性能强过碳化硅！第三代半导体材料之后第四代呼之欲出 日本已重金加码

《科创板日报》（上海，研究员 何律衡）讯， 近期，以氮化镓、碳化硅为首的第三代半导体材料在A股市场引领了一波 科技 股回暖的热潮，引发市场对功率半导体的瞩目。与此同时，在该领域走在全球前列的日本，却已向号称第四代半导体的氧化镓展露了野心。

据日本媒体最新报道，日本经济产业省（METI）正准备为致力于开发新一代低能耗半导体材料“三氧化镓”的私营企业和大学提供财政支持，METI将为明年留出大约2030万美元的资金，预计未来5年的投资额将超过8560万美元。

在此基础上，第三代半导体材料由于普遍具有直接禁带结构，且禁带宽度更大、电子饱和漂移速度更高等特点，被越来越多地应用到功率半导体上。

在这其中，碳化硅和氮化镓当前应用最为广泛，前者具有宽禁带、高临界击穿电场、高饱和电子迁移速度和高热导率等特性，已在新能源 汽车 的电源管理中有所应用，后者则具有宽禁带、高饱和电子漂移速度、高电子迁移率等物理特性，在消费电子快充产品上得以应用。

而氧化镓被认为是继碳化硅和氮化镓之后的“第三代用于功率元件的宽禁带半导体”。这种材料最初计划用于LED（发光二极管）基板、深紫外光（Deep Ultra Violet）受光素子等，在近十年才被应用于功率半导体方向，继而引发全球研发的热潮。

研究表明，氧化镓的禁带宽度为4.9eV，超过碳化硅、氮化镓等材料，采用禁带更宽的材料可以制成系统更薄、更轻、功率更高的功率器件；击穿场强高于碳化硅和氮化硅，目前 β-Ga2O3 的击穿场强可以达到 8MV/cm，是碳化硅的两倍。

中银证券分析师赵琦3月27日报告指出，氧化镓更有可能在扩展超宽禁带系统可用的功率和电压范围方面发挥作用，其中最有希望的应用可能是电力调节和配电系统中的高压整流器，如电动 汽车 和光伏太阳能系统。

不过，氧化镓的导热率低，散热性能差是限制氧化镓市场运用的主要因素。氧化镓的热管理研究是当前各国研究的主要方向。赵琦认为，如若未来氧化镓的散热问题被攻克，氧化镓将是未来高功率、高压运用的功率半导体材料的有力竞争者。

据外媒报道，今年4月，美国纽约州立大学布法罗分校（the University at Buffalo）正在研发一款基于氧化镓的晶体管，能够承受8000V以上的电压，而且只有一张纸那么薄，将用于制造更小、更高效的电子系统，用在电动 汽车 、机车和飞机上，用于控制和转换电子，同时帮助延长此类交通工具的续航里程。

除了美国之外，从全球范围来看，日本作为全球首个研究氧化镓材料的国家，同样具备竞争优势。METI认为，日本公司将能够在本世纪20年代末开始为数据中心、家用电器和 汽车 供应基于氧化镓的半导体。一旦氧化镓取代目前广泛使用的硅材料，每年将减少1440万吨二氧化碳的排放。

“事实上，日本在氧化镓相关技术方面远远领先于包括韩国在内的竞争对手，”该行业的一位专家向媒体表示，“一旦氧化镓成功商业化，将适用于许多领域，因为它可以比其他材料更大幅度地降低半导体制造成本。”

而在中国，尽管起步较晚，但对于氧化镓的研究也同样不断推进状态中。据国内媒体报道，在去年举行的全国 科技 活动周上，北京镓族 科技 公司公开展示了其研发的氧化镓晶胚、外延片以及基日盲紫外线探测阵列器件。

此外，中国电科46所采用导模法成功已制备出高质量的4英寸氧化镓单晶，其宽度接近100mm，总长度达到250mm，可加工出4英寸晶圆、3英寸晶圆和2英寸晶圆。经测试，晶体具有很好的结晶质量，将为国内相关器件的研制提供有力支撑。

