2020年，新基建產業站在了風口上。在以
5G、物聯網、工業網際網路
等為代表的新基建主要領域中，第三代半導體承擔著重要角色。而在最近美國推出的報告中，更是將
20項技術列入重點關注的領域
，希望國家能夠重點投入，並且慎防其假想的競爭對手獲取該技術，以確保國家在這20個新興技術中的全球優勢，
半導體和先進工程材料
在列。同時，
我國的2030計劃和“十四五”國家研發計劃已明確第三代半導體是重要發展方向
。
那麼到底什麼是第三代半導體呢？它主要應用在什麼領域？它的技術演進和難點在哪裡、中美之間的差距何在呢？
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一探究竟：什麼是第三代半導體
第三代半導體主要是由於製造材料的不同而有別於第一代和第二代半導體
。國際上一般把禁頻寬度（Eg）大於或等於2。3電子伏特（eV）的半導體材料稱之為第三代半導體材料，常見的第三代半導體材料包括：碳化矽、氮化鎵、金剛石、氧化鋅、氮化鋁等。其中，碳化矽和氮化鎵技術發展相對成熟，已經開始產業化應用，而金剛石、氧化鋅、氮化鋁等材料尚處於研發起步階段。
第三代半導體具有高熱導率、高擊穿場強、高飽和電子漂移速率、高鍵合能等優點，可以滿足現代電子技術對高溫、高功率、高壓、高頻以及抗輻射等惡劣條件的新要求
，是5G、人工智慧、工業網際網路等多個“新基建”產業的重要材料，同時也是世界各國半導體研究領域的熱點。其在國防、航空、航天、石油、是有勘探、光儲存等領域有重要應用場景，在寬頻通訊、太陽能、汽車製造、半導體照片、智慧電網等眾多戰略行業，可以降低50%以上的能量損失，最高可以使裝備體積減小75%以上。
第一代半導體以矽（Si）為主，而第二代半導體材料以砷化鎵GaAs、磷化銦InP為代表。第三代半導體在禁頻寬度、熔點、電子遷移率等方面有較大差別。
表1：各時期半導體效能比較
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第一代
第二代
第三代
矽
砷化鎵 GaAs
氮化鎵 GaN
碳化矽 SiC
元素
IV 族元素半導體
III-V 族化合物半導體
III-V 族化合物半導體
IV-IV 族化合物半導體
禁頻寬度 eV
1。1
1。43
3。39
3
熔點 ℃
1420
1240
2500
2540
電子遷移率 cm²/（V s）
1500
8500
≤1000
400
空穴遷移率 cm²/（V s）
600
400
≤200
50
電阻率 Ωm
10
107
≤0。2
1。5
擊穿電場 10^8V/m
0。3
0。6
5
4
介電常數
11。8
12。5
5。5
9。7
頻率
2 GHz 以下
2-300 GHz
2-300 GHz
2-300 GHz
02彌“矽”不足：
第三代半導體的應用領域和市場規模
第一代半導體是以矽（Si）作為積體電路最基礎的材料，構築了整個資訊產業的最底層支撐。人類對Si效能的探索已經非常成熟，然而
一些固有的缺點因為矽（Si）的物理屬性限制卻無法逾越
，如光學效能、高壓高頻效能等，與此同時，第三代半導體恰好彌補Si的不足，成為繼Si之後最有前景的半導體材料。根據Omdia的《2020年SiC和GaN功率半導體報告》，到2020年底，全球SiC和GaN功率半導體的銷售收入預計將從2018年的5。71億美元增至8。54億美元。
第三代半導體材料主要可應用於光電、電力電子、和微波射頻三大領域
。從當前來看，碳化矽（SiC）目前主要是用在650V以上的中高壓功率器件領域，並偏向1000V以上的範圍，具有高壓、高溫、高頻三大優勢，並且比矽基器件更輕、更小巧。氮化鎵（GaN）主要是用在650V以下的中低壓功率器件領域及微波射頻和光電領域。不過，GaN器件未來也有機會進一步往600～900V發展。
