2020年第三代半导体材料应用领域及行业发展面临的机遇挑战分析[图]

    一、第三代半导体材料应用领域分析

    氮化镓（GaN）、碳化硅（SiC）为最成熟的第三代半导体材料又称宽禁带半导体材料（禁带宽度大于2.2ev），其余包括氧化锌、金刚石、氮化铝的研究还处于起步阶段。

    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2.2eV），亦被称为高温半导体材料。

    作为一类新型宽禁带半导体材料，第三代半导体材料在许多应用领域拥有前两代半导体材料无法比拟的优点：如具有高击穿电场、高饱和电子速度、高热导率、高电子密度、高迁移率等特点，可实现高压、高温、高频、高抗辐射能力，被誉为固态光源、电力电子、微波射频器件的“核芯”，是光电子和微电子等产业的“新发动机”。

    此外，第三代半导体材料还具有广泛的基础性和重要的引领性。从目前第三代半导体材料和器件的研究来看，较为成熟的是氮化镓（GaN）和碳化硅（SiC）半导体材料，也是最具有发展前景的两种材料。

    从应用范围来说，第三代半导体领域还具有学科交叉性强、应用领域广、产业关联性大等特点。在半导体照明、新一代移动通信、智能电网、高速轨道交通、新能源汽车、消费类电子等领域拥有广阔的应用前景，是支撑信息、能源、交通、国防等产业发展的重点新材料。

    •GaN、SiC能过够大幅提升电子器件的高压、高频、高功率的工作特性，在军事、新能源、电动汽车等领域具有非常大的应用前景。

    •GaN：氮化镓（GaN）是极其稳定的化合物，又是坚硬和高熔点材料，熔点为1700℃。GaN具有高的电离度，在三五族化合物中是最高的（0.5或0.43）。在大气压下，GaN晶体一般是六方纤锌矿结构，因为其硬度大，所以它又是一种良好的涂层保护材料。GaN具有出色的击穿能力、更高的电子密度和电子速度以及更高的工作温度。目前主要用于功率器件领域，未来在高频通信领域也将有极大应用潜力。未来当5G标准频率超过40GHz，砷化镓将无法负荷，必须采用氮化镓。

    •SiC：碳化硅（SiC）俗称金刚砂，为硅与碳相键结而成的陶瓷状化合物，碳化硅在大自然以莫桑石这种稀罕的矿物的形式存在。自1893年起碳化硅粉末被大量用作磨料。将碳化硅粉末烧结可得到坚硬的陶瓷状碳化硅颗粒，并可将之用于诸如汽车刹车片、离合器和防弹背心等需要高耐用度的材料中，在诸如发光二极管、早期的无线电探测器之类的电子器件制造中也有使用。如今碳化硅被广泛用于制造高温、高压半导体。通过Lely法能生长出大块的碳化硅单晶。
目前主要用于高温、高频、高效能的大功率元件，具备耐高温、耐腐蚀、热稳定性好等优势。

    GaN、SiC适用于高功率和高频率的应用场景

数据来源：公开资料整理

    1、电力电子领域

    SiC、GaN的电力电子器件市场在2016年正式形成。初步估计，2016年SiC电力电子市场规模在2.1亿-2.4亿美元之间，而GaN电力电子市场规模约在2000万-3000万美元之间，两者合计达2.3亿-2.7亿美元。2016年全球功率半导体销售金额约124亿美元，意味着第三代半导体功率器件2016年的市场占有率已经达到2%左右。

    2015-2021年碳化硅（SIC）器件市场规模走势预测

数据来源：公开资料整理

    SiC、GaN在功率电子市场的前景看好。智研咨询发布的《2020-2026年中国半导体材料行业市场前景规划及销售渠道分析报告》显示：22021年全球SiC市场规模将上涨到5.5亿美元，2016-2021年的复合年增长率（CAGR）将达到19%。而Yole同时预测，GaN功率器件在未来五年（2016-2021年）复合年增率将达到86%，市场将在2021年达到3亿美元。当然，SiC、GaN替代Si产品仍然为时甚早。预计至2024年，第三代半导体功率电子的渗透率将达到13%，而Si产品仍将占据剩下的87%的市场份额。

