什麼是第三代半導體?包你能看懂!

作者/朱公子

第三代半導體

我估摸著只要是炒股或者是關注二級市場的朋友們，這幾天一定都沒少聽這詞兒，如果不是大盤這幾天實在是太慘了，估計炒作行情會比現在強勢的多得多。

那到底這所謂的第三代半導體，到底是個什麼玩意？值不值得炒？未來的邏輯在哪兒？

接下來，只要您能耐著性子好好看，我保證給它寫的人人都能整明白，這可比你天天盯著大盤有意思的多了！

一、為什麼稱之為第三代半導體？

1、重點詞

客官們就記住一個關鍵詞——材料，這就是前後三代半導體之間最大的區別。

2、每一代材料的簡述

第一代半導體材料：主要是指矽（Si）、鍺元素（Ge）半導體材料。

（300MM矽晶原片，用於製作集成電路）

興起時間：二十世紀五十年代。

代表材料：矽（Si）、鍺（Ge）元素半導體材料。

應用領域：集成電路、電子信息網絡工程、電腦、手機、電視、航空航天、各類軍事工程和迅速發展的新能源、矽光伏產業。

歷史意義：第一代半導體材料引發了以集成電路（IC）為核心的微電子領域迅速發展。

對於第一代半導體材料，簡單理解就是：最早用的是鍺，後來又從鍺變成了矽，並且幾乎完全取代。

原因在於：矽的產量相對較多，具備成本優勢。技術開發更加完善。

但是，到了40納米以下，鍺的應用又出現了，因為鍺矽通道可以讓電子流速更快。現在用的鍺矽在特殊的通道材料裡會用到，將來會涉及到碳的應用，下文會詳細講解。

第二代半導體材料：以砷化鎵（GaAs）、銻化銦（InSb）為代表，是4G時代的大部分通信設備的材料。

興起時間：20世紀九十年代以來,隨著移動通信的飛速發展、以光纖通信為基礎的信息高速公路和網際網路的興起,以砷化鎵、銻化銦為代表的第二代半導體材料開始嶄露頭角。

代表材料：如砷化鎵（GaAs）、銻化銦（InSb）；三元化合物半導體，如GaAsAl、GaAsP；還有一些固溶體半導體，如Ge-Si、GaAs-GaP；玻璃半導體（又稱非晶態半導體），如非晶矽、玻璃態氧化物半導體；有機半導體，如酞菁、酞菁銅、聚丙烯腈等。

應用領域：主要用於製作高速、高頻、大功率以及發光電子器件，是製作高性能微波、毫米波器件及發光器件的優良材料。

因信息高速公路和網際網路的興起，還被廣泛應用於衛星通訊、移動通訊、光通信和GPS導航等領域。

性能升級：以砷化鎵為例，相比於第一代半導體，砷化鎵具有高頻、抗輻射、耐高溫的特性。

總結：第二代是使用複合物的。也就是複合半導體材料，我們生活中常用的是砷化鎵、磷化銦這一類材料，可以用在功放領域，早期它們的速度比較快。

但是因為砷含劇毒！所以現在很多地方都禁止使用，砷化鎵的應用還只是局限在高速的功放功率領域。而磷化銦則可以用來做發光器件，比如說LED裡面都可以用到。

第三代半導體材料：以氮化鎵（GaN）、碳化矽（SiC）、氧化鋅（ZnO）、金剛石為四大代表，是5G時代的主要材料。

起源時間：M國早在1993年就已經研製出第一支氮化鎵的材料和器件。而我國最早的研究隊伍——中國科學院半導體研究所，在1995年也起步了該方面的研究。

重點：市場上從半年前炒氮化鎵的充電器時，市場的反應一直不夠強烈，那是因為當時第三代半導體還沒有被列入國家「十四五」這個層級的戰略部署上，所以單憑氮化鎵這一個概念，是不足以支撐整個市場邏輯的！

發展現狀：在5G通信、新能源汽車、光伏逆變器等應用需求的明確牽引下，目前，應用領域的頭部企業已開始使用第三代半導體技術，也進一步提振了行業信心和堅定對第三代半導體技術路線的投資。

