近期，以碳化硅、氮化鎵、金剛石為代表的第三代半導體概念異軍突起，A股市場更出現了12天市值暴漲113%的企業，在半導體產業風波不斷的今天，紅得發紫的第三代半導體離我們還有多遠呢？
01
有望彎道超車的第三代半導體
據了解，第一代半導體以硅、鍺為代表，是目前大部分半導體的主要材料，發展成熟；第二代半導體以砷化鎵、磷化銦為代表，是4G時代的大部分通信設備的材料；第三代半導體材料以氮化鎵(GaN)、碳化硅(SiC)、氧化鋅(ZnO)、金剛石為四大代表，性能優勢在于耐高壓、耐高溫、大功率、抗輻射、導電性能強、工作速度快、工作損耗低。
如果說第一代半導體材料奠定了微電子產業的基礎，第二代半導體材料奠定了信息產業的基礎，那么第三代半導體材料將是提升新一代信息技術核心競爭力的重要支撐。與前兩半導體材料相比，第三代半導體材料具有更寬的禁帶寬度、更高的擊穿電場、更高的熱導率、更大的電子飽和速度以及更高的抗輻射能力，滿足現代電子技術對半導體材料提出的高溫、高功率、高壓、高頻以及抗輻射等新要求，更適合制作高溫、高頻、抗輻射及大功率器件。
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達8.54億美元。未來十年將達年均兩位數增長率，到2029年銷售收入將超過50億美元。
目前第三代半導體材料已經成為發達國家戰略部署重點。美國、日本、歐盟等國家和地區均將其置于重要的戰略位置，對其投入巨資進行支持。2013年日本政府將SiC納入“首相戰略”，認為未來50%的節能要通過它來實現；2014年1月，美國宣布設立國家下一代電力電子制造業創新學院，5年內將至少投入1.4億美元，對寬帶隙半導體技術進行研究，加速其商業化應用；2016年10月，美國成立半導體工作組，專注于加強美國的半導體產業；2015年英國政府和威爾士政府為卡迪夫大學投資超過2 900萬英鎊，用于建設新的化合物半導體研究所（ICS），該研究所不僅是下一代化合物半導體技術創新中心的重要組成部分，也是建設歐洲第5個半導體集群戰略的關鍵組成部分。
跨國企業也積極布局發展第三代半導體材料。第三代半導體材料吸引了大批國際巨頭公司。美國的科銳公司、道康寧、II-VI公司、國際整流器公司、射頻微系統公司、飛思卡爾半導體公司，德國的SiCrystal公司和Azzurro公司，英國的普萊思公司，日本的富士通公司和松下公司，加拿大的氮化鎵系統公司等，紛紛開展第三代半導體材料產業化及應用技術研發工作，以期在未來半導體市場競爭中繼續保持有利地位。
當前，以碳化硅和氮化鎵為代表的第三代半導體已逐漸受到國內外市場重視。由于國內廠商對第三代半導體的研究起步時間并沒有被國外廠商拉開差距，因此在這一材料技術領域中國半導體企業有“彎道超車”的可能。
同時，第三代半導體是目前已知的理論上光電、電光轉換效率最高的材料體系。下游應用包括：微波射頻器件(通信基站等)、電力電子器件(電源等)、光電器件(LED照明等)。
02
Mini LED似乎更受歡迎
第三代半導體全面爆發恐怕還需要不短的時間，對于制造業而言，Mini LED似乎更受歡迎。
MiniLED是最近幾年在小間距LED基礎上所衍生出的新型LED顯示技術，也被稱為“亞毫米發光二極管”。2020 年有望是 MiniLED 啟動的元年，市場非常龐大，上半年部分廠商已經有MiniRGB及TV背光產品出貨，下半年龍頭終端品牌廠有望推出部分中尺寸的MiniLED背光產品。如果全部顯示終端采用Mini LED背光技術，電視和電腦顯示器年合計需要近4800萬片4英寸LED 晶圓，空間巨大。
高工LED預測，我國MiniLED應用市場規模在2018年僅3億元，2020 年預計達到22億元。集邦咨詢研究中心(LEDinside)預測，到2023年，Mini LED市場將超過10億美元。
Mini LED產業本身就是國家未來發展重點產業之一。同時 Mini LED是新一代顯示技術，我國在其全套生產技術上已經能完全自主并處于國際先進水平，抓住這個戰略機遇，就能避免當年我國在液晶時代長時期無屏之痛的歷史重演。
目前第三代半導體材料氮化鎵已經成功在LED藍光芯片和激光芯片上得到了成功的商業應用，形成了較好商業效益，現在 Mini LED時代已經開啟。
