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第三代半導(dǎo)體隨著近幾年的快速發(fā)展，在投資熱潮過后，逐漸有相應(yīng)的產(chǎn)品進入到大眾的生活里面。簡單來說，第三代半導(dǎo)體是指以氮化鎵（GaN）、碳化硅（SiC）、金剛石、氧化鋅（ZnO）為代表的寬禁帶半導(dǎo)體材料。與我們熟悉的傳統(tǒng)第一代、第二代半導(dǎo)體材料硅（Si）和砷化鎵（GaAs）相比，第三代半導(dǎo)體具有禁帶寬度大、擊穿電場高、熱導(dǎo)率大、電子飽和漂移速度高、介電常數(shù)小等獨特的性能，使其在光電器件、電力電子、射頻微波器件、激光器和探測器件等方面展現(xiàn)出巨大的潛力，是世界各國半導(dǎo)體研究領(lǐng)域的熱點。

 

在2020集微峰會上，西安電子科技大學微電子學院教授，博士生導(dǎo)師張進成在第三代半導(dǎo)體電子器件技術(shù)與產(chǎn)業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀和趨勢的報告里面提到：“在中美貿(mào)易摩擦加劇和摩爾定律的背景下，底層材料尤其是第三代半導(dǎo)體材料的研發(fā)是給予了我國在半導(dǎo)體領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)彎道超車的可能。” 相比我國與國外以摩爾定律引領(lǐng)發(fā)展的先進制程接近2-3代的巨大差距，未來在摩爾定律接近極限的前提下，發(fā)展新材料研發(fā)會是半導(dǎo)體行業(yè)突破之一，同時也會是我國彎道超車的好機會。

半導(dǎo)體材料其實已經(jīng)歷經(jīng)了三代的發(fā)展，第一代是四五十年代開始以鍺、硅為代表的IV族半導(dǎo)體材料，把人類帶進電子晶體管收音機的時代，而第二代是從上世紀六七十年代開始，以III-V族半導(dǎo)體的發(fā)展開辟了光電和微波應(yīng)用。 第三代半導(dǎo)體材料的出現(xiàn)最早是從八十年代開始，以碳化硅SiC、氮化鎵GaN為代表，主導(dǎo)資源和能源節(jié)約，催生了新型照明、顯示等新應(yīng)用需求和產(chǎn)業(yè)。

實際第三代半導(dǎo)體材料已經(jīng)出現(xiàn)了很長時間，一般情況下這些材料的真正應(yīng)用都需要至少十年以上的培育期。氮化鎵GaN和碳化硅同屬于第三代半導(dǎo)體材料，除此之外，第三代半導(dǎo)體材料還包含ZnO，GaO氧化鎵等。 

舉一個例子，一個電子產(chǎn)品的核心部分有計算邏輯類器件（如CPU、GPU），也會有存儲部分（RAM、硬盤），此外還會有提供電力和控制的模塊。電子產(chǎn)品里面的各類器件，它的基礎(chǔ)材料基本都是以硅Si為主，而第三代半導(dǎo)體就是要為未來提供能夠比硅Si材料更加優(yōu)良的器件核心材料。 經(jīng)歷幾十年的發(fā)展，硅材料的研究已經(jīng)很成熟，而基于硅材料制造的器件在設(shè)計和開發(fā)也經(jīng)歷了幾代的優(yōu)化和更新，無可否認，硅材料的極限已經(jīng)逐漸顯現(xiàn)。

因此接下來半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，尋找比硅更加先進的材料會是關(guān)鍵。以氮化鎵、碳化硅為代表的第三代半導(dǎo)體具備優(yōu)異的材料物理特性，為進一步提升電力電子器件的性能提供了更大的空間。 氮化鎵為代表的第三代半導(dǎo)體材料具有禁帶寬度大、擊穿電場高、熱導(dǎo)率大、電子飽和漂移速度高、介電常數(shù)小等獨特的性能。簡單來說，采用氮化鎵制造的器件要比硅器件擁有更低的能耗，更高的效率。

 

隨著硅器件逐漸接近其理論極限值，利用第三代半導(dǎo)體材料制造的器件要比硅Si和砷化鎵GaAs的性能更好。西電張進成認為：“相比較硅材料，第三代半導(dǎo)體材料制造器件可以令其變得更小、更快、更可靠、更高效。不單減少器件的質(zhì)量、體積和生命周期成本，同時允許設(shè)備在更高的溫度、電壓、頻率下工作，達到節(jié)能的同時也可以實現(xiàn)更高的性能表現(xiàn)?！?/p>