随着市场对半导体性能的要求不断提高，第三代半导体等新型化合物材料凭借其性能优势开始崭露头角，成为行业未来重要增长点。

相对于第一代（硅基）半导体，第三代半导体禁带宽度大，电导率高、热导率高。第三代半导体的禁带宽度是第一代和第二代半导体禁带宽度的近3倍，具有更强的耐高压、高功率能力。

氮化镓(GaN)和碳化硅(SiC)并称为第三代半导体材料的双雄，由于性能不同，二者的应用领域也不相同。

氮化镓、高电流密度等优势，可显著减少电力损耗和散热负载，迅速应用于变频器、稳压器、变压器、无线充电等领域，是未来最具增长潜质的化合物半导体。

与GaAs和InP等高频工艺相比，氮化镓器件输出的功率更大；与LDCMOS和SiC等功率工艺相比，氮化镓的频率特性更好。

随着行业大规模商用，GaN生产成本有望迅速下降，进一步刺激GaN器件渗透，有望成为消费电子领域下一个杀手级应用。

GaN主要应用于生产功率器件，目前氮化镓器件有三分之二应用于军工电子，如军事通讯、电子干扰、雷达等领域。

在民用领域，氮化镓主要被应用于通讯基站、功率器件等领域。氮化镓基站PA的功放效率较其他材料更高，因而能节省大量电能，且其可以几乎覆盖无线通讯的所有频段，功率密度大，能够减少基站体积和质量。

氮化镓在光电子、高温大功率器件和高频微波器件应用方面有着广阔的前景。随着5G高频通信的商业化，GaN将在电信宏基站、真空管在雷达和航空电子应用中占有更多份额。

根据Yole估计，大多数Sub 6GHz的蜂窝网络都将采用氮化镓器件，因为LDMOS无法承受如此之高的频率，而砷化镓对于高功率应用又非理想之选。

同时，由于较高的频率会降低每个基站的覆盖范围，需要安装更多的晶体管，因此市场规模将迅速扩大。

Yole预测，GaN器件收入目前占整个市场20%左右，到2025年将占到50%以上，氮化镓功率器件规模有望达到4.5亿美元。

从产业链方面来看，氮化镓分为衬底、外延片和器件环节。

尽管碳化硅被更多地作为衬底材料（相较于氮化镓），国内仍有从事氮化镓单晶生长的企业，主要有苏州纳维、东莞中镓、上海镓特和芯元基等。

从事氮化镓外延片的国内厂商主要有三安光电、赛微电子、海陆重工、晶湛半导体、江苏能华、英诺赛科等。

从事氮化镓器件的厂商主要有三安光电、闻泰 科技 、赛微电子、聚灿光电、乾照光电等。

GaN技术的难点在于晶圆制备工艺，欧美日在此方面优势明显。由于将GaN晶体熔融所需气压极高，须采用外延技术生长GaN晶体来制备晶圆。

其中日本住友电工是全球最大GaN晶圆生产商，占据了90%以上的市场份额。GaN全球产能集中于IDM厂商，逐渐向垂直分工合作模式转变。美国Qorvo、日本住友电工、中国苏州能讯等均以IDM模式运营。

近年来随着产品和市场的多样化，开始呈现设计业与制造业分工的合作模式。

尤其在GaN电力电子器件市场，由于中国台湾地区的台积电公司和世界先进公司开放了代工产能，美国Transphorm、EPC、Navitas、加拿大GaN Systems等设计企业开始涌现。

在射频器件领域，目前LDMOS（横向扩散金属氧化物半导体）、GaAs（砷化镓）、GaN（氮化镓）三者占比相差不大，但据Yoledevelopment预测，至2025年，砷化镓市场份额基本维持不变的情况下，氮化镓有望替代大部分LDMOS份额，占据射频器件市场约50%的份额。

