó)第三代半導(dǎo)體器件在關(guān)鍵材料和制作技術(shù)方面的瓶頸。

    我國(guó)原材料的質(zhì)量、制備問(wèn)題亟待破解。此外，湖南大學(xué)應(yīng)用物理系副教授曾健平也表示，目前我國(guó)對(duì)SiC晶元的制備尚為空缺，大多數(shù)設(shè)備靠國(guó)外進(jìn)口。國(guó)內(nèi)開(kāi)展SiC、GaN材料和器件方面的研究工作比較晚，與國(guó)外相比水平較低，阻礙國(guó)內(nèi)第三代半導(dǎo)體研究進(jìn)展的重要因素是原始創(chuàng)新問(wèn)題。國(guó)內(nèi)新材料領(lǐng)域的科研院所和相關(guān)生產(chǎn)企業(yè)大都急功近利，難以容忍長(zhǎng)期“只投入，不產(chǎn)出”的現(xiàn)狀。

    原始創(chuàng)新即從無(wú)到有的創(chuàng)新過(guò)程，其特點(diǎn)是投入大、周期長(zhǎng)。以SiC為例，其具有寬的禁帶寬度、高的擊穿電場(chǎng)、高的熱導(dǎo)率、高的電子飽和速率及更高的抗輻射能力，非常適合于制作高溫、高頻、抗輻射及大功率器件。然而生長(zhǎng)SiC晶體難度很大，雖然經(jīng)過(guò)了數(shù)十年的研究發(fā)展，到目前為止仍只有美國(guó)的Cree公司、德國(guó)的SiCrystal公司和日本的新日鐵公司等少數(shù)幾家公司掌握了SiC的生長(zhǎng)技術(shù)，能夠生產(chǎn)出較好的產(chǎn)品，但離真正的大規(guī)模產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用也還有較大的距離。因此，以第三代半導(dǎo)體材料為代表的新材料原始創(chuàng)新舉步維艱，是實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化的一大桎梏。

    第三代半導(dǎo)體對(duì)國(guó)家未來(lái)產(chǎn)業(yè)會(huì)產(chǎn)生非常大的影響，其應(yīng)用技術(shù)的研究比較關(guān)鍵，若相關(guān)配套技術(shù)及產(chǎn)品跟不上，第三代半導(dǎo)體的材料及器件的作用和效率可能會(huì)發(fā)揮不好，所以要全產(chǎn)業(yè)鏈協(xié)同發(fā)展。

    當(dāng)前我國(guó)發(fā)展第三代半導(dǎo)體面臨的機(jī)遇非常好，因?yàn)檫^(guò)去十年，在半導(dǎo)體照明的驅(qū)動(dòng)下，氮化鎵無(wú)論是材料和器件成熟度都已經(jīng)大大提高，但第三代半導(dǎo)體在電力電子器件、射頻器件方面還有很長(zhǎng)的路要走，市場(chǎng)和產(chǎn)業(yè)剛剛啟動(dòng)，還面臨巨大挑戰(zhàn)，必須共同努力。