第三代半導體正在成為市場焦點。
6月中旬，第三代半導體產業技術創新戰略聯盟（以下簡稱“聯盟”）在最新發布的《第三代半導體產業發展報告2020》（以下簡稱“報告”）中表示，以碳化硅和氮化鎵為代表的第三代半導體在新能源汽車、5G、光伏發電、快充等領域不斷取得突破，2020年全球第三代半導體市場總體保持增長態勢。
據其統計，由于5G基站、新能源、快充市場發展等原因拉動，去年我國第三代半導體碳化硅、氮化鎵電力電子和氮化鎵微波射頻市場總規模達到113億元，較2019年增長85%。“然而，不斷增長的市場規模并未對國內產業形成有效拉動，國內企業規模仍然較小，在新能源汽車、5G基站等關鍵市場超過八成的國內市場份額主要被國際大廠占有。”聯盟在報告中指出。
有半導體產業鏈上市公司相關人士亦向記者表示，“第三代半導體大家都在研發當中，但是真正能夠大規模量產的并不多，目前大部分的量都是進口國外的產品。”
半導體演進
第一代半導體是以硅材料為主，廣泛應用在手機、電腦等領域，比如電腦的和手機的處理器都采用這種硅基的半導體技術。第二代半導體以砷化鎵、銻化銦為代表，主要是功率放大，用于衛星通訊、移動通訊、導航等領域。第三代半導體是以氮化鎵、碳化硅為代表的化合物半導體，主要應用于光電子、電力電子和微波射頻，比如手機快充、新能源車、軌道交通、5G基站、航空航天等等。
國內半導體生產企業華潤微（688396.SH）相關人士在接受記者采訪時表示，目前該公司也在布局第三代半導體，已經推出了碳化硅二極管樣品。目前公司采用IDM的模式，也就是說在半導體產業鏈上覆蓋了設計、制造、封測等多個環節。
上述人士進一步介紹稱，相比前兩代，第三代半導體的特點主要是寬禁帶、性價比高。寬禁帶意味著產品具有高擊穿電場、高熱導率、高遷移率、高飽和電子速度、高電子密度、可承受大功率等特點。因此第三半導體使用的范圍和場景都更好一些。
另一家半導體企業三安光電（600703.SH）的相關人士則對記者表示，第三代半導體可以用于手機、車、基站等。目前三安光電在化合物半導體方面是國內最大的生產企業，涉及半導體襯底和外延的生產，主要做6英寸的產品生產。“有很多還處于研發狀態，有些產品已經上市，比如三星的電視就用到了三安光電的部件。”
根據三安光電在2020年度報告中的介紹，電力電子器件又稱為功率器件，主要應用于變頻、變壓、變流、功率放大和功率管理等領域，幾乎用于所有的電子制造業，包括計算機、網絡通信、消費電子、汽車電子、工業控制等。
目前，第三代半導體功率器件發展方向主要有碳化硅和氮化鎵兩大方向，碳化硅和氮化鎵等第三代半導體因禁帶寬度和擊穿電壓高，在功率半導體領域有很大的應用潛力。碳化硅擁有更高的熱導率和更成熟的技術，氮化鎵高電子遷移率和飽和電子速率、成本更低的優點，兩者的不同優勢決定了應用范圍上的差異。
路線與模式
氮化鎵集中在600V以下領域，主要應用于快充、電源開關、激光雷達、服務器電源等市場；碳化硅用于1200V以上領域，主要應用于電動汽車、PFC電源、儲能、充電樁、軌道交通、智能電網等領域。
聯盟在《報告》中則進一步分析稱，預計三到五年內，碳化硅功率器件將成為新能源汽車中電機驅動器系統主流的技術方案，這將給全球碳化硅功率器件產業帶來巨大發展機遇。豐田、大眾、本田、寶馬、奧迪等汽車企業都將碳化硅功率器件作為未來新能源汽車電機驅動系統的首選解決方案。
國外多家企業同時也開始推動氮化鎵在新能源汽車領域的應用，多家企業都推出了車規級商業化產品。與硅技術相比，氮化鎵芯片具有以下優勢：開關速度最大提高4倍、降低電壓電流交叉損耗、功率密度最高增加40%。但國內氮化鎵功率半導體研發及應用起步相對較晚，尚未在新能源汽車領域取得實質進展。
根據聯盟的預計，國內碳化硅汽車市場將以30.6%的復合年增長率增長，2020年市場規模15.8億元，到2025年將超過45億元。折算成晶圓，國內2020年新能源汽車市場6英寸碳化硅晶圓需求量超過4萬片，預計到2025年需求量將增長到近30萬片。國際2020年新能源汽車市場6英寸碳化硅晶圓需求量超過5萬片，到2025年需求量超過60萬片。
另外，氮化鎵電力電子器件在快充市場也發展迅速。充電頭網的數據顯示，去年有10家手機廠商推出了18款氮化鎵快充，華為、小米、OPPO、聯想、魅族、努比亞等主流廠商均位列其中，而小米、聯想、OPPO、Realme、三星等品牌已經將氮化鎵快充作為手機的標配。氮化鎵電力電子器件具有高開關頻率、高能量密度和高能量轉換效率的特點，能夠使氮化鎵PD快充實現更高功率、更小體積和更高轉換效率。隨著氮化鎵技術的革新升級，性能及成本優勢加持下，氮化鎵未來有望成為主流快充技術。
而且，快充技術從手機出發，已經逐步覆蓋到了平板電腦、筆記本電腦、顯示器、新能源汽車、電動工具、IoT設備等七大市場。除了手機廠商之外，筆電廠商也已陸續進入氮化鎵快充市場，聯想、戴爾、LG等品牌均基于氮化鎵功率器件推出了高效的大功率快充配件，而新產品相較于傳統的筆記本適配器體積大大縮小，一臺65W以上容量的快充，可滿足筆記本、手機和平板電腦的充電需求。聯盟認為，氮化鎵快充將在未來幾年迎來發展的巔峰，市場容量十分可觀。
