第三代半导体能否走出“芯”天地？

台海网10月27日讯 据厦门日报报道 最近，“芯片”“IC”“光刻机”“三代半”等成为热门话题，在股票市场上，第三代半导体概念股也成为股市的热点。因此，我们有必要了解什么是第三代半导体？第三代半导体有哪些用途？对我国国民经济有什么意义？

半导体材料发展经历三个阶段

半导体是导电能力介于导体和绝缘体之间的一大类材料，半导体材料经历了三个发展阶段，不同阶段出现的材料被称为第一代、第二代、第三代半导体材料。

第一代半导体又称为“元素半导体”，典型如硅基和锗基半导体。20世纪50年代，锗在半导体中占主导地位，到了20世纪60年代逐渐被硅（Si）取代。目前硅的制造技术最成熟，应用最广，至今全球95%以上的半导体芯片和器件仍是用硅片生产出来的，广泛应用于信息处理和自动控制等领域。以集成电路（IC）为核心的现代微电子工业的发展，促进了全球整个IT信息产业的飞跃发展。硅材料自然界蕴藏量大，制造工艺成熟，成本低，人们对其性能最了解，在硅的表面很容易制备二氧化硅薄膜，非常适合于平面集成电路的制备，它在低压、大规模逻辑器件如CPU（电脑和手机的中央处理器）、人工智能芯片等电子和微电子领域具有较大的优势。但它工作频率不高、抗辐射性能不强、耐热和耐高压性能较差、光电性能差，因此在光电子领域和微波通信等应用方面受到局限。

20世纪80年代出现的第二代半导体是化合物半导体，包含有砷化镓（GaAs）、磷化铟（InP）以及许多其他Ⅲ-Ⅴ族化合物半导体（由元素周期表ⅢA族和ⅤA族元素组成的一类半导体材料。如砷化镓、磷化镓等），具有高频、抗辐射、低功耗的特性，主要用于制作高频微波、毫米波器件以及发光电子器件，广泛应用于移动通信、光通讯、LED发光器件、激光器、GPS导航等，它引发了光电产业、互联网和移动通信的革命。但是砷化镓、磷化铟等材料中的镓和铟属于稀缺资源，且制造工艺难度较大，大尺寸晶圆制备难，成本较高，虽然它们在高频方面有优势，但在耐高温、大电流、大功率方面性能并无优势，并且有的还带有毒性，对环境有影响，使得第二代半导体材料的应用具有一定的局限性。

21世纪初出现的第三代半导体包含氮化镓（GaN）、碳化硅（SiC）等化合物，又被称为宽禁带半导体，也被简称为“三代半”。它与前两代相比，具有更宽的禁带宽度、更高的击穿电压、更高的热导率、更高的电子饱和速率及更高的抗辐射能力，更适合于制作高温、高频、大功率及抗辐射器件，可满足现代电子技术对高功率密度、高击穿电压、高频率响应，以及耐高温、抗辐射等在恶劣环境下工作可靠性的要求，因此，被认为是最有发展前景的半导体材料。但是由于制造工艺难度大、成本高，基于三代半材料的器件品种还较少，目前占半导体市场中的份额还很小。

半导体这三个所谓的“代”，并不是像移动通信3G、4G、5G那样“后一代替代前一代”的关系，而是新一代根据其特性在某些应用领域挤占了前一代的部分市场份额，同时也拓展了新的市场。它们各有各的优势，之间的关系与其说是“代”的关系，倒不如说是“兄弟”关系。

全产业链布局第三代半导体

我国是全球最大的半导体消费国，但我国的半导体产业发展相对滞后，产品80%以上靠国外进口，特别是高端芯片产品几乎完全依赖进口。目前，加快发展半导体产业已成为我国的一项重要战略任务。相对于第一代、第二代半导体，第三代半导体目前国际上尚处于起步发展阶段，我国追赶国际先进水平机会更大。虽然目前它的市场比重还比较小，但我国随着5G基建、特高压、城际高铁和城市轨道交通、新能源 汽车 充电桩、大数据中心、人工智能、工业互联网等“新基建”的开展，未来对高频、高压、高功率密度、高能效器件的需求将加大，第三代半导体在这些方面有着无可比拟的优势。这些高端需求将带动第三代半导体技术进步和相关产品的开发，可以预见当需求拉动叠加成本降低，第三代半导体应用将迎来爆发性增长。

