導語：目前我國第三代半導體材料市場仍以日美歐廠商為主角，但近幾年我國已經開始大力扶持第三代半導體產業。2016年國務院出臺了《“十三五”國家科技創新規劃》，明確提出以第三代半導體材料為核心，以搶佔先進電子材料技術的制高點。
第三代半導體材料發展情況
第三代半導體材料主要是以碳化硅(SiC)、氮化鎵(GaN)、氧化鋅(ZnO)、金剛石、氮化鋁(AlN)為代表的寬禁帶半導體材料。
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，更適合於製作高溫、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(禁帶寬度大於2.3eV)，亦被稱為高溫半導體材料。
從目前第三代半導體材料及器件的研究來看，較為成熟的第三代半導體材料是碳化硅和氮化鎵，而氧化鋅、金剛石、氮化鋁等第三代半導體材料的研究尚屬起步階段。碳化硅(SiC)和氮化鎵(GaN)，被行業稱為第三代半導體材料的雙雄。
由於第三代半導體材料及其製作的器件的優越性、實用性和戰略性，許多發達國家將第三代半導體材料列入國家計劃，全面部署，竭力搶佔戰略制高點。目前美歐日具備較為成熟的GaN半導體材料產業體系。
▼ 三代半導體材料性能對比（來源：十一科技）
國外20世紀80年代開始對GaN半導體材料進行研究，並已經形成了比較完善的產業體系，而我國第三代半導體研究起步較晚，目前尚處於初步的產業格局階段。
我國第三代半導體材料產業化情況
目前，我國第三代半導體產業發展初步形成了京津冀、長三角、珠三角、閩三角、中西部等五大重點發展區域。從2015年下半年至2018年底，從已披露的第三代半導體項目投資總額來看，五大地區的投資額佔比分別為長三角區域63%、中西部區域14%、京津冀6%、閩三角5%、珠三角區域2%。
長三角地區第三代半導體產業集聚能力凸顯，投資總額607億元，其中，2018年投資總額超過550億元(其中積塔半導體的359億元投資以SiC電力電子器件產線為主)。北京、深圳、廈門、泉州、蘇州等代表性城市在2018年深入部署、多樣並舉，有序推動第三代半導體產業發展。
目前國內第三代半導體材料產業從數量上來看已具備一定規模，初步形成了一個較為完整的產業鏈。國內第三代半導體材料的主要廠商及產業鏈格局情況如下：
● 襯底供應商～SiC襯底：山東天嶽、河北同光、天科合達、江西晶能等；GaN襯底：蘇州納維、東莞中鎵等；
● 外延供應商～中蕊光電、鎵芯河北、英諾賽科、江蘇華功、大連芯冠、江蘇能華、蘇州晶港、蘇州能訊、中電55所、中電13所、海威華芯等；
● 器件、模組供應商～電力電子器件：江蘇能華、江蘇華功、英諾賽科、大連芯冠、中電55所；微波射頻器件：中電55所、中電13所、蘇州能訊、中芯光電；UV探測器：中芯光電、鎵芯光電；LED照明：華燦光電、深圳兆馳、聚燦光電、三安光電等；產業代工：臺積電、穩惠、三安光電、海威華芯、方正微電子等。
我國第三代半導體材料市場及應用
2018年，在國內市場和國際市場雙雙推動下，國內第三代半導體產業繼續發力向前推進。據第三代半導體產業聯盟統計，2018年我國第三代半導體整體產值約為7423億元(包括半導體照明)，較2017年同比增長近13%。其中電力電子產值規模近12.3億元，較上年增長23%以上；微波射頻產值規模36.7億元，較上年增長了20%；光電(主要為半導體照明)產值規模為7374億元，較上年增長近13%。
GaN射頻器件已成功應用於眾多領域，以無線基礎設施和國防應用為主，還包括衛星通信、民用雷達和航空電子等領域。據Yole統計，2018年全球3W以上GaN射頻器件(不含手機PA)市場規模達到4.57億美元，在射頻器件市場(包括Si LDMOS、GaAs和GaN)的滲透率超過25%。預計到2023年市場規模將達到13.24億美元，年複合增長率超過23%。