光電方向
是截至目前應用最為成熟的領域，已被驗證是一場成功的技術革命。LED從無到有，快速發展，直至現在發展為千億美元的規模，是一個新材料開發推動社會變革的典範。目前應用於包括顯示、背光、照明等領域，其中Micro LED與UVC LED因仍然存在技術挑戰，且具備新的市場想象空間，被產業寄予厚望。
功率器件方向
廣泛用於智慧電網、新能源汽車、軌道交通、可再生能源開發、工業電機、資料中心、家用電器、移動電子裝置等國家經濟與國民生活的方方面面，是工業體系中不可或缺的核心半導體產品。其中SiC 功率器件被認為未來最大的應用市場在新能源汽車，主要是功率控制單元（PCU）、逆變器、DC-DC轉換器、車載充電器等方面；GaN功率器件因其高頻高效率的特點而在消費電子充電器、新能源充電樁、資料中心等領域有著較大的應用潛力。據市場研究機構Yole Developpement預測，2017年至2023年，SiC器件複合年增長率將達到31%，到2024年SiC功率半導體市場規模將增長至20億美元，其中汽車市場佔SiC功率半導體市場比重預計將達50%。2019年知名新能源車廠商Tesla已經把碳化矽MOSFET用到了其主驅動控制器。
微波射頻方向
包括汽車雷達、衛星通訊、5G基站、預警探測等應用。相較於已經發展十多年的SiC，GaN功率器件是後進入者，但它擁有類似SiC效能優勢的寬禁帶材料，且擁有更大的成本控制潛力，目前是射頻器件最合適的材料，這在5G時代非常重要。GaN市場需求最大的拉動力也被認為是5G基站。據Yole Development 資料顯示，2017 年GaN射頻市場規模為3。8億美元，將於2023年增長至13億美元，複合增速為 22。9%；下游應用結構整體保持穩定，以通訊與軍工為主，二者合計佔比約為80%。
圖1：SiC功率半導體市場規模（百萬美元）
03 技術概覽：第三代半導體生產過程及工藝難點
（一）生產過程
第三代半導體的產業鏈包括包括
襯底→外延→設計→製造→封裝
。其中，襯底是所有半導體晶片的底層材料，起到物理支撐、導熱、導電等作用。外延是在襯底材料上生長出新的半導體晶層，這些外延層是製造半導體晶片的重要原料，影響器件的基本效能。設計包括器件設計和積體電路設計，其中器件設計包括半導體器件的結構、材料，與外延相關性很大。製造需要透過光刻、薄膜沉積、刻蝕等複雜工藝流程在外延片上製作出設計好的器件結構和電路。封裝是指將製造好的晶圓切割成裸晶片。
以下討論的生產工藝及其難點，主要討論全產業鏈的前兩個環節，即襯底和外延生長。
（二）碳化矽：需降低襯底生長缺陷、提高工藝效率
目前規模化生長碳化矽單晶主要採用物理氣相輸運法（PVT）或籽晶的昇華法。碳化矽生長爐的技術指標和工藝過程中的籽晶製備、生長壓力控制、溫度場分佈控制等因素，決定了單晶質量和主要成本。
PVT法生長的SiCk單晶一般是短圓柱狀，柱狀高度（或長度）在20 mm以內，需要透過機械加工整形、切片、研磨、拋光等化學機械拋光和清洗等工藝，才能成為器件製造前的襯底材料。這一機械、化學的製造過程普遍存在著加工困難、製造效率低、製造成本高等問題。SiC單晶加工關注點是晶片不僅具備良好的幾何形貌，如總厚度變化、翹曲度、變形，而且具備較高的晶片表面質量（微粗糙度、劃傷等）。此外，還要考慮單晶加工的效率和成本問題，這也就給SiC襯底製備提出很大的挑戰。
2009年，紐約州立大學和道康寧公司在150 mm SiC單晶生長取得了重大突破後，全世界SiC產業向150 mm產業方向發展，實現
大直徑的無缺陷或低缺陷