在2016年国务院发布的《“十三五”国家 科技 创新规划》中，第三代半导体被列为国家面向2030年重大项目之一。厦门市也把第三代半导体产业列入着力培育的具有发展潜力的十大未来产业。近年来在中央和各地政府出台政策的大力支持下，以及伴随新能源、智能制造、人工智能、5G通信等现代产业兴起所带来的庞大市场需求的推动下，一大批行业龙头企业近年来纷纷展开大规模投资，以期赢得发展先机。目前国内厂商在第三代半导体有全产业链的布局，产业已呈现快速发展势头。

夯实第三代半导体产业基础

虽然第三代半导体有着诸多优异的性能，但它也不是“万用神丹”。例如，智能手机中的处理器、电脑中的CPU等，从目前看不太有可能换为第三代半导体材料，至少在相当长的时间里第三代半导体还不可能完全取代前两代。

第三代半导体是以宽禁带为标志，决定了它的制造难度不可能比前两代低，暂且不说它能否制成各种功能的替代芯片，就是生产同样功能的器件，第三代半导体对制造工艺和设备的要求也不可能更低，成本也难以更低。

第三代半导体无论是单晶生长、外延层生长还是器件制造，目前处于领先地位仍是美国、欧洲、日本。况且许多基础的半导体工艺技术是相通的，无论哪一代半导体都需要，而在这些基础方面人家比我们强，想跳过或绕过这些薄弱点弯道超车或换道超车，是不太现实且有风险的。产业的发展有其自然规律，我们可以通过政策、资金等推动加快发展，而不应是光想着跳过、绕过或其他取巧的方式。要改变我们在半导体芯片方面的被动局面，光靠第三代半导体是不够的，更不是一朝一夕就能实现的，需要上游的材料和设备，中游的芯片设计、制造和封测，下游的应用等全产业链较长时期的共同努力，补上我们在半导体基础技术、工艺、设备等方面的短板，夯实基础，才有可能实现在第三代半导体突破性发展。（厦门市老科协 供稿）

行业主要上市企业：目前国内第三代半导体行业的上市公司主要有华润微(688396)、三安光电(600703)、士兰微(600460)、闻泰科技(600745)、新洁能(605111)、露笑科技(002617)、斯达半导(603290)等。

本文核心数据：第三代半导体分类、SiC、GaN电子电力和GaN微波射频产值、SiC、GaN电子电力和GaN微波射频市场规模

行业概况

1、定义

以碳化硅(SiC)、氮化镓(GaN)、氧化锌(ZnO)、金刚石、氮化铝(AIN)为代表的宽禁带半导体材料，被称为第三代半导体材料，目前发展较为成熟的是碳化硅(SiC)和氮化镓(GaN)。

与传统材料相比，第三代半导体材料更适合制造耐高温、耐高压、耐大电流的高频大功率器件，因此，其为基础制成的第三代半导体具备更宽的禁带宽度、更高的击穿电场、更高的导热频，以及更强的抗辐射能力等诸多优势，在高温、高频、强辐射等环境下被广泛应用。

第三代半导体主要包括碳化硅(SiC)、氮化铝(AlN)、氮化镓(GaN)、金刚石、氧化锌(ZnO)，其中，碳化硅(SiC)和氮化镓(GaN)并称为第三代半导体材料的“双雄”，是第三代半导体材料的典型代表。

2、产业链剖析：产业链涉及多个环节

第三代半导体产业链分为上游原材料供应，中游第三代半导体制造和下游第三代半导体器件环节。上游原材料包括衬底和外延片中游包括第三代版奥体设计、晶圆制造和封装测试下游为第三代半导体器件应用，包括微波射频器件、电力电子器件和光电子器件等。中国第三代半导体行业产业链如下：

第三代产业链各个环节国内均有企业涉足。从事衬底片的国内厂商主要用露笑科技、三安光电、天科合达、山东天岳、维微科技、科恒晶体、镓铝光电等等从事外延片生产的厂商主要有瀚天天成、东莞天域、晶湛半导体、聚能晶源、英诺赛科等。苏州能讯、四川益丰电子、中科院苏州纳米所等从事第三代半导体器件的厂商较多，包括比亚迪半导体、闻泰科技、华润微、士兰微、斯达半导、扬杰科技、泰科天润等。

行业发展历程：兴起的时间较短

中国第三代半导体兴起的时间较短，2013年，科技部863计划首次阿静第三代半导体产业列为国战战略发展产业。

2016年，为第三代半导体发展元年，国务院国家新产业发展小组将第三半导体产业列为发展重点，国内企业扩大第三半导体研发项目投资，行业进入快速发展期。

2018年1月，中车时代电气建成国内第一条6 英寸碳化硅生产线2018年，泰科天润建成了国内第一条碳化硅器件生产线2019年9月，三安集成已建成了国内第一条6英寸氮化镓(GaN)、砷化镓(GaAs)外延芯片产线并投入量产。在2020年7月，华润微宣布国内首条6英寸商用SiC晶圆生产线正式量产。