CASAResearch的數據顯示，去年國內PD快充氮化鎵電力電子器件市場規模約1.5億元，預計到2025年市場規模將超過40億元，年均復合增長率97%；去年全球PD快充氮化鎵電力電子器件市場規模超過3億元，預計到2025年市場規模達到80多億元，年均復合增長率90%。折算到上游晶圓需求來看，國內去年PD快充市場6英寸氮化鎵晶圓需求量為1.7萬片，到2025年需求量約為67.4萬片;國際去年PD快充市場6英寸氮化鎵晶圓需求量為3.7萬片，到2025年需求量將超過120萬片。
在微波射頻方面，據CASARe－search統計，去年國內氮化鎵微波射頻器件市場規模為66.1億元，較上年同比增57.2%。考慮到5G基站建設是影響氮化鎵微波射頻器件市場規模變化的主要因素，預計2022年我國5G基站建設將達到高峰，帶動國內氮化鎵微波射頻器件市場規模迅速擴張。而且，即使在2023年以后我國5G基站建設規模將有所回落，但毫米波基站將有望始大規模部署，成為拉動市場的主要力量，帶動國內氮化鎵微波射頻器件市場規模成倍數增長。
根據聯盟的分析，去年我國5G宏基站氮化鎵射頻功率放大器市場規模73億元，到2022年市場規模接近100億元，復合增長率達到17.5%。2023年毫米波基站將開始部署，預計射頻功率放大器市場規模將有5-10倍的增長需求。整體來看，5G宏基站、微基站及毫米波基站帶來的氮化鎵射頻功率放大器市場規模將超過1000億元。折算成晶圓來看，若毫米波基站開始部署，其4英寸氮化鎵晶圓總需求量約為200-400萬片。
然而，目前全球射頻器件市場由住友電工、Cree|Wolfspeed和Qorvo三家企業占據，其中住友電工為華為主要供應商。國內在毫米波領域處于空白，沒有相關器件供應商。
差距仍大
盡管目前國內第三代半導體在規模和技術方面發展迅速，但和國際上的主要公司相比仍然有不小差距。
上述華潤微人士向記者表示：“這個第三代半導體大家都在研發當中，但是真正能夠大規模量產的并不多，目前大部分的量都是進口國外的產品。”
三安光電的內部人士也告訴記者，目前公司大部分的產品還是傳統的LED芯片產品，現在第三代半導體產品總體占比不大，不過產品的結構也在慢慢變化，占比在逐漸增加。
來自聯盟的數據顯示，去年我國第三代半導體產業電力電子和射頻電子總產值超過100億元，較2019年增長69.5%。其中，碳化硅、氮化鎵電力電子產值規模達44.7億元，同比增長54%，襯底材料約2.2億元，外延及芯片約5億元，器件及模組約7.2億元，裝置約30億元，相較前幾年，中下游的增長速度加快。而氮化鎵微波射頻產值達到60.8億元，同比增長80.3%。其中，襯底約6.5億元，外延及芯片9.2億元，器件及模組19.6億元，裝置約25.5億元。
而根據CASAResearch的不完全統計，截至2020年底，國內有超過170家從事第三代半導體電力電子和微波射頻的企業（2018年這個數字尚不足100家），覆蓋了從上游材料的制備(襯底、外延)、中游器件設計、制造、封測到下游的應用，基本形成完整的產業鏈結構。
在此同時，傳統半導體企業依托資金、技術、渠道以及商業模式的優勢，正在積極布局第三代半導體。比如去年有17家半導體企業陸續登陸科創板，其中有5家企業計劃布局第三代半導體。
當然，目前國產替代的過程也在加速，以華為為代表的應用企業調整供應鏈，使得國內企業獲得了試用、改進的機會，國產器件逐漸導入終端產品供應鏈。國內第三代半導體企業抓住發展機遇，主動與下游應用企業開展合作，推動國產器件的快速應用。
根據聯盟提供的信息，國內碳化硅商業化襯底以4英寸為主，逐步向6英寸過渡，微管密度、襯底可用面積、位錯等技術參數都有所進步。在研發方面，目前已經實現了高質量6英寸碳化硅襯底材料的制備，但“國內碳化硅襯底單晶質量與國外差距明顯，存在單晶性能一致性差、成品率低、成本高等問題，國產高性能襯底自給率仍然較低，占全球的市場份額不到5%。”
此外，聯盟認為，目前產業鏈各環節產能雖然在不斷增長，但供給仍然不足。去年新能源汽車、PD快充、5G等下游應用市場增長超預期，但國內現有產品商業化供給無法滿足市場需求，尤其是碳化硅電力電子和氮化鎵射頻存在較大缺口。這也導致我國第三代半導體各環節國產化率較低，超過八成的產品依賴進口。“整體來看，我國第三代半導體供應鏈的自主保障能力得到增強，但國內企業的市場競爭力較國際巨頭仍有差距。與國際企業相比，我國第三代半導體產業規模仍然較小，企業優勢不明顯。目前各細分應用市場的核心器件均由 Cree|Wolfspeed、ROHM、Infi－neon等國外企業占據，國產產品市占率不足10%。”“（尤其）值得注意的是，大尺寸產線對材料技術和生產技術的要求更高，與國際相比，國內大尺寸晶圓制造技術尚未完全成熟，成本高昂、良率較低。企業要根據自身情況，綜合考慮技術、成本、生產效率等多方面因素，選取最優的工藝路線。”聯盟表示。
