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第三代半導體隨著近幾年的快速發展，在投資熱潮過后，逐漸有相應的產品進入到大眾的生活里面。簡單來說，第三代半導體是指以氮化鎵（GaN）、碳化硅（SiC）、金剛石、氧化鋅（ZnO）為代表的寬禁帶半導體材料。與我們熟悉的傳統第一代、第二代半導體材料硅（Si）和砷化鎵（GaAs）相比，第三代半導體具有禁帶寬度大、擊穿電場高、熱導率大、電子飽和漂移速度高、介電常數小等獨特的性能，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出巨大的潛力，是世界各國半導體研究領域的熱點。

 

在2020集微峰會上，西安電子科技大學微電子學院教授，博士生導師張進成在第三代半導體電子器件技術與產業發展現狀和趨勢的報告里面提到：“在中美貿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體材料的研發是給予了我國在半導體領域實現彎道超車的可能。” 相比我國與國外以摩爾定律引領發展的先進制程接近2-3代的巨大差距，未來在摩爾定律接近極限的前提下，發展新材料研發會是半導體行業突破之一，同時也會是我國彎道超車的好機會。

半導體材料其實已經歷經了三代的發展，第一代是四五十年代開始以鍺、硅為代表的IV族半導體材料，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族半導體的發展開辟了光電和微波應用。 第三代半導體材料的出現最早是從八十年代開始，以碳化硅SiC、氮化鎵GaN為代表，主導資源和能源節約，催生了新型照明、顯示等新應用需求和產業。

實際第三代半導體材料已經出現了很長時間，一般情況下這些材料的真正應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體材料，除此之外，第三代半導體材料還包含ZnO，GaO氧化鎵等。 

舉一個例子，一個電子產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。電子產品里面的各類器件，它的基礎材料基本都是以硅Si為主，而第三代半導體就是要為未來提供能夠比硅Si材料更加優良的器件核心材料。 經歷幾十年的發展，硅材料的研究已經很成熟，而基于硅材料制造的器件在設計和開發也經歷了幾代的優化和更新，無可否認，硅材料的極限已經逐漸顯現。

因此接下來半導體產業的發展，尋找比硅更加先進的材料會是關鍵。以氮化鎵、碳化硅為代表的第三代半導體具備優異的材料物理特性，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體材料具有禁帶寬度大、擊穿電場高、熱導率大、電子飽和漂移速度高、介電常數小等獨特的性能。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。不單減少器件的質量、體積和生命周期成本，同時允許設備在更高的溫度、電壓、頻率下工作，達到節能的同時也可以實現更高的性能表現。”

5G射頻帶動氮化鎵快速增長 

第三代半導體材料可以應用的范圍非常廣，家用電器、電力電子設備、新能源汽車、工業生產設備、高壓直流輸電設備、移動電話基站等系統中都具有廣泛的應用前景。 不過從應用領域來看，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網絡的大規模建設，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商業化的腳步越來越快，尤其是今年的5G網絡布網計劃更是驚人，明顯國內基站的建設力度在逐步擴大，而國內需求也將遠大于國外。 

根據計劃，預計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”的組網方式。5G商用宏基站將以64通道的大規模陣列天線為主，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體)技術，但是LDMOS技術適用于低頻段，在高頻領域存在局限性。 西電張進成指出：“氮化鎵GaN在功率密度上的優勢使其芯片體積大大縮小，在5G此類高功率、高頻率射頻應用中，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。”

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。據了解，GaN 能較好的適用于大規模 MIMO（多發多收 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，通過在基站側安裝幾百上千根天線，實現大量天線同時收發數據。

 

目前5G布網采用“宏基站為主，小基站為輔”的組網方式，是網絡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網絡的重要組成部分。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，宏基站布設成本較高。此外宏基站占用面積較大，布設選址的難度高，因此5G網絡的建設充分利用小基站布設簡單快速的特性，令其跟宏基站配合組網，這是實現成本和網絡最優的方案。 

隨著5G網絡建設如火如荼進行，含有GaN的基站射頻PA實現爆發式增長機會很大。目前我國5G宏基站使用的PA數量在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%。加上在目前國際環境承壓下，國內通信設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廠商的采購規模。這對于整個5G射頻器件相關的公司均會受益。根據Yole的預計，2023年GaN RF在基站中的市場規模將達到5.2億美元，年復合增長率達到22.8%。未來隨著GaN技術進步和規模化發展，GaN PA滲透率有望不斷提升，預計到2023年市場滲透率將超過85%。

在目前中美貿易摩擦加劇的環境下，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、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，我國與國外的差距至少存在2-3代的水平，加上現在遭遇美國方面的技術封鎖，要想在這條道路上實現快速追趕，基本是不可能。實際業內大部分人均認為，傳統的硅晶體在6nm制程已經接近其性能的極限。時至今天，以摩爾定律作為根基的硅材料發展已經遭遇瓶頸，世界上目前能量產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。這說明單一追求制程精度的方式在當下是不可無限延續下去的，一方面需要投入巨大的研發資金，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”核心內容：價格維持不變時，集成電路上可容納的元件數目，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展已經走到極限，如果要半導體繼續遵循摩爾定律發展，底層材料的突破變得尤為重要。美國、歐盟、日韓等國家和地區組織已經通過制定研發項目的方式來引導產業發展，它們認為突破的手段主要有兩種，一是通過底層材料突破，第三代半導體材料是關鍵，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。

國內半導體產業不斷響起國產替代和自主可控的聲音，而第三代半導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體領域實現彎道超車的機會。一方面目前已經進入第三代半導體產業的最佳發展窗口期，雖然國外包括美國、日本、歐盟等均已經開展相關研究和應用，但是國際半導體產業和設備等巨頭還沒完全形成產業、專利、標準、生態等壟斷，窗口期至少有3年左右的時間。

另一方面LED發展令我國具備了第三代半導體，特別是氮化鎵的產業基礎，不但有一定的技術和產業的積累，同時中國在制造設備、產業鏈配套、人才隊伍的建設上都有不俗的基礎。

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。可以使用落后工藝尺寸實現先進器件性能。”這會為我們第三代半導體的產業發展解決制造方面的難題，并不會如同手機等電子產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體的未來發展注入動力。目前我國已開始全球最大、最復雜、發展最快的能源互聯網建設，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，并正在發展全球增長最快的新能源汽車，全球最大規模的5G移動通信，以及全球產能最大、市場最大的半導體照明產業。所有上述應用都需要第三代半導體材料和器件的支撐。

有人粗略算了一下，如果按照產業的市場拉動來計算，第三代半導體在射頻器件和功率器件兩大領域的市場規模會到達接近5000-10000億美元。在國外承壓技術封鎖的外部環境下，國家一系列的半導體發展政策，加上國內原有的技術產業積累，相信入局第三代半導體產業的廠商必然會能創造出自己的一片天地，帶領我國半導體實現彎道超車，成功的機會很大。