2020年第三代半導體材料應用領域及行業(yè)發(fā)展面臨的機遇挑戰(zhàn)分析[圖]

    一、第三代半導體材料應用領域分析

    氮化鎵（GaN）、碳化硅（SiC）為最成熟的第三代半導體材料又稱寬禁帶半導體材料（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。

    與第一二代半導體材料相比，第三代半導體材料具有更寬的禁帶寬度、更高的擊穿電場、更高的熱導率、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體材料（禁帶寬度大于2.2eV），亦被稱為高溫半導體材料。

    作為一類新型寬禁帶半導體材料，第三代半導體材料在許多應用領域擁有前兩代半導體材料無法比擬的優(yōu)點：如具有高擊穿電場、高飽和電子速度、高熱導率、高電子密度、高遷移率等特點，可實現高壓、高溫、高頻、高抗輻射能力，被譽為固態(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業(yè)的“新發(fā)動機”。

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

    從應用范圍來說，第三代半導體領域還具有學科交叉性強、應用領域廣、產業(yè)關聯性大等特點。在半導體照明、新一代移動通信、智能電網、高速軌道交通、新能源汽車、消費類電子等領域擁有廣闊的應用前景，是支撐信息、能源、交通、國防等產業(yè)發(fā)展的重點新材料。

    •GaN、SiC能過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、電動汽車等領域具有非常大的應用前景。

    •GaN：氮化鎵（GaN）是極其穩(wěn)定的化合物，又是堅硬和高熔點材料，熔點為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構，因為其硬度大，所以它又是一種良好的涂層保護材料。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域，未來在高頻通信領域也將有極大應用潛力。未來當5G標準頻率超過40GHz，砷化鎵將無法負荷，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。將碳化硅粉末燒結可得到堅硬的陶瓷狀碳化硅顆粒，并可將之用于諸如汽車剎車片、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、早期的無線電探測器之類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、高壓半導體。通過Lely法能生長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。

    GaN、SiC適用于高功率和高頻率的應用場景

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    1、電力電子領域

    SiC、GaN的電力電子器件市場在2016年正式形成。初步估計，2016年SiC電力電子市場規(guī)模在2.1億-2.4億美元之間，而GaN電力電子市場規(guī)模約在2000萬-3000萬美元之間，兩者合計達2.3億-2.7億美元。2016年全球功率半導體銷售金額約124億美元，意味著第三代半導體功率器件2016年的市場占有率已經達到2%左右。

    2015-2021年碳化硅（SIC）器件市場規(guī)模走勢預測

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    SiC、GaN在功率電子市場的前景看好。智研咨詢發(fā)布的《2020-2026年中國半導體材料行業(yè)市場前景規(guī)劃及銷售渠道分析報告》顯示：22021年全球SiC市場規(guī)模將上漲到5.5億美元，2016-2021年的復合年增長率（CAGR）將達到19%。而Yole同時預測，GaN功率器件在未來五年（2016-2021年）復合年增率將達到86%，市場將在2021年達到3億美元。當然，SiC、GaN替代Si產品仍然為時甚早。預計至2024年，第三代半導體功率電子的滲透率將達到13%，而Si產品仍將占據剩下的87%的市場份額。

    硅材料在未來十年的技術革新下，將維持主流半導體材料的地位，朝向硅自主材料和硅襯底化合物兩條路經發(fā)展。

    即使在5G/IoT/AI等技術導入下，硅襯底的化合物材料也能滿足射頻芯片、功率器件對高頻、高壓、高功率的的需求，而且更具有經濟效益；

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

    硅材料依然為主流半導體材料

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    GaN-on-Si硅基氮化鎵為主要GaN應用方式

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    2、波射頻領域

    據預測，2016-2020年GaN射頻器件市場將擴大至目前的2倍，市場復合年增長率（CAGR）將達到4%；2020年末，市場規(guī)模將擴大至目前的2.5倍。2015年，受益于中國LTE（4G）網絡的大規(guī)模應用，帶來無線基礎設施市場的大幅增長，有力地刺激了GaN微波射頻產業(yè)。2015年末，整個GaN射頻市場規(guī)模接近3億美元。2017-2018年，在無線基礎設施及國防應用市場需求增長的推動下，GaN市場會進一步放大，但增速會較2015年有所放緩。2019-2020年，5G網絡的實施將接棒推動GaN市場增長。未來10年，GaN市場將有望超過30億美元。

    GaN在射頻芯片的應用占比上升

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    3、光電領域

    隨著技術進步，半導體照明的應用領域不斷拓寬，市場規(guī)模不斷增長。2015年，LED器件營收約147億美元，預計2016年約152億美元；2020年超過180億美元。LED器件照明應用仍是主流應用，約占30%以上，并穩(wěn)步增長；LED在汽車以及農業(yè)等應用逐年擴大。

    近年來，LED照明產品的市場滲透率快速增長，特別是在新增銷售量的滲透率有較快增長，但在已安裝市場上，由于基數龐大，LED目前的（在用量）市場滲透率仍不高。2015年全球LED燈安裝數量在整體照明產品在用量中的滲透率僅為6%，預計2022年將接近40%，LED全球照明市場仍具較大增長潛力。

    2015-2020年全球LED器件市場規(guī)模走勢預測

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    二、我國第三代半導體材料發(fā)展面臨的機遇挑戰(zhàn)

    在巨大優(yōu)勢和光明前景的刺激下，目前全球各國均在加大馬力布局第三代半導體領域，但我國在寬禁帶半導體產業(yè)化方面進度還比較緩慢，寬禁帶半導體技術亟待突破。近日，投資50億元的聚力成半導體（重慶）有限公司奠基，該項目有望突破我國第三代半導體器件在關鍵材料和制作技術方面的瓶頸。

    我國原材料的質量、制備問題亟待破解。此外，湖南大學應用物理系副教授曾健平也表示，目前我國對SiC晶元的制備尚為空缺，大多數設備靠國外進口。國內開展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。國內新材料領域的科研院所和相關生產企業(yè)大都急功近利，難以容忍長期“只投入，不產出”的現狀。

    原始創(chuàng)新即從無到有的創(chuàng)新過程，其特點是投入大、周期長。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。然而生長SiC晶體難度很大，雖然經過了數十年的研究發(fā)展，到目前為止仍只有美國的Cree公司、德國的SiCrystal公司和日本的新日鐵公司等少數幾家公司掌握了SiC的生長技術，能夠生產出較好的產品，但離真正的大規(guī)模產業(yè)化應用也還有較大的距離。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，是實現產業(yè)化的一大桎梏。

    第三代半導體對國家未來產業(yè)會產生非常大的影響，其應用技術的研究比較關鍵，若相關配套技術及產品跟不上，第三代半導體的材料及器件的作用和效率可能會發(fā)揮不好，所以要全產業(yè)鏈協同發(fā)展。

    當前我國發(fā)展第三代半導體面臨的機遇非常好，因為過去十年，在半導體照明的驅動下，氮化鎵無論是材料和器件成熟度都已經大大提高，但第三代半導體在電力電子器件、射頻器件方面還有很長的路要走，市場和產業(yè)剛剛啟動，還面臨巨大挑戰(zhàn)，必須共同努力。