第三代半導(dǎo)體材料發(fā)展機(jī)遇挑戰(zhàn)分析

第三代半導(dǎo)體材料發(fā)展機(jī)遇挑戰(zhàn)分析

一、第三代半導(dǎo)體材料應(yīng)用領(lǐng)域分析

氮化鎵（GaN）、碳化硅（SiC）為最成熟的第三代半導(dǎo)體材料又稱寬禁帶半導(dǎo)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(dǎo)體材料相比,第三代半導(dǎo)體材料具有更寬的禁帶寬度、更高的擊穿電場、更高的熱導(dǎo)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(dǎo)體材料（禁帶寬度大于2.2eV）,亦被稱為高溫半導(dǎo)體材料.

作為一類新型寬禁帶半導(dǎo)體材料,第三代半導(dǎo)體材料在許多應(yīng)用領(lǐng)域擁有前兩代半導(dǎo)體材料無法比擬的優(yōu)點(diǎn)：如具有高擊穿電場、高飽和電子速度、高熱導(dǎo)率、高電子密度、高遷移率等特點(diǎn),可實(shí)現(xiàn)高壓、高溫、高頻、高抗輻射能力,被譽(yù)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(chǎn)業(yè)的“新發(fā)動(dòng)機(jī)”.

此外,第三代半導(dǎo)體材料還具有廣泛的基礎(chǔ)性和重要的引領(lǐng)性.從目前第三代半導(dǎo)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(dǎo)體材料,也是最具有發(fā)展前景的兩種材料.

從應(yīng)用范圍來說,第三代半導(dǎo)體領(lǐng)域還具有學(xué)科交叉性強(qiáng)、應(yīng)用領(lǐng)域廣、產(chǎn)業(yè)關(guān)聯(lián)性大等特點(diǎn).在半導(dǎo)體照明、新一代移動(dòng)通信、智能電網(wǎng)、飛速軌道交通、新能源汽車、消費(fèi)類電子等領(lǐng)域擁有廣闊的應(yīng)用前景,是支撐信息、能源、交通、國防等產(chǎn)業(yè)發(fā)展的重點(diǎn)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(dòng)汽車等領(lǐng)域具有非常大的應(yīng)用前景.

?GaN：氮化鎵（GaN）是極其穩(wěn)定的化合物,又是堅(jiān)硬和高熔點(diǎn)材料,熔點(diǎn)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(jié)構(gòu),因?yàn)槠溆捕却?所以它又是一種良好的涂層保護(hù)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(lǐng)域,未來在高頻通信領(lǐng)域也將有極大應(yīng)用潛力.未來當(dāng)5G標(biāo)準(zhǔn)頻率超過40GHz,砷化鎵將無法負(fù)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(jié)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(jié)可得到堅(jiān)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(dǎo)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(yīng)用場景

1、電力電子領(lǐng)域

SiC、GaN的電力電子器件市場在2016年正式形成.初步估計(jì),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(jì)達(dá)2.3億-2.7億美元.2016年全球功率半導(dǎo)體銷售金額約124億美元,意味著第三代半導(dǎo)體功率器件2016年的市場占有率已經(jīng)達(dá)到2%左右.

2015-2021年碳化硅（SIC）器件市場規(guī)模走勢預(yù)測

SiC、GaN在功率電子市場的前景看好.2021年全球SiC市場規(guī)模將上漲到5.5億美元,2016-2021年的復(fù)合年增長率（CAGR）將達(dá)到19%.而Yole同時(shí)預(yù)測,GaN功率器件在未來五年（2016-2021年）復(fù)合年增率將達(dá)到86%,市場將在2021年達(dá)到3億美元.當(dāng)然,SiC、GaN替代Si產(chǎn)品仍然為時(shí)甚早.預(yù)計(jì)至2024年,第三代半導(dǎo)體功率電子的滲透率將達(dá)到13%,而Si產(chǎn)品仍將占據(jù)剩下的87%的市場份額.

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

即使在5G/IoT/AI等技術(shù)導(dǎo)入下,硅襯底的化合物材料也能滿足射頻芯片、功率器件對(duì)高頻、高壓、高功率的的需求,而且更具有經(jīng)濟(jì)效益；

?在目前的電子產(chǎn)品應(yīng)用中,僅有軍工、安防、航天等少部分需要超高規(guī)格的應(yīng)用領(lǐng)域,才需采用化合物單晶材料.

硅材料依然為主流半導(dǎo)體材料

GaN-on-Si硅基氮化鎵為主要GaN應(yīng)用方式

2、波射頻領(lǐng)域

據(jù)預(yù)測,2016-2020年GaN射頻器件市場將擴(kuò)大至目前的2倍,市場復(fù)合年增長率（CAGR）將達(dá)到4%；2020年末,市場規(guī)模將擴(kuò)大至目前的2.5倍.2015年,受益于中國LTE（4G）網(wǎng)絡(luò)的大規(guī)模應(yīng)用,帶來無線基礎(chǔ)設(shè)施市場的大幅增長,有力地刺激了GaN微波射頻產(chǎn)業(yè).2015年末,整個(gè)GaN射頻市場規(guī)模接近3億美元.2017-2018年,在無線基礎(chǔ)設(shè)施及國防應(yīng)用市場需求增長的推動(dòng)下,GaN市場會(huì)進(jìn)一步放大,但增速會(huì)較2015年有所放緩.2019-2020年,5G網(wǎng)絡(luò)的實(shí)施將接棒推動(dòng)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(yīng)用占比上升

3、光電領(lǐng)域

隨著技術(shù)進(jìn)步,半導(dǎo)體照明的應(yīng)用領(lǐng)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(yù)計(jì)2016年約152億美元；2020年超過180億美元.LED器件照明應(yīng)用仍是主流應(yīng)用,約占30%以上,并穩(wěn)步增長；LED在汽車以及農(nóng)業(yè)等應(yīng)用逐年擴(kuò)大.

近年來,LED照明產(chǎn)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(shù)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(shù)量在整體照明產(chǎn)品在用量中的滲透率僅為6%,預(yù)計(jì)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(yù)測

二、中國第三代半導(dǎo)體材料發(fā)展面臨的機(jī)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(dǎo)體領(lǐng)域,但中國在寬禁帶半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)化方面進(jìn)度還比較緩慢,寬禁帶半導(dǎo)體技術(shù)亟待突破.近日,投資50億元的聚力成半導(dǎo)體（重慶）有限公司奠基,該項(xiàng)目有望突破中國第三代半導(dǎo)體器件在關(guān)鍵材料和制作技術(shù)方面的瓶頸.

中國原材料的質(zhì)量、制備問題亟待破解.此外,湖南大學(xué)應(yīng)用物理系副教授曾健平也表示,目前中國對(duì)SiC晶元的制備尚為空缺,大多數(shù)設(shè)備靠國外進(jìn)口.國內(nèi)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(dǎo)體研究進(jìn)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.

原始創(chuàng)新即從無到有的創(chuàng)新過程,其特點(diǎn)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(dǎo)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(jīng)過了數(shù)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(shù)幾家公司掌握了SiC的生長技術(shù),能夠生產(chǎn)出較好的產(chǎn)品,但離真正的大規(guī)模產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用也還有較大的距離.因此,以第三代半導(dǎo)體材料為代表的新材料原始創(chuàng)新舉步維艱,是實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化的一大桎梏.

第三代半導(dǎo)體對(duì)國家未來產(chǎn)業(yè)會(huì)產(chǎn)生非常大的影響,其應(yīng)用技術(shù)的研究比較關(guān)鍵,若相關(guān)配套技術(shù)及產(chǎn)品跟