的SiC晶體生長，是SiC產業接下來發展的重要基礎。單晶的生長缺陷，主要是SiC 晶片大面積應用中的螺旋位錯（稱為微管）。目前先進的技術指標是直徑100 mm以上的SiC，其微管缺陷密度小於1 每平方釐米。150 mm的SiC材料製備技術，2014年國內已經取得了突破。但規模化生產製造SiC晶片，達到低微管密度或零缺陷質量還存在一些技術工藝問題。
SiC材料對於生產工具的要求，造成了加工時間長、效率低。碳化矽材料是目前僅次於金剛石硬度的材料，材料的機械加工，主要以金剛石磨料為基礎切割線、切割刀具、磨削砂輪等工具。由於這些工具的製備基本採用電鍍金屬結合劑固結金剛石磨料的方法，或者透過樹脂固結金剛石磨料的方法。而且加工過程中切削力大，加工工具上的金剛石磨料容易脫落，造成工具加工壽命短，加工成本高。為了延長工具壽命、提高加工質量，往往採用微量或極低速進給量，這就犧牲了整體的生產效率。
（三）氮化鎵：襯底與外延材料需匹配
GaN同質襯底是襯底和外延都採用GaN材料。氫化物氣相外延（HVPE）方法是目前研究生產GaN襯底的主流。大多數可以商業化方式提供GaN 均勻襯底都是透過這種方法生產的。該技術具有裝置簡單、生長速度快、可控性強等優點。利用金屬有機化合物化學氣相沉澱（MOCVD）技術可以生長出均勻、大尺寸的厚膜。目前，該技術已經成為製備外延厚膜最有效的方法，並且生長的厚膜可以透過拋光或鐳射剝離襯底，作為同質外延生長器件結構的襯底。
由於GaN在高溫生長時N的離解壓很高，很難得到大尺寸的GaN單晶材料，當前大多數商業器件是基於異質外延的，即選擇藍寶石、AlN、SiC 和Si材料襯底來替代GaN器件的襯底。製備異質襯底上的外延GaN 膜已成為研究和生產GaN 材料和器件的主要手段。目前，GaN的外延生長方法有：HVPE、分子束外延（MBE）、原子束外延（ALE）和MOCVD。其中，MOCVD 是最廣泛使用的方法之一。
然而，這些襯底材料和GaN之間的晶格失配和熱失配非常大。因此，外延材料中存在較大的應力和較高的位錯密度，不利於器件效能的提高。圖為襯底材料的晶格失配和熱失配關係示意圖。
圖2：襯底材料的晶格失配和熱失配關係示意圖
由於SiC的熱導率遠遠高於GaN、Si和藍寶石，所以SiC 與GaN的晶格失配很小。SiC 襯底可以改善器件的散熱特性，降低器件的結溫。但GaN 和SiC 的潤溼性較差，在SiC襯底上直接生長GaN很難獲得光滑的膜。AlN在SiC基體上的遷移活性小，與SiC基體的潤溼性好。因此，通常在SiC基板上用AlN 作為GaN 外延薄膜的成核層，如圖 所示。許多研究表明，透過最佳化AlN 成核層的生長條件可以改善GaN 薄膜的晶體質量。但生長在GaN 成核層上的GaN 薄膜仍然存在較大的位錯密度和殘餘應力。AlN的熱膨脹係數遠大於GaN，在AlN 上生長的GaN 薄膜在冷卻過程中存在較大的殘餘拉應力。拉伸應力會在一定程度上積累，並以裂紋的形式釋放應力。另外，AlN 的遷移活性較低，難以形成連續的膜，導致在AlN 上生長的GaN 薄膜位錯密度較大。GaN 薄膜中的裂紋和位錯會導致器件效能下降甚至失效。由於晶格失配較小，一旦潤溼層和裂紋問題得到解決，SiC 襯底上的GaN 晶體質量要優於Si 和藍寶石襯底上的GaN晶體，因此，SiC 襯底上的GaN 異質結構2DEG 的輸運效能更好。
目前，GaN基電力電子器件的成本與Si 器件相比仍然非常昂貴。解決成本問題的唯一途徑是利用Si 襯底外延製備GaN 基異質結構，然後利用互補金氧半導體技術製備GaN 基器件，使器件的價效比超過Si 器件。但與SiC和藍寶石襯底相比，Si襯底外延GaN 要難得多。GaN（0001）與Si（111）的晶格失配率高達16。9%，熱膨脹係數失配（熱失配）高達56%。因此，Si 襯底上GaN 的外延生長及其異質結構在應力控制和缺陷控制方面面臨著嚴峻的挑戰。