    硅材料在未来十年的技术革新下，将维持主流半导体材料的地位，朝向硅自主材料和硅衬底化合物两条路经发展。

    即使在5G/IoT/AI等技术导入下，硅衬底的化合物材料也能满足射频芯片、功率器件对高频、高压、高功率的的需求，而且更具有经济效益；

    •在目前的电子产品应用中，仅有军工、安防、航天等少部分需要超高规格的应用领域，才需采用化合物单晶材料。

    硅材料依然为主流半导体材料

数据来源：公开资料整理

    GaN-on-Si硅基氮化镓为主要GaN应用方式

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    2、波射频领域

    据预测，2016-2020年GaN射频器件市场将扩大至目前的2倍，市场复合年增长率（CAGR）将达到4%；2020年末，市场规模将扩大至目前的2.5倍。2015年，受益于中国LTE（4G）网络的大规模应用，带来无线基础设施市场的大幅增长，有力地刺激了GaN微波射频产业。2015年末，整个GaN射频市场规模接近3亿美元。2017-2018年，在无线基础设施及国防应用市场需求增长的推动下，GaN市场会进一步放大，但增速会较2015年有所放缓。2019-2020年，5G网络的实施将接棒推动GaN市场增长。未来10年，GaN市场将有望超过30亿美元。

    GaN在射频芯片的应用占比上升

数据来源：公开资料整理

    3、光电领域

    随着技术进步，半导体照明的应用领域不断拓宽，市场规模不断增长。2015年，LED器件营收约147亿美元，预计2016年约152亿美元；2020年超过180亿美元。LED器件照明应用仍是主流应用，约占30%以上，并稳步增长；LED在汽车以及农业等应用逐年扩大。

    近年来，LED照明产品的市场渗透率快速增长，特别是在新增销售量的渗透率有较快增长，但在已安装市场上，由于基数庞大，LED目前的（在用量）市场渗透率仍不高。2015年全球LED灯安装数量在整体照明产品在用量中的渗透率仅为6%，预计2022年将接近40%，LED全球照明市场仍具较大增长潜力。

    2015-2020年全球LED器件市场规模走势预测

数据来源：公开资料整理

    二、我国第三代半导体材料发展面临的机遇挑战

    在巨大优势和光明前景的刺激下，目前全球各国均在加大马力布局第三代半导体领域，但我国在宽禁带半导体产业化方面进度还比较缓慢，宽禁带半导体技术亟待突破。近日，投资50亿元的聚力成半导体（重庆）有限公司奠基，该项目有望突破我国第三代半导体器件在关键材料和制作技术方面的瓶颈。

    我国原材料的质量、制备问题亟待破解。此外，湖南大学应用物理系副教授曾健平也表示，目前我国对SiC晶元的制备尚为空缺，大多数设备靠国外进口。国内开展SiC、GaN材料和器件方面的研究工作比较晚，与国外相比水平较低，阻碍国内第三代半导体研究进展的重要因素是原始创新问题。国内新材料领域的科研院所和相关生产企业大都急功近利，难以容忍长期“只投入，不产出”的现状。

    原始创新即从无到有的创新过程，其特点是投入大、周期长。以SiC为例，其具有宽的禁带宽度、高的击穿电场、高的热导率、高的电子饱和速率及更高的抗辐射能力，非常适合于制作高温、高频、抗辐射及大功率器件。然而生长SiC晶体难度很大，虽然经过了数十年的研究发展，到目前为止仍只有美国的Cree公司、德国的SiCrystal公司和日本的新日铁公司等少数几家公司掌握了SiC的生长技术，能够生产出较好的产品，但离真正的大规模产业化应用也还有较大的距离。因此，以第三代半导体材料为代表的新材料原始创新举步维艰，是实现产业化的一大桎梏。

    第三代半导体对国家未来产业会产生非常大的影响，其应用技术的研究比较关键，若相关配套技术及产品跟不上，第三代半导体的材料及器件的作用和效率可能会发挥不好，所以要全产业链协同发展。

    当前我国发展第三代半导体面临的机遇非常好，因为过去十年，在半导体照明的驱动下，氮化镓无论是材料和器件成熟度都已经大大提高，但第三代半导体在电力电子器件、射频器件方面还有很长的路要走，市场和产业刚刚启动，还面临巨大挑战，必须共同努力。