2020年9月，第三代半导体写入“十四五”规划，行业被推向风口。

行业发展现状

1、产值规模逆势增长

随着5G、新能源汽车等市场发展，第三代半导体的需求规模保持高速增长。同时，中美贸易战的影响给国产第三代半导体材料带来了发展良机。2020年在国内大半导体产业增长乏力的大背景下，我国第三代半导体产业实现逆势增长。

2020年我国第三代半导体产业电子电力和射频电子总产值超过100亿元，较2019年同比增长69.5%。

其中，SiC、GaN电子电力产值规模达44.7亿元，同比增长54%GaN微波射频产值达到60.8亿元，同比增长80.3%。

2、产能大幅增长但仍供应不足

根据CASA数据显示截至2020年底，我国SiC导电型衬底折算4英寸产能约40万片/年，SiC-on-SiC外延片折算6英寸产能约为22万片/年，SiC-onSiC器件/模块(4/6英寸兼容)产能约26万片/年。

GaN-on-Si外延片折算6英寸产能约为28万片/年，GaN-on-Si器件/模块折算 6 英寸产能约为22万片/年。

但随着新能源汽车、5G、PD快充等市场的发展，我国国产化第三代半导体产品无法满足庞大的市场需求，目前有超过八成产品依赖进口。可见第三代半导体产品国产化替代空间较大。

3、电力电子器件市场规模接近50亿元

2017-2020年，中国SiC、GaN电力电子器件应用市场快速增长，2020年，SiC、GaN电力电子器件应用市场规模为46.8亿元，同比增长90%。

2020年，我国半导体分立器件的市场规模约3002.6亿元，SiC、GaN电力电子器件的应用渗透率约为1.56%。

目前，GaN主要应用在射频及快充领域。SiC重点应用于新能源汽车和充电桩领域。我国作为全球最大的新能源汽车市场，第三代半导体器件在新能源汽车充电桩领域的渗透快于整车市场，占比达38%消费类电源(PFC)占22%光伏逆变器占了15%工业及商业电源、不间断电源UPS、快充电源、工业电机分别占6%、3%、3%、1%。

2020年，我国GaN微波射频器件市场规模约为66.1亿元，同比增长57.2%。其中国防军事与航天应用规模34.8亿元，成为GaN射频主要拉动因素。

国防军事与航天应用是我国GaN微波射频器件的主要应用领域，2020年市场规模占整个GaN射频器件市场的53%其次是无线基础设施，下游市场占比为36%。

行业竞争格局

1、区域竞争格局：江苏省第三代半导体代表性企业分布最多

当前，我国第三代半导体初步形成了京津冀鲁、长三角、珠三角、闽三角、中西部等五大重点发展区域。

从我国第三代半导体行业产业链企业区域分布来看，第三代半导体行业产业链企业在全国绝大多数省份均有分布。其中河南省第三代半导体企业数量分布最多，同时山东、江苏和甘肃等省份企业数量也相对集中。

从代表性企业分布情况来看，江苏省第三代半导体代表性企业分布最多，如苏州纳维、晶湛半导体、英诺赛科等。同时广东、山东代表性企业也有较多代表性企业分布。

2、企业竞争格局：主流企业加速扩张布局

经过初期的发展，第三代半导体迅速在新能源汽车、5G基站、PD快充等领域应用，市场规模增长迅速。同时，行业内的竞争也逐渐加剧。为了迎合市场需求，抢占市场地位，国内主流半导体企业均加强在第三代半导体产业的布局，扩充第三代半导体的产能。其中，代表性的主流企业有三安光电、中电科55所、泰科天润等。

行业发展前景及趋势预测

1、2025年行业规模有望超过500亿元

第三代半导体已经写入“十四五”规划。在国家政策的支持和下游需求增长的背景下，预计到2021-2025年，我国SiC、GaN电力电子器件应用市场将以45%的年复合增长率增长至2025年的近300亿元GaN微波射频器件市场规模将以25.4%的年均复合增长率增长至2025年的205亿元。2025年第三代半导体整体市场规模有望超过500亿元。

2、国产化进程将加速

未来，在市场竞争趋势方面，我国第三代半导体行业国产化率将会加深在细分产品发展趋势方面，SiC需求将会增长在技术发展趋势方面，大尺寸Si基GaN外延等问题将会有所进展。

以上数据参考前瞻产业研究院《中国第三代半导体材料行业市场前瞻与投资战略规划分析报告》。

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