近日科技部高新司在北京組織召開“十二五”期間863計劃重點支持的“第三代半導體器件制備及評價技術(shù)”項目驗收會。通過項目的實施，我國在第三代半導體關(guān)鍵的碳化硅和氮化鎵材料、功率器件、高性能封裝以及可見光通信等領(lǐng)域取得突破。

中國開展SiC、GaN材料和器件方面的研究工作比較晚，與國外相比水平較低，阻礙國內(nèi)第三代半導體研究進展的重要因素是原始創(chuàng)新問題。隨著國家對第三代半導體材料的重視，近年來，我國半導體材料市場發(fā)展迅速。其中以碳化硅與氮化鎵為主的材料備受關(guān)注。我們認為，該項目取得的進展，顯示出我國在半導體前沿材料的研究方面取得了突破進展，有助于支撐我國在節(jié)能減排、現(xiàn)代信息工程、現(xiàn)代國防建設(shè)上的重大需求。

近年來，國家和各地方政府陸續(xù)推出政策和產(chǎn)業(yè)扶持基金發(fā)展第三代半導體相關(guān)產(chǎn)業(yè)：地方政策在2016年大量出臺，福建、廣東、江蘇、北京、青海等27個地區(qū)出臺第三代半導體相關(guān)政策（不包括LED）近30條。

考慮到當前國內(nèi)的半導體產(chǎn)業(yè)投資基本上進入了國家主導的投資階段，2014年大基金的成立開啟了一輪國內(nèi)投資半導體的熱潮，無論是政府資金，還是產(chǎn)業(yè)資本都紛紛進入這個領(lǐng)域。隨著碳化硅和氮化鎵材料研發(fā)取得進展，我們預(yù)期，第二期大基金的布局焦點應(yīng)該會向上游的原材料和設(shè)備傾斜更多的資源，尤其是涉及第三代半導體材料氮化鎵和碳化硅這樣的上游材料公司有機會受到資金青睞。

第三代半導體是何方神圣？

相比第1代與第2代半導體材料,第3代半導體材料是具有較大禁帶寬度（禁帶寬度>2.2eV）的半導體材料。第3代半導體主要包括碳化硅（SiC）、氮化鋁（AlN）、氮化鎵（GaN）、金剛石、氧化鋅（ZnO），其中，發(fā)展較為成熟的是SiC和GaN。第3代半導體材料在導熱率、抗輻射能力、擊穿電場、電子飽和速率等方面優(yōu)點突出，因此更使用于高溫、高頻、抗輻射的場合。

半導體材料是制作半導體器件和集成電路的電子材料。1958年，世界上第一塊集成電路在美國誕生，由此開啟了芯片時代。1965年，中國獨立研制出第一塊集成電路。

1958年以后，半導體材料逐漸走上了升級之路。第一代半導體材料是以硅和鍺為代表的元素半導體，用于電子器件。第二代半導體材料是以砷化鎵、磷化銦為代表的化合物半導體材料。與第一代半導體材料相比，它能夠發(fā)光，但只是紅光波長以上的光。以氮化鎵、碳化硅為代表的第三代半導體材料，發(fā)光波長幾乎涵蓋所有可見光，因而其應(yīng)用領(lǐng)域十分廣闊。紅綠藍三基色能調(diào)配出任何一種顏色。第三代半導體材料發(fā)出的藍光是調(diào)出白光LED的基礎(chǔ)。

第三代半導體材料現(xiàn)在和將來能改變生活的方面主要集中在三大領(lǐng)域。

一是發(fā)光。它能做成LED（發(fā)光二極管）。用于顯示如手機屏、電視屏、大型顯示屏等，亦可用于照明，如電燈、路燈、汽車前燈等。近年來，國內(nèi)LED行業(yè)發(fā)展非常迅速，占據(jù)了大部分的顯示市場；同時，很多照明領(lǐng)域都在逐步被LED照明所替代。盛況認為，我國在這一領(lǐng)域的發(fā)展是很成功的。

二是通訊。人們對它的預(yù)期前景是5G，即第五代移動通信網(wǎng)絡(luò)。其中基站用的射頻功放管器件，僅華為和中興通訊每年的采購量近億只，采購金額超過100億元。目前基本依賴進口。實現(xiàn)以GaN（氮化鎵）射頻功放管器件為代表的核心器件國產(chǎn)化，將對我國在未來5G通信競爭中打破受制于人的局面具有重要的意義。