03
觸手可及的第三代半導體
從半導體材料到終端產品有多遠？或許氮化鎵(GaN)的落地能讓人們略窺一二。
作為第三代半導體材料的氮化鎵（GaN），是一種堅硬的高熔點（熔點約為1700℃）材料，具有高頻、高效率、耐高壓等特性，用于制作多種功率器件和芯片。
氮化鎵在半導體材料領域的研究已經持續多年，近期廣為人知，是因為它可以用在充電器中。今年2月，小米發布新品，其中65W GaN充電器成為一大亮點。
不過這并不是第一款氮化鎵充電器，早在去年四季度，OPPO就發布了全球首款65W GaN充電器。兩家大廠相繼布局，意味著技術已經進一步成熟。
而且，氮化鎵充電器并不僅僅用于手機充電。更小、更便捷的GaN充電器是解放筆記本的一大利器。近期汽車零部件供應商馬瑞利與半導體公司Transphorm合作開發氮化鎵充電技術。未來，筆記本、新能源車或許都會用到氮化鎵充電器。
華為旗下的哈勃科技投資有限公司2019年8月投資了國內領先的碳化硅材料公司山東天岳先進材料科技有限公司，持股達10%。碳化硅是另一種第三代半導體材料，是制造高溫、高頻、大功率半導體器件的理想襯底材料，綜合性能較硅材料可提升上千倍，可用于固態光源、電力電子、微波射頻器件。
充電器之外，5G帶來更廣闊的應用空間。在射頻領域，氮化鎵射頻器件適合高頻高功率場景，是5G時代的絕佳產品，將替代Si基芯片，應用在5G基站、衛星通信、軍用雷達等場景。
隨著5G基站的建設迎來高峰，相應的各種射頻器件、芯片數量和質量都在提升，市場需求旺盛。氮化鎵工藝正在逐步占領市場，已經勢不可擋。拓璞產業研究院預計到2023年基站端GaN射頻器件規模達到頂峰，達到112.6億元。
04
這是一個比拼生態的戰場
全球半導體大廠跨入第三代半導體材料，已多展開合作、策略結盟或購并，包括IDM 廠商意法半導體購并Norstel AB 以及法國Exagan、英飛凌收購Siltectra ，以及日商ROHM 收購SiCrystal 等；而中國臺灣廠商也爭逐第三代半導體材料，以今年上半年臺積電攜手意法半導體最具代表性，而此次矽晶圓大廠環球晶與宏捷科的策略私募入股，整合上下游產業鏈的能力達成互補，加快開發腳步以及瓶頸，打團戰比單打獨斗，更快可獲取市場。
在半導體對外投資受阻情況下，國內自主創新發展是必由之路。2018年，在政策和資金的雙重支持下，國內第3代半導體領域新增3條SiC產線。投資方面GaN熱度更高，據第3代半導體產業技術創新戰略聯盟（ CASA ）不完全統計，2018年國內第3代半導體相關領域共有8起大的投資擴產項目，其中4起與GaN材料相關，涉及金額220億元。
技術層面，SiC襯底和外延方面，國內仍然是4英寸為主，已開發出6英寸產品并實現小批量供貨；國內批量生產的GaN襯底仍以2英寸為主。國內600 ～3300V SiC肖特基二極管技術較為成熟，產業化程度繼續提升，目前也已研制出1200～1700V SiC金氧半場效晶體管（MOSFET）器件，但可靠性較低，目前處于小批量生產階段；國內全SiC功率模塊，主要指標為1200V /50～600A、650V /900A。
GaN高電子遷移率晶體管（HEMT）方面，國內2018年推出了650V/10 ～30A的GaN晶體管產品；GaN微波射頻器件方面，國產GaN射頻放大器已成功應用于基站，Sub 6 GHz和毫米波GaN射頻功率放大器也已實現量產。
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整體落地依舊需要時間
寫在最后：從全球技術發展階段而言，第一、二代被歐美巨頭壟斷，第三代半導體國內外的發展基本處在同一起跑線，對于國內是很好的機會。近年來，有歐美大廠在逐步布局該領域的研究，華為也開啟了對第三代半導體材料的布局。
國內的5G產業發展迅速，會成為第三代半導體產品應用的主要領域，可以根據市場需求定制化研發生產?？傮w而言，我國第三代半導體技術和產業都取得較好進展，但在材料指標、器件性能等方面與國外先進水平仍存在一定差距，市場繼續被國際巨頭占據，國產化需求迫切。
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