國防是GaN射頻器件最主要的應用領域。由於對高性能的需求和對價格的不敏感，國防市場為GaN射頻器件提供了廣闊的發展空間。據Yole統計，2018年國防領域GaN射頻器件市場規模為2.01億美元，佔GaN射頻器件市場的份額達到44%，超過基站成為最大的應用市場。GaN射頻器件在國防領域的市場規模將隨著滲透率的提高而繼續增長，預計到2023年，市場規模將達到4.54億美元，2018-2023年均複合增速為18%。
▼ 第三代半導體材料用途（來源：十一科技）
基站是GaN射頻器件第二大應用市場。據據Yole統計，2018年基站領域GaN射頻器件市場規模為1.5億美元，佔GaN射頻器件市場33%的份額。隨著5G通信的實施，2019-2020年市場規模會出現明顯的增長。預計到2023年，基站領域GaN射頻器件的市場規模將達到5.21億美元，2018-2023年均複合增長率達到28%。
2019中國5G建設高速發展，基站端GaN放大器同比增長達71.4%；到2020年，基站端GaN放大器市場規模達32.7億元，同比增長340.8%；預計到2023年基站端GaN放大器市場規模達121.7億元。
據拓璞分析，GaN放大器需求數量2019-2013年保持快速增長，2023年達18117萬個。按照4寸GaN晶圓切400個計算，則需要GaN晶圓數量達45萬片。
▼ 中國5G基站GaN晶圓需求預測(來源：拓璞)
第三代半導體材料產業化的挑戰
據CASA不完全統計，2018年國內第三代半導體領域新增3條6英寸SiC產線(株洲中車時代、三安集成和國家電網能源互聯網研究院(中試線)的6寸線)。除上述3條線外，國內泰科天潤和中電55所已有SiC產線，至此國內目前至少已有5條SiC產線(包括中試線)。
2018年國內第三代半導體投資擴產熱度不減。據CASA不完全統計，目前國內第三代半導體相關領域共有8起大的投資擴產項目，總投資額至少達到639億元。其中有4項與氮化鎵(GaN)材料有關，包括外延片及芯片、電力電子及射頻器件等，投資擴產項目總額為220億元(與2017年的19億元相比，增加了近11倍)；碳化硅(SiC)材料相關的襯底、外延及芯片、封裝測試、電力電子器件等項目的投資擴產總共4項，已披露的總額約為60億元(與2017年的65億元基本持平)。其他以先進半導體集成電路為名義的投資1起，投資金額近359億元，其中涉及建設一條SiC電力電子器件生產線。(十一科技三代半導體發展中心整理數據)
整體而言，我國在第三代半導體(電力電子和射頻領域)初步形成了從襯底到模組初步的產業鏈體系。
第三代半導體材料產業化的挑戰是材料品質。SiC同質外延和Si基GaN異質外延方面，作為應用最廣泛的兩種第三代半導體材料，目前商業化的最大尺寸為6英寸，為進一步降低器件成本，業界已經研發出8英寸產品。其中，8英寸Si基GaN外延片的研發尤為活躍，2017年以來，業內企業已經成功研發出8英寸Si基GaN外延片，並在8英寸晶圓上成功開發出GaN電力電子器件。
▼ 2018年8英寸Si基GaN外延片及器件研發進展（來源：CASA整理）
結語
從第三代半導體材料的技術趨勢來看，大尺寸和高質量SiC生長技術是未來發展的趨勢，同質外延依然是GaN器件的技術改進方向，所以高質量GaN襯底的研發還將繼續。
從價格及成本趨勢來看，未來6英寸SiC襯底預計將降至5000元/片以下，GaN襯底價格有望降至500美元/片左右，並且隨著襯底和外延片尺寸的增加和生產規模的擴大，襯底和外延片的成本將有所下降。
目前全球70-80%的第三代半導體材料SiC產量來自美國。在中美貿易摩擦持續發酵背景下，第三代半導體材料國產化替代進程有望持續加速，第三代半導體材料應用前景光明。
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