三是電能變換。電能變換的應(yīng)用領(lǐng)域非常廣，所有用電的裝備、設(shè)施，幾乎都要用電能變換的半導體器件對電能進行控制、管理和變換。

電能變換的用途量大面廣。盛況向記者舉例，軌道交通、新能源汽車、光伏和風電的并網(wǎng)，以及消費類電子中的變頻空調(diào)、冰箱、手機充電器、電腦電源等都需要半導體器件。如果第三代半導體材料能替代現(xiàn)在第二代半導體材料，能使半導體器件的功率更大、效率更高、體積更小。

美國工程院院士Fred C.LEE曾表示數(shù)據(jù)中心未來將帶來大量的能耗，如果采用第三代半導體的電力電子器件并從結(jié)構(gòu)上整體優(yōu)化，能將效率由原來的73%提升到87%。相當于節(jié)省3.5個三峽的發(fā)電量。

碳化硅和氮化鎵都可以做電力電子器件?；谶@兩種材料的器件發(fā)展各有各的難度。碳化硅器件的研究時間更長，技術(shù)更成熟，在產(chǎn)業(yè)化和市場化比氮化鎵器件走得遠一些。目前一些先進的汽車廠商已經(jīng)在開始用碳化硅器件，比如特斯拉。盡管手機充電器尚未大量使用氮化鎵器件。相信在不遠的將來，手機充電器可能會具備快充和高功率密度兩大特點。在這個領(lǐng)域，氮化鎵的用途可能會更明顯。

第三代半導體性能及應(yīng)用

半導體產(chǎn)業(yè)發(fā)展至今經(jīng)歷了三個階段，第一代半導體材料以硅（Si）為代表。第二代半導體材料砷化鎵（GaAs）也已經(jīng)廣泛應(yīng)用。而以氮化鎵（GaN）和碳化硅（SiC）、氧化鋅（ZnO）等寬禁帶為代表的第三代半導體材料，相較前兩代產(chǎn)品，性能優(yōu)勢顯著并受到業(yè)內(nèi)的廣泛好評。第三代半導體具有高擊穿電場、高飽和電子速度、高熱導率、高電子密度、高遷移率等特點，因此也被業(yè)內(nèi)譽為固態(tài)光源、電力電子、微波射頻器件的“核芯”以及光電子和微電子等產(chǎn)業(yè)的“新發(fā)動機”。發(fā)展較好的寬禁帶半導體主要是SiC和GaN，其中SiC的發(fā)展更早一些。SiC、GaN、Si以及GaAs的一些參數(shù)如下圖所示：

可見，SiC和GaN的禁帶寬度遠大于Si和GaAs，相應(yīng)的本征載流子濃度小于Si和GaAs，寬禁帶半導體的最高工作溫度要高于第一、第二代半導體材料。擊穿場強和飽和熱導率也遠大于Si和GaAs。以SiC為例，其具有寬的禁帶寬度、高的擊穿電場、高的熱導率、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。

產(chǎn)品被市場所接受，價格和性能是最主要的考慮因素。SiC的性能毋庸置疑，但成本還是比硅產(chǎn)品高，在相同特性、相同電壓、相同使用條件的情況下，大約會比硅產(chǎn)品貴5~6倍，因此，現(xiàn)階段只能從要求高性能、且對價格不是很敏感的應(yīng)用開始來取代硅產(chǎn)品，例如汽車、汽車充電樁、太陽能等。要取代硅制產(chǎn)品，SiC還是有很大的發(fā)展空間的。當SiC的成本能降到硅的2~3倍的時候，應(yīng)該會形成很大的市場規(guī)模。到2020年，EV汽車大規(guī)模推出的時候，SiC市場會有爆發(fā)式的增長。

在應(yīng)用方面，根據(jù)第三代半導體的發(fā)展情況，其主要應(yīng)用為半導體照明、電力電子器件、激光器和探測器、以及其他4個領(lǐng)域，每個領(lǐng)域產(chǎn)業(yè)成熟度各不相同，如下圖所示。在前沿研究領(lǐng)域，寬禁帶半導體還處于實驗室研發(fā)階段。

下面，我們重點關(guān)注一下其在功率管理方面的應(yīng)用情況。許多公司開始研發(fā)SiC MOSFET，領(lǐng)先企業(yè)包括包括英飛凌（Infineon）、科銳（Cree）旗下的Wolfspeed、羅姆（ROHM）、意法半導體（STMicroelctronics）、三菱和通用電氣等。與此相反，進入GaN市場中的玩家較少，起步較晚。

SiC和GaN商業(yè)化功率器件發(fā)展歷程

SiC的電力電子器件市場在2016年正式形成，市場規(guī)模約在2.1億~2.4億美金之間。而據(jù)Yole最新預(yù)測，SiC市場規(guī)模在2021年將上漲到5.5億美金，這期間的復合年均增長率預(yù)計將達19%。目前，全球有超過30家公司在電力電子領(lǐng)域擁有SiC、GaN相關(guān)產(chǎn)品的生產(chǎn)、設(shè)計、制造和銷售能力。2016年SiC無論在襯底材料、器件還是在應(yīng)用方面，均有很大進展，已經(jīng)開發(fā)出耐壓水平超過20KV的IGBT樣片。