外延層材料的晶格常數差異，會導致Si 和GaN 外延層介面處的高密度位錯缺陷。在外延生長過程中，大多數位錯會穿透外延層，嚴重影響著外延層的晶體質量。但由於兩層熱膨脹係數不一致，高溫生長後冷卻過程中整個外延層的內應力積累很大，發生翹曲並導致外延層開裂。隨著襯底尺寸的增大，這種翹曲和開裂現象會越來越明顯。
04 第三代半導體的中美差距
在中美差距方面，第三代半導體封測方面中國實力較強，材料正在緊追，但裝置方面差距很大，總體而言差距能夠透過努力縮小。根據中芯國際創始人張汝京的訪談，如果專門看三代半導體的材料、生產製造、設計，中國在材料上面的差距不是很大。在材料上，4寸第三代材料晶圓基本上做得跟海外很接近，差距不大，6寸還是有差距，但是假以時日也跟得上來。在外延片上，裝置也買得到，這個差距很快可以縮短。總體而言，第三代半導體的差距不能一概而論。在封測等方面有些地方中國實力較強，但是裝置等方面差距很大。但是國內廠家在材料上進步較快，外延片差距可以慢慢追上，裝置也是如此，沒有邏輯和儲存差距大。
05 第三代半導體產業鏈中的典型企業
經過多年發展研究，各國在第三代半導體領域取得了豐碩的成果，擁有了很多優秀企業。其中，美國在SiC領域全球獨大，擁有Cree、II-VI、道康寧等強競爭力企業，並且佔有全球SiC70-80%的產量。歐洲擁有完整的SiC襯底、外延、器件、應用產業鏈，擁有
英飛凌、意法半導體、ABB、IBS
等優秀半導體制造商。日本是裝置和模組開發方面的領先者，主要產商有
羅姆、松下、東芝、日立
等。在韓國涉及SiC的企業不多，主要是
三星
在推動。我過的企業主要包括
天科合達、山東天嶽、三安光電、中電13所、55所
等。
圖3：SiCh產業鏈和GaN產業鏈國內外公司對比
（一）碳化矽：美歐日主導競爭，國產化程序加速
目前，美、歐、日廠商在全球碳化矽產業中較為領先，其中美國廠商佔據主導地位。隨著中美貿易戰的不斷升級，半導體晶片領域成為中美必爭之地，伴隨著中興、華為事件，國家越來越重視晶片，高階裝備等領域的國產化。此外，SiC材料和器件在軍工國防領域的重要作用，也越來越突出。SiC外延裝置在推動產業鏈國產化程序中，意義尤為重大。
（1）國外行業龍頭：Cree是全球SiC晶片市場主導廠商
碳化矽是全球最先進的第三代半導體材料，是衛星通訊、高壓輸變電、軌道交通、電動汽車、通訊基站等重要領域的核心材料，還被認為是5G通訊晶片中最理想的襯底。目前，SiC晶片（包括照明用SiC）市場主要由美、歐、日主導，其中Cree在2018年佔比超過62%，加上II-VI、Si-Crystal後市場份額達到90%。
（2）國內行業龍頭：天科合達在國內SiC襯底晶片市場領先
天科合達，全稱北京天科合達半導體股份有限公司 （TanKeBlue Semiconductor Co。， Ltd。），有限公司成立於2006年9月，並於2015年11月成立股份公司。註冊資本18，384萬元，於2020年7月在科創板申請上市。
公司專注於第三代半導體碳化矽晶片的研發、生產和銷售，實際控制人為第八師國資委。公司在國內行業保持領先地位。
表2：天科合達研發進展一覽
階段
公司核心產品
國家專項
國家863計劃
北京市科技計劃
商業應用
4英半導電及半絕緣碳化矽晶片國內領先
線圈內建式大尺寸碳化矽單晶爐研發已驗收“02專項”碳化矽晶片產業化已驗收“產業專項”
大尺寸碳化矽材料與器件的製備已驗收
4英寸低微管碳化矽晶片製備技術已驗收
客戶驗證
6英寸半絕緣碳化矽晶片國際先進