性能升級：專業名詞咱們就不贅述了，通俗的說，到了第三代半導體材料這兒，更好的化合物出現了，性能優勢就在於耐高壓、耐高溫、大功率、抗輻射、導電性能更強、工作速度更快、工作損耗更低。

有一點我覺得需要單獨提一下：碳化矽與氮化鎵相比較，碳化矽的發展更早一些，技術成熟度也更高一些；兩者有一個很大的區別是熱導率：在高功率應用中，碳化矽佔據統治地位；氮化鎵具有更高的電子遷移率，因而能夠比碳化矽具有更高的開關速度，所以在高頻率應用領域，氮化鎵具備優勢。

第三代半導體的應用

咱們重點說一說碳化矽。碳化矽在民用領域應用非常廣泛：其中電動汽車、消費電子、新能源、軌道交通等領域的直流、交流輸變電、溫度檢測控制等。

咱先舉兩個典型的例子：

1.2015年，豐田汽車運用碳化矽MOSFET的凱美瑞試驗車，逆變器開關損耗降低30%。

2.2016年，三菱電機在逆變器上用到了碳化矽，開發出了全世界最小馬達。

而其他軍用領域上，碳化矽更是廣泛用於噴氣發動機、坦克發動機、艦艇發動機、風洞、太空飛行器外殼的溫度、壓力測試等。

為什麼我說要重點說說碳化矽呢？因為半導體產業的基石正是晶片，而碳化矽，正因為它優越的物理性能，一定是將來最被廣泛使用在製作半導體晶片上的基礎材料！

優越的物理性能：高禁帶寬度（對應高擊穿電場和高功率密度）、高電導率、高熱導率。而且，碳化矽MOSFET將與矽基IGBT長期共存，他們更適合應用在高功率和高頻高速領域。

這裡穿插了一個陌生詞彙：「禁帶寬度」，這到底是神馬東西？

這玩意如果解釋起來，又得引申出如「能帶」、「導帶」等一系列的概念，如果不是真的喜歡，我覺得大家也沒必要非去研究這些，單說在第三代半導體行業板塊中，能知道這一個詞，您已經跑贏90%以上的小散了。

客觀們就主要記住一個知識點吧：對於第三代半導體材料，越高的禁帶寬度越有優勢。

主要形式：「襯底」。半導體晶片又分為：集成電路和分立器件。但不論是集成電路還是分立器件，其基本結構都可劃分為「襯底 -外延-器件」結構，而碳化矽在半導體中存在的主要形式是作為襯底材料。

（碳化矽晶片產業鏈）

生產工藝流程：

原料合成——晶體生長——晶錠加工——晶體切割——晶片研磨——晶片拋光——晶片檢測——晶片清洗

總結：晶片尺寸越大，對應晶體的生長與加工技術難度越大，而下遊器件的製造效率越高、單位成本越低。目前國際碳化矽晶片廠商主要提供4英寸至6英寸碳化矽晶片，CREE、II-VI等國際龍頭企業已開始投資建設8英寸碳化矽晶片生產線。

應用方向：科普完知識、講完生產製造，最終還是要看這玩意兒怎麼用，倆個關鍵詞：功率器件、射頻器件。

功率器件：最重要的下遊應用就是——新能源汽車！

現有技術方案：每輛新能源汽車使用的功率器件價值約700美元到1000美元。隨著新能源汽車的發展，對功率器件需求量日益增加，成為功率半導體器件新的增長點。

新能源汽車系統架構中，涉及到功率器件包括——電機驅動系統、車載充電系統（OBC）、電源轉換系統（車載DC/DC）和非車載充電樁。碳化矽功率器件應用於電機驅動系統中的主逆變器。

另外還應用領域也包括——光伏發電、軌道交通、智能電網、風力發電、工業電源及航空航天等領域。

射頻器件：最重要的下遊應用就是——5G基站！

微波射頻器件，主要包括——射頻開關、LNA、功率放大器、濾波器。5G基站則是射頻器件的主要應用方向。

未來規模：5G時代的到來，將為射頻器件帶來新的增長動力！2025年全球射頻器件市場將超過250億美元。目前我國在5G建設全球領先，這也是對岸金毛現在狗急跳牆的原因。