5G射頻帶動氮化鎵快速增長 

第三代半導(dǎo)體材料可以應(yīng)用的范圍非常廣，家用電器、電力電子設(shè)備、新能源汽車、工業(yè)生產(chǎn)設(shè)備、高壓直流輸電設(shè)備、移動電話基站等系統(tǒng)中都具有廣泛的應(yīng)用前景。 不過從應(yīng)用領(lǐng)域來看，其實際可以分為射頻器件和功率器件兩個類型，而隨著新基建政策的落實和我國5G網(wǎng)絡(luò)的大規(guī)模建設(shè)，5G射頻的市場潛力將會十分巨大。 目前從市場前景來看，我國推進5G商業(yè)化的腳步越來越快，尤其是今年的5G網(wǎng)絡(luò)布網(wǎng)計劃更是驚人，明顯國內(nèi)基站的建設(shè)力度在逐步擴大，而國內(nèi)需求也將遠大于國外。 

根據(jù)計劃，預(yù)計2020年5G新建基站有望達到80w座以上，其中大部分將以“宏基站為主，小基站為輔”的組網(wǎng)方式。5G商用宏基站將以64通道的大規(guī)模陣列天線為主，單基站PA（射頻功率放大器）需求量接近200個，而基站功率放大器主要為LDMOS(橫向擴散金屬氧化物半導(dǎo)體)技術(shù)，但是LDMOS技術(shù)適用于低頻段，在高頻領(lǐng)域存在局限性。 西電張進成指出：“氮化鎵GaN在功率密度上的優(yōu)勢使其芯片體積大大縮小，在5G此類高功率、高頻率射頻應(yīng)用中，能夠獲得更高的帶寬、更快的傳輸速率和更低的功耗。”

 

“相同的性能下，GaN的射頻芯片要比GaAs芯片面積降低10倍，比Si基LDMOS芯片面積降低7倍。”張進成補充。“LDMOS功率放大器的帶寬會隨著頻率的增加而大幅減少，僅在不超過3.5GHz的頻率范圍內(nèi)有效，相比之下，GaN 射頻器件更能有效滿足高功率、高通信頻段和高效率等要求?！?/p>

在5G時代對于射頻器件高頻高速的要求下，氮化鎵GaN的射頻器件迎來了機遇，其將會成為主流，并且會進一步壓縮LDMOS的市場空間。據(jù)了解，GaN 能較好的適用于大規(guī)模 MIMO（多發(fā)多收 Multi InputMulti Output）通道。為了充分利用空間資源，提高頻譜效率和功率效率，通過在基站側(cè)安裝幾百上千根天線，實現(xiàn)大量天線同時收發(fā)數(shù)據(jù)。

 

目前5G布網(wǎng)采用“宏基站為主，小基站為輔”的組網(wǎng)方式，是網(wǎng)絡(luò)廣深覆蓋的重要途徑。除卻宏基站外，小型和微型基站也是5G網(wǎng)絡(luò)的重要組成部分。事實上由于5G主要采用3.5G及以上的頻段，在室外場景下覆蓋范圍更小，受建筑物等阻擋，信號衰減更加明顯，宏基站布設(shè)成本較高。此外宏基站占用面積較大，布設(shè)選址的難度高，因此5G網(wǎng)絡(luò)的建設(shè)充分利用小基站布設(shè)簡單快速的特性，令其跟宏基站配合組網(wǎng)，這是實現(xiàn)成本和網(wǎng)絡(luò)最優(yōu)的方案。 

隨著5G網(wǎng)絡(luò)建設(shè)如火如荼進行，含有GaN的基站射頻PA實現(xiàn)爆發(fā)式增長機會很大。目前我國5G宏基站使用的PA數(shù)量在2019年達到1843.2萬個，2020年有望達到7372.8萬個，同比增長有望達到4倍。預(yù)計今年，基于GaN工藝的基站PA占比將由去年的50%達到58%。加上在目前國際環(huán)境承壓下，國內(nèi)通信設(shè)備廠商龍頭華為和中興等相信也會加大基站PA的自研力度和對國內(nèi)廠商的采購規(guī)模。這對于整個5G射頻器件相關(guān)的公司均會受益。根據(jù)Yole的預(yù)計，2023年GaN RF在基站中的市場規(guī)模將達到5.2億美元，年復(fù)合增長率達到22.8%。未來隨著GaN技術(shù)進步和規(guī)?；l(fā)展，GaN PA滲透率有望不斷提升，預(yù)計到2023年市場滲透率將超過85%。