GaAs芯片已广泛应用于手机/WiFi等消费品电子领域，GaN PA具有最高功率、增益和效率，但成本相对较高、工艺成熟度略低，目前在近距离信号传输和军工电子方面应用较多。

经过多年的发展，国内拥有昂瑞微、华为海思、紫光展锐、卓胜微、唯捷创芯等20多家射频有源器件供应商。

根据2019年底昂瑞微董事长发表的题为《全球5G射频前端发展趋势和中国公司的应对之策》的报告显示，截至报告日，国内厂家在2G/3G市场占有率高达95%；在4G方面有30%的占有率，产品以中低端为主，销售额占比仅有10%。

目前我国半导体领域为中美 科技 等领域摩擦中的卡脖子方向，是中国 科技 崛起不可回避的环节，产业链高自主、高可控仍是未来的重点方向。第三代半导体相对硅基半导体偏低投入、较小差距有望得到重点支持，并具备弯道超车的可能。

露笑 科技 最近有点火啊。

在老师们骂他是骗子、“露笑 科技 把人整笑了”后，露笑 科技 也迎来大跌，跌了20%左右。

股吧、雪球众人都各持己见，论战不休。

但是并没有业内人士出来说道说道这个，这就有点神奇了。

行外看热闹，非专业人士说的东西，大家要有一些判断。

现代科学的发展进步，其实已经到了普通人很难理解的程度了，不信你看看下面这个“标准模型”的公式：

要是你不懂这个标准模型的话，第三代半导体，你也就是连入门都说不上了。

不知道老师们懂不懂这个啊。

01

首先简介一下第三代半导体

1. 导体和半导体

量子力学认为，组成物质的原子是由原子核和电子组成的，电子以电子轨道的方式在核外运动。

原子和原子组成物体时，会有很多相同的电子混在一起，这个相混的过程就是化学反应，形成化学键，就产生了新分子。

但是两个相同的电子没法呆在一个轨道上，为了让这些电子不在一个轨道上打架，于是很多轨道就再分裂出好几个轨道。

可是这么多轨道，一不小心挨得近了，就会挤在一起，形成宽轨道，这个宽轨道，就叫做能带。

有些宽轨道上，挤满了电子，电子就没法移动，宏观上就表现为绝缘，这个就叫做价带。

而有些款轨道，则空旷的很，电子大把空间自由移动，宏观上就表现为导电，这个就叫做导带。

固体里面充满了价带和导带，价带和导带之间往往是有间隙的，这个间隙就叫做禁带。

导带和价带之间挨得很近，那么电子就可以毫不费力地从价带变更车道到导带上，这就是导体。

如果稍微离得远了点，电子自身就不能跨过禁带，但是如果也不是离得非常远，禁带在5ev内，那么给电子加个额外能量，电子也能跨过禁带，这就是半导体。

假如禁带大于5ev，那基本就歇逼菜了，电子在普通情况下是跨不过去的，这就是绝缘体。

当然，凡事都有例外嘛，如果能量足够大，别说5ev的禁带，就是5000ev的禁带也能一冲而过，这个就叫击穿场强（这个东西很重要，不信继续看下去）。

当然，禁带越宽，击穿场强越高。

击穿场强越高，就越耐草。

2. 第三代半导体

不要被第三代给吓着了，哈哈。

第三代半导体，严谨地来说，叫做宽禁带半导体，也就是禁带宽于现在的硅基半导体。

按照半导体材料能带结构的不同，禁带宽度如果小于2.3ev，那就是窄禁带半导体，代表材料有：GaAs、Si、Ge、InP（有读者可能不了解化学，这几个材料翻译成中文就是：砷化镓、硅、锗、磷化铟）。