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LED外延生長用碳化矽襯底製備已驗收
6英寸低缺陷碳矽單晶襯底產業化已驗收
驗收階段
6英寸半絕緣碳化矽晶片國際先進
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碳化矽單晶液相生長技術研究待驗收
研發階段
8英寸導電型碳化矽晶片國內領先
中低壓及高壓大功率碳化矽器件應用在研“重點專項”
2英寸氮化鋁單晶襯底研製在研
（二）氮化鎵：產業鏈各環節多點競爭
圖4：GaN器件產業鏈各環節及主要企業
GaN器件產業鏈各環節依次為：GaN單晶襯底（或SiC、藍寶石、Si）→GaN材料外延→器件設計→器件製造。目前產業以IDM企業（垂直整合製造）為主，但是設計與製造環節已經開始出現分工，如傳統矽晶圓代工廠臺積電開始提供GaN製程代工服務，國內的三安整合也有成熟的GaN製程代工服務。
全球範圍內，氮化鎵專利申請量排名前四的國家及地區是日本、中國大陸、美國、韓國、中國臺灣，其中中國專利量佔全球的23%。雖然在專利方面國內有一定有一定優勢，但從目前的技術發展狀況來說，仍以歐美日企業為主。這和GaN佈局早晚有一定的聯絡，美國和歐洲分別於2002年和2007年啟動了氮化鎵功率半導體推動計劃，我國的GaN研究始於2013年。
GaN襯底主要由日本公司主導，日本住友電工的市場份額達到90%以上。國內已經小批次生產2英寸襯底，具備4英寸襯底生產能力，並開發出6英寸襯底樣品，國內可提供相關產品的企業有：納維科技、中鎵半導體。
GaN外延片相關企業主要有比利時的EpiGaN、英國的IQE、日本的NTT-AT。中國廠商有蘇州晶湛、蘇州能華和世紀金光，蘇州晶湛2014年就已研發出8英寸矽基外延片，現階段已能批次生產，2018年12月聚能晶源成功研製了8英寸矽基氮化鎵（GaN-on-Si）外延晶圓。
GaN器件設計廠商方面，有美國的EPC、MACOM、Transphom、Navitas，德國的Dialog，國內有被中資收購的安譜隆（Ampleon）等。
全球 GaN 射頻器件獨立設計生產供應商（IDM）中，住友電工和 Cree 是行業的龍頭企業，市場佔有率均超過 30%，其次為 Qorvo 和 MACOM。住友電工在無線通訊領域市場份額較大，其已成為華為核心供應商，為華為GaN射頻器件最大供應商。此外，還有法國Exagan、荷蘭NXP、德國英飛凌、日本三菱電機、美國Ⅱ-Ⅵ等。
（1）國外龍頭廠商：Macom
Macom 是矽基 GaN 的引領者，公司在北美、歐洲和亞洲擁有多個研發中心，具備超過 65 年的射頻微波器件生產歷史。公司產品線廣泛，從射頻到光器件都有所涉及，下游客戶主要包括資料中心，電信以及工業和國防等。Macom 的矽基GaN器件主要用於基站，目標是替代 LDMOS以及 SiC 基 GaN。
（2）國內龍頭廠商：蘇州能訊
蘇州能訊創立於 2007 年，是國內一家 GaN 電子器件生產企業，主要聚焦於 GaN 在微波射頻與電力電子領域。公司採用 IDM 模式，自主開發了GaN材料生長、晶片設計、晶圓工藝、封裝測試、可靠性與應用電路技術。2009 年公司生產出第一個 2000V 高壓開關功率器件產品，並在 2010 年完成了中國第一個通訊基站用 120W 氮化鎵功放晶片的開發，2014 年全球釋出業界領先的量產氮化鎵射頻微波器件。
蘇州能訊在江蘇崑山國家高新區建成了中國第一家氮化鎵（GaN）電子器件工廠，廠區佔地 55 畝，累計投資 10 億元。首期產能為3寸 GaN晶圓 6000片，2018 年生產線透過升級改造達到年處理4寸GaN晶圓5萬片的能力。