在目前中美貿(mào)易摩擦加劇的環(huán)境下，美國對華為為首的中國科技公司的制裁力度越來越大，限制美國技術(shù)、軟件、材料等方面的圍剿。顯然在摩爾定律下的先進制程技術(shù)，我國與國外的差距至少存在2-3代的水平，加上現(xiàn)在遭遇美國方面的技術(shù)封鎖，要想在這條道路上實現(xiàn)快速追趕，基本是不可能。實際業(yè)內(nèi)大部分人均認為，傳統(tǒng)的硅晶體在6nm制程已經(jīng)接近其性能的極限。時至今天，以摩爾定律作為根基的硅材料發(fā)展已經(jīng)遭遇瓶頸，世界上目前能量產(chǎn)7nm的晶圓廠也只有臺積電和三星兩家，5nm為臺積電，而對于5nm以下更先進制程的探索和研究也確實只剩下臺積電和三星兩大玩家，諸如英特爾、格芯等廠商基本是退出了對更先進制程的研發(fā)。這說明單一追求制程精度的方式在當下是不可無限延續(xù)下去的，一方面需要投入巨大的研發(fā)資金，制程精度的提升將會越來越困難，另一方面制程精度的提升帶來的性能提升相比以往要減少很多。 

“摩爾定律”核心內(nèi)容：價格維持不變時，集成電路上可容納的元件數(shù)目，約每隔 18-24 個月便會增加一倍，性能也將提升一倍。顯然硅材料時代的摩爾定律發(fā)展已經(jīng)走到極限，如果要半導(dǎo)體繼續(xù)遵循摩爾定律發(fā)展，底層材料的突破變得尤為重要。美國、歐盟、日韓等國家和地區(qū)組織已經(jīng)通過制定研發(fā)項目的方式來引導(dǎo)產(chǎn)業(yè)發(fā)展，它們認為突破的手段主要有兩種，一是通過底層材料突破，第三代半導(dǎo)體材料是關(guān)鍵，除了氮化鎵、砷化鎵之外，碳化硅也是重要的方向；二是采用SIP等高密度封裝方式，在一定時間里面滿足性能提升的需求。

國內(nèi)半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)不斷響起國產(chǎn)替代和自主可控的聲音，而第三代半導(dǎo)體的興起會是當中重要的出路，似乎給了我們一個可以在半導(dǎo)體領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)彎道超車的機會。一方面目前已經(jīng)進入第三代半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)的最佳發(fā)展窗口期，雖然國外包括美國、日本、歐盟等均已經(jīng)開展相關(guān)研究和應(yīng)用，但是國際半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)和設(shè)備等巨頭還沒完全形成產(chǎn)業(yè)、專利、標準、生態(tài)等壟斷，窗口期至少有3年左右的時間。

另一方面LED發(fā)展令我國具備了第三代半導(dǎo)體，特別是氮化鎵的產(chǎn)業(yè)基礎(chǔ)，不但有一定的技術(shù)和產(chǎn)業(yè)的積累，同時中國在制造設(shè)備、產(chǎn)業(yè)鏈配套、人才隊伍的建設(shè)上都有不俗的基礎(chǔ)。

雖然我們在微電子制造方面離世界水平還有一段距離，但三代半功率器件恰恰是用的是6英寸、8英寸線的工藝?？梢允褂寐浜蠊に嚦叽鐚崿F(xiàn)先進器件性能?！边@會為我們第三代半導(dǎo)體的產(chǎn)業(yè)發(fā)展解決制造方面的難題，并不會如同手機等電子產(chǎn)品芯片的制造被卡脖子。

最后一點便是中國依然有著全世界最為廣闊強大的市場拉力，多元的需求能為第三大半導(dǎo)體的未來發(fā)展注入動力。目前我國已開始全球最大、最復(fù)雜、發(fā)展最快的能源互聯(lián)網(wǎng)建設(shè)，已建和在建全球最高運營速度、最長運營里程、最佳效益的高速軌道交通，并正在發(fā)展全球增長最快的新能源汽車，全球最大規(guī)模的5G移動通信，以及全球產(chǎn)能最大、市場最大的半導(dǎo)體照明產(chǎn)業(yè)。所有上述應(yīng)用都需要第三代半導(dǎo)體材料和器件的支撐。

有人粗略算了一下，如果按照產(chǎn)業(yè)的市場拉動來計算，第三代半導(dǎo)體在射頻器件和功率器件兩大領(lǐng)域的市場規(guī)模會到達接近5000-10000億美元。在國外承壓技術(shù)封鎖的外部環(huán)境下，國家一系列的半導(dǎo)體發(fā)展政策，加上國內(nèi)原有的技術(shù)產(chǎn)業(yè)積累，相信入局第三代半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)的廠商必然會能創(chuàng)造出自己的一片天地，帶領(lǐng)我國半導(dǎo)體實現(xiàn)彎道超車，成功的機會很大。