第三代半導體發展研究

2020-11-06 飲鹿網


摘要：第三代半導體具備高頻、高效、高功率、耐高溫、抗輻射能力強等優越性能，是支撐新一代移動通信、新能源汽車、能源網際網路等產業自主創新發展和轉型升級的重點。賽智產業研究院課題組通過研究第三代半導體發展現狀，分析第三代半導體氮化鎵和碳化矽產業生態，以及第三代半導體光電子器件、射頻電子器件和電力電子器件三大應用領域。

關鍵詞：第三代半導體、集成電路、電子信息產業、碳化矽（SiC）、氮化鎵（GaN）

一、第三代半導體發展概述

第三代半導體主要是指以碳化矽（SiC）、氮化鎵（GaN）、氧化鋅（ZnO）為代表的寬禁帶半導體，第三代半導體具有寬禁帶、擊穿電廠高、熱導率高、電子飽和速率高、抗輻射能力強等優越性能，目前第三代半導體主要應用於半導體照明、電力電子器件、工業及商業電源、新能源汽車、微波射頻等行業。Si、GaAs、SiC和GaN的一些物理參數如下表所示：

表 1主要半導體材料物理參數

在國內市場環境偏緊和國際形勢緊張的大背景下，我國第三代半導體產業持續向前推進，2019年，我國第三代半導體整體產值超過7600億元。其中，光電子（主要為半導體照明）為7548億元，電力電子和微波射頻產值約為60億元。其中，SiC、GaN電力電子產值規模近24億元，同比增長超過80%；GaN微波射頻產值規模近38億元，同比增長近75%。

圖1 2019年我國SiC、GaN電力電子產業和微波射頻產業產值（單位：億元）

二、第三代半導體產業生態

在國家政策支持、市場需求驅動下，我國第三代半導體產業得到快速發展，已基本形成了涵蓋上遊襯底、外延片，中遊器件設計、器件製造及模塊，下遊應用等環節的產業鏈布局。

氮化鎵方面，我國襯底企業主要有東莞中稼半導體、蘇州納維科技、鎵特半導體等，外延片企業主要有晶湛半導體、聚能晶源、世紀金光、聚力成半導體等，器件設計方面有賽微電子，製造企業主要有海威華芯、廈門三安集成等，IDM企業主要有能訊高能半導體、能華微電子、英諾賽科、大連芯冠科技、華功半導體以及中電科十三所、中電科五十五所等。

圖2 氮化鎵產業生態

碳化矽方面，我國襯底企業主要有山東天嶽、天科合達、中科鋼研節能、世紀金光等，外延片企業主要有瀚天天成、天域半導體、世紀金光等，器件製造方面有廈門三安集成、海威華芯等，IDM企業主要有泰科天潤、中車時代、世紀金光、芯光潤澤以及中電科十三所、中電科五十五所等。

圖3 碳化矽產業生態

三、第三代半導體應用領域

第三代半導體主要應用在光電子器件、射頻電子器件和電力電子器件三個領域。

圖4 第三代半導體應用三大領域

（一）光電子器件：半導體照明、雷射器等將持續平穩增長

半導體照明使用的材料體系主要包括藍寶石基GaN、SiC基GaN、Si基GaN三種，每種材料體系的產品都對應不同的應用。其中，藍寶石基GaN是最常用的，也是最為成熟的材料體系，大部分LED照明都是通過這種材料體系製造的。SiC基GaN製造成本較高，但由於散熱較好，非常適合製造低能耗、大功率照明器件。Si基GaN是3種材料體系中製造成本最低的，適用於低成本顯示。我國LED照明產品國內市場滲透率即LED照明產品國內銷售數量與照明產品國內總銷售數量之比不斷上升，2019年達到78%。

圖5 我國LED照明產品國內市場滲透率

（二）射頻電子器件：5G通信基站、雷達等推動GaN射頻市場需求不斷增大

微波射頻器件是實現信號發送和接收的基礎部件，主要包括射頻開關、LNA、功率放大器、濾波器等器件，其中，功率放大器是放大射頻信號的器件，直接決定移動終端和基站的無線通信距離、信號質量等關鍵參數。隨著5G對射頻功率、耗能要求的提升，半絕緣型碳化矽晶片的需求量也將大幅增長，5G射頻領域將逐漸用氮化鎵取代矽基材料。國防軍事與航天發展將推動我國GaN市場規模不斷擴大，氮化鎵已經大量運用於相控陣雷達、電子對抗戰、精確制導等場景。

（三）電力電子器件：新能源汽車、消費電子及工商業電源應用高速增長

新能源汽車和充電樁市場是碳化矽功率器件市場增長的重要動力。受5G浪潮、新基建等宏觀因素影響，碳化矽將實現規模化應用。新能源汽車是碳化矽的主要應用領域，主要應用包括電機驅動器、車載充電器（OBC）/非車載充電樁、電源轉換系統（車載DC/DC）等。隨著新能源汽車的發展，對功率半導體器件的需求量將會日益增加，根據Yole數據，碳化矽功率器件市場規模將從2019年的4.8億美金到2030年100億美金，即10年增長20倍。目前，市場上銷售的新能源汽車所搭載的功率半導體多數為矽基器件，如矽基IGBT和矽基MOSFET，隨著技術和產品的成熟，第三代半導體將逐步替代大部分矽基產品。

表2 第三代半導體在新能源汽車的應用情況

第三代半導體將在光伏領域廣泛應用。在光伏發電應用中，基於矽基器件的傳統逆變器成本約佔系統10%左右，卻是系統能量損耗的主要來源之一。受太陽能模組的下遊需求驅動，碳化矽和氮化鎵將引領太陽能逆變器隔離器市場在2020年達到14億美元，高效、高功率密度、高可靠和低成本是光伏逆變器的未來發展趨勢。在組串式和集中式光伏逆變器中，碳化矽產品預計會逐漸替代矽基器件。

氮化鎵將加速開啟快充市場。氮化鎵電力電子器件具有更高的功率密度，採用GaN的充電器體積小、重量輕、轉換效率高、發熱低、安全性強，較普通充電器有顯著優勢。據Gartner數據，全球智能設備年均新增出貨量超20 億臺，隨著GaN在該市場滲透提速，未來幾年快充市場將成為GaN電力電子器件最大的推動力。

註：本文摘自賽智時代大數據課題組魏貝、周振松完成的研究報告，詳細內容請點擊飲鹿網產業報告欄目閱讀。

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