我國未來計劃建設360萬臺-492萬臺5G宏基站，而這個規模是4G宏基站的1.1-1.5倍。當前我國已經建設的5G宏基站約為40萬臺，未來仍有非常大的成長空間。

半導體行業的核心

我相信很多客官一定有這樣的疑問：晶片、半導體、集成電路，有什麼區別？

1.半導體：

從材料方面說，教科書上是這麼描述的：Semiconductor，是常溫下導電性能介於導體與絕緣體之間的一類材料；

按功能結構區分，半導體行業可分為：集成電路（核心）、分立器件、光電器件及傳感器四大類。

2.集成電路（IC， integrated circuit）：

最經典的定義就是：將電晶體、二極體等等有源元件、電阻器、電容器等無源元件，按照一定的電路互聯，「集成」在一塊半導體單晶片上，從而完成特定的電路或者系統功能。

3.晶片：

半導體元件產品的統稱，是指內含集成電路的矽片，是集成電路的載體，由晶圓分割而成。矽片是一塊很小的矽，內含集成電路，它是計算機或者其他電子設備的一部分。

為什麼說集成電路，是半導體行業的核心？那是因為集成電路的銷售比重，基本保持在半導體銷售額的80%。

比如，2018年全球4700億美元的半導體銷售額中，集成電路共計3900億美元，佔比達84%。

第三代半導體的未來方向

中國半導體業進入IDM模式是大勢所趨，其長久可持續性我非常認可。但是講到IDM，又有一堆非常容易混淆的概念，篇幅實在是太長了，咱們就不再拆分來講了，你只要知道IDM最牛逼就完事了！

IDM：直譯：Integrated Design and Manufacture，垂直整合製造。

1.IDM企業：IDM商業模式，就是國際整合元件製造商模式。其廠商的經營範圍涵蓋了IC設計、IC製造、封裝測試等各個環節，甚至也會延伸到下遊電子終端。典型廠商：Intel、三星、TI（德州儀器）、東芝、ST（意法半導體）等。

2.IDM模式優勢：

（1）IDM模式的企業，內部有資源整合優勢，從IC設計到IC製造所需的時間較短。

（2）IDM企業利潤比較高。根據「微笑曲線」原理，最前端的產品設計、開發與最末端的品牌、營銷具有最高的利潤率，中間的製造、封裝測試環節利潤率較低。

（3）IDM企業具有技術優勢。大多數的IDM企業都有自己的IP（智慧財產權），技術開發能力比較強，具有技術領先優勢。

3.IDM重要性

IDM的重要性是不需要用邏輯去判斷的，全球集成電路市場的60%由IDM企業所掌握。比如三星電子、恩智浦、英飛凌、NXP等。

4.中國為什麼要發展IDM模式？

IDM模式的優勢：產業鏈內部直接整合、具備規模效應、有效縮短新產品上市時間、並將利潤點留在企業內部。

市場的自然選擇：此外，中國已成為全球最大的集成電路消費市場，並具有豐富的勞動力資源，對於發展自有品牌的IDM具有市場優勢和成本優勢。

現在，無論是被M國的封鎖倒逼出來，還是我們自主的選擇，我們都必須開拓出一條中國IDM發展之路！

現狀：目前國內現有的所謂IDM，其製造工藝水平和設計能力相當低，比較集中在功率半導體，產品應用面較窄，規模做不大。我知道，這些事實說出來挺讓人沮喪的，但這就是事實。

但正因為我們目前處在相對落後的階段，才更加需要埋頭苦幹、咬牙追趕，然後一舉拿下！

本來寫這篇文章的時候不想說股的，但還是提幾隻吧，也算是給咱們國家的半導體事業做一點點微小的貢獻。

射頻類相關優質標的：卓勝微、中天科技、和而泰、麥捷科技；

IDM相關優質標的：中環股份、上海貝嶺、長電科技。

關注、點讚+在看，求求你們了！

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