解密第三代半導(dǎo)體材料：華為小米緊追，突破歐美鎖喉的新武器

傳感器技術(shù)

A股半導(dǎo)體材料板塊徹底爆了，這還是在前夜美股出現(xiàn)“午夜驚魂”大跌一場(chǎng)之后！

探究A股半導(dǎo)體概念股硬氣扛住外盤影響的原因，是前一晚一則把“第三代半導(dǎo)體材料”這個(gè)名詞推進(jìn)人們視野的政策面消息。

《證券時(shí)報(bào)》報(bào)道稱，據(jù)權(quán)威人士透露，我國(guó)正計(jì)劃把大力支持發(fā)展第三代半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)，寫入正在制定中的“十四五”規(guī)劃，并計(jì)劃在2021～2025年間，在教育、科研、開發(fā)、融資、應(yīng)用等等各個(gè)方面，大力支持發(fā)展第三代半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)，以期實(shí)現(xiàn)獨(dú)立自主。

“第三代半導(dǎo)體”的概念或許讓人感到陌生，但實(shí)際上，就在今年，兩種典型的第三代半導(dǎo)體材料已經(jīng)走進(jìn)日常生活、引起市場(chǎng)熱度：

今年2月13日，小米發(fā)布氮化鎵充電器Type-C 65W，以體積小、高效率作為賣點(diǎn)，發(fā)售首日即售罄。小鵬、寧德時(