消耗大量二極管的功率因素校正（PFC）電源市場，仍將是SiC功率半導體最主要的應(yīng)用。緊隨PFC電源市場之后的應(yīng)用領(lǐng)域是光伏逆變器。目前，許多光伏逆變器制造商將SiC二極管和MOSFET應(yīng)用于他們的產(chǎn)品之中。SiC二極管的應(yīng)用能夠為光伏逆變器提供諸多性能優(yōu)勢，包括提高效率、降低尺寸和重量等。此外，SiC二極管能在一定功率范圍內(nèi)降低系統(tǒng)成本。

SiC器件市場發(fā)展趨勢

各國的SiC戰(zhàn)略

第三代半導體材料引發(fā)全球矚目，并成為半導體技術(shù)研究前沿和產(chǎn)業(yè)競爭焦點，美、日、歐等國都在積極進行戰(zhàn)略部署。作為電力電子器件，SiC器件在低壓領(lǐng)域如高端的白色家電、電動汽車等由于成本因素，逐漸失去了競爭力。但在高壓領(lǐng)域，如高速列車、風力發(fā)電以及智能電網(wǎng)等，SiC具有不可替代性的優(yōu)勢。

SiC材料與電力電子器件的發(fā)展

美國等發(fā)達國家為了搶占第三代半導體技術(shù)的戰(zhàn)略制高點，通過國家級創(chuàng)新中心、協(xié)同創(chuàng)新中心、聯(lián)合研發(fā)等形式，將企業(yè)、高校、研究機構(gòu)及相關(guān)政府部門等有機地聯(lián)合在一起，實現(xiàn)第三代半導體技術(shù)的加速進步，引領(lǐng)、加速并搶占全球第三代半導體市場。

例如，美國國家宇航局（NASA）、國防部先進研究計劃署（DARPA）等機構(gòu)通過研發(fā)資助、購買訂單等方式，開展SiC、GaN研發(fā)、生產(chǎn)與器件研制；韓國方面，在政府相關(guān)機構(gòu)主導下，重點圍繞高純SiC粉末制備、高純SiC多晶陶瓷、高質(zhì)量SiC單晶生長、高質(zhì)量SiC外延材料生長這4個方面，開展研發(fā)項目。在功率器件方面，韓國還啟動了功率電子的國家項目，重點圍繞Si基GaN和SiC。

美國等發(fā)達國家2016年第三代半導體材料相關(guān)部分政策措施如下圖所示：

資料來源：CASA整理

中國現(xiàn)狀

我國開展SiC、GaN材料和器件方面的研究工作比較晚，水平較低，阻礙國內(nèi)第三代半導體研究進展的重要因素是原始創(chuàng)新問題。國內(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，難以容忍長期“只投入，不產(chǎn)出”的現(xiàn)狀。因此，以第三代半導體材料為代表的新材料原始創(chuàng)新舉步維艱。

但與此同時政府也在積極推進，國家和各地方政府陸續(xù)推出政策和產(chǎn)業(yè)扶持基金發(fā)展第三代半導體相關(guān)產(chǎn)業(yè)：地方政策在2016年大量出臺，福建、廣東、江蘇、北京、青海等27個地區(qū)出臺第三代半導體相關(guān)政策（不包括LED）近30條。一方面多地均將第三代半導體寫入“十三五”相關(guān)規(guī)劃，另一方面不少地方政府有針對性對當?shù)鼐哂幸欢▋?yōu)勢的SiC和GaN材料企業(yè)進行扶持。福建省更是計劃投入500億，成立專門的安芯基金來建設(shè)第三代半導體產(chǎn)業(yè)集群。

我國多家半導體廠商也在積極布局SiC和GaN器件，華潤華晶微電子和華虹宏力就是其中的代表企業(yè)。曾經(jīng)距離收購仙童半導體那么近，可以看出華潤微電子在布局先進功率器件方面的決心和力度。華潤華晶微電子是華潤微電子旗下從事半導體分立器件的國家高新技術(shù)企業(yè)，在國內(nèi)，其功率器件的規(guī)模和品牌具有一定優(yōu)勢。華虹宏力則是業(yè)內(nèi)首個擁有深溝槽超級結(jié)（Deep Trench Super Junction，DT-SJ）及場截止型IGBT（Field Stop，F(xiàn)S IGBT）工藝平臺的200mm代工廠。中國企業(yè)已經(jīng)具備一定規(guī)模。