如果禁带宽度大于2.3ev，那就叫做宽禁带半导体，代表材料有：GaN、SiC、AlN、AlGaN（中文名：氮化镓、碳化硅、氮化铝、氮化镓铝）。

由前文分析，我们可知，半导体禁带宽度越大，则其电子跃迁到导带需要的能量也就越大。

呵呵，那当然击穿场强也越大了，这意味着材料能承受的温度和电压更加高。

由此可知，宽禁带半导体和集成电路，也就是和逻辑芯片，没有什么太大关系了。

逻辑芯片的核心在于怎么把晶体管做小，也就是制程提高。

而电力电子器件、激光器，则是怎么考虑承受更高的电压、电流、频率、温度，然后有更小的电力损耗，以应用在各种恶劣环境和大功率环境下。

想的是怎么耐草的问题。

所以，宽禁带半导体大展身手的地方，在电力电子器件、激光发生器上。

目前比较有希望的两种材料是碳化硅和氮化镓，其他的长晶很困难。

碳化硅主要用在功率器件上，现在最热的就是用在电动车上，因为带来电力损耗减少，能够提高电动车的续航。

以后在光伏和风电发电中，用上碳化硅的话，也能够提高发电效率，促进度电成本下降。

所以在这么一个政治家推动的电气化时代，其需求是很迫切的。

氮化镓则主要是用于微波器件上，比如5G基站的射频芯片就要用到它，否则效果就比较差。

特别是军方的电磁对抗，更加需要氮化镓，来增加单位微波功率。

在5G时代，氮化镓是不可或缺的。

02

露笑是个大坑吗

国内的话，研究宽禁带半导体主要有3个流派，中科院物理所、中科院上海硅酸盐所、山东大学，最主要的研究方向就是宽禁带半导体衬底的晶体生长。

因为这个行业最源头的，以及最难的，就是衬底片的制造。

就像硅基的半导体，要是没有硅片，那做毛个芯片呢？

这三个流派都是90年代开始就开启研究了，起步时间和国外是差不太多的，读者有兴趣可以自行搜索下他们的论文。

中科院物理所是陈小龙领头，成立产学研转化的企业是天科合达。

这个企业去年撤回了IPO，有些奇怪。

坊间传闻，据说是陈小龙出走了。

天科合达的金主是新疆生产建设兵团，控股方是天富集团，A股的影子股是天富集团控股的天富能源，占了10.66%的股份。

山东大学是徐现刚领头，产学研的企业是山东天岳。

原本的领头人是徐现刚的老师蒋民华院士，遗憾的是这位大佬不幸于2011年逝世，事未竟而身先死，科学真的是烧人的事业啊。

这里向领路的大佬致以崇高的敬意！

山东天岳前段时间参加了上市辅导，相信很快就会跟大家在A股见面。

大家对他的热情也是非常高涨啊，穿透下来只有他股权2%的柘中股份都被资金顶了7个板。

中科院上海硅酸盐所，则是陈之战领头。

陈之战之前在世纪金光干过，后来20年5月份，和露笑 科技 走在了一起。

这个露笑 科技 ，算是最近的股吧热门了。

涨了一倍之后，前几天就出来自媒体的老师们在微信公众号、抖音等平台出来说，这是家蹭热点的骗子公司。

对比大家一定要有自己的判断，要知道这些老师并不是业内人士，很有可能不懂技术，只是翻了一下二手资料。

露笑 科技 曾经追逐热点，投资的锂电池、光伏也都失败了。

但是并不能以此推导出他的管理层就是坏家伙。

露笑 科技 原来的主营业务漆包线，是人都知道的传统行业，竞争激烈，管理层当然也知道这是没有什么前途的。

谋取转型，某种程度上说明管理层是有进取心的。

但转型是困难的，踏足一个未知领域，哪有这么简单。

这个头疼的东西，山西的煤老板们最清楚了。

而做一级投资的都知道，热门行业的好项目，是拼爹的玩意儿，要各种关系、资源的，那个东西是你手上有钱就能投的进去的吗？

但是如果没有投到厉害的公司身上，那大概率是要被有爹的给干死的。

在低潮期捡漏，像高瓴投腾讯、段永平投网易，都是高难度动作，传奇故事，需要天时地利人和来配合，这种机会不仅是少，而且非常难把握。

碳化硅这个东西嘛，以往并不是很热，因为商业化应用的领域没有出来。

陈小龙在媒体采访时就曾经透露到，天科合达在成立后的10多年里未曾盈利，给投资方和团队都带来了非常大的压力。

而美国军方扶持起来的CREE，就算有军方爸爸，但是在2016年的时候也顶不住，想要把企业卖给英飞凌。

而电动车领域里，就在2020年，特别疫情期间，大家还怀疑，补贴退坡之后，会不会就面临死亡了。

当时还有人专门写了《预言一场电动爹大逃杀》来看空呢。

那你们想想，碳化硅器件目前最好的应用场景，在去年都还是这个熊样，谁又会多留意碳化硅呢？

当时的大热门还是功率器件的国产替代，是硅基的IGBT、MOSFET，是斯达半导体、新洁能。

所以20年露笑 科技 找到陈之战，或许和以往的投资，有些不同吧。

国内碳化硅衬底还局限在二极管的应用，芯片质量主要来自于衬底，也因此几乎国内SiC器件都来自国外。

目前碳化硅四寸片，做的比较好的是天科合达、河北同光以及山西烁科等几家企业。

但是六寸量产（每个月稳定出货量在几百片）的厂商，目前还基本没有。

也就是说，三大流派其实还是半斤八两，都还需要突破，否则华为怎么对天科合达和山东天岳都一起投资呢？

当下这个阶段就是，谁能率先突破，谁就会享有先发优势，并在行业景气的助力下，实现超额收益，获得市场的估值溢价。

或许当合肥露笑半导体的碳化硅衬底片出来后，华为也会进来投资一笔呢。

合肥市政府号称最牛风投，人家可不是傻子。

至于说露笑 科技 没有技术积累，这真不知道怎么说，陈之战大哥和他的团队、学生已经研究了20多年了。

很可能是，露笑 科技 的蓝宝石业务部门，19年在给中科钢研代工碳化硅长晶炉的时候，突然发觉这是个有戏的行业，随后才找到了陈之战。

总之，对于露笑 科技 ，大家要有自己的判断，核心点有且只有一个，陈之战团队能不能扎下根来。

最后，做个总结。

君临认为，目前碳化硅的投资，最好的应该是衬底环节，这个环节现在产能不足、壁垒极高。

而衬底的企业，则主要是看已经研究了20多年的国内三大流派旗下企业。

按照中国的科研环境、功率器件企业发展状况来说，其他的团队压根没法分杯羹。

材料技术是积累出来的，烧人烧时间，更加烧钱。

现在行业热了再来开始研发，短时间根本不可能见效。

中科院的两个研究所，山东大学蒋院士的团队，科研的资源肯定是最丰富的，但是人家陈小龙都说压力很大，所以别的团队申请科研基金都不容易。

露笑 科技 说9月份能试生产，年底批量生产，而且是6英寸的，有陈之战在，应该不是讲大话。

一旦衬底片年底真的量产了，那就是国内领先了，以国内资金对 科技 的热度，自然会有神秘的东方估值力量。

宽禁带半导体领域里，全球都还是在懵懵懂懂的阶段，咱们和美国虽然有差距，但也不是这么大。

特别是他的主要应用领域，新能源发电、新能源 汽车 、5G通讯、航空航天、电磁对抗，咱们国家都是最大的应用市场和制造商，特别是光伏、风电、电动车、5G这些大规模民用的领域。

技术的进步还是源自经济利益的驱使，产业的需求对于技术进步的作用是最大的。

所以宽禁带半导体的投资在目前是大有可为，很有可能在我们国家诞生全球龙头，这个想象空间大不大？

至于氮化镓等材料，以及外延、器件设计制造等环节，行业本就是新兴的，肯定也是有大机会的，君临会在后续的跟踪文章中持续输出，带领读者彻底搞定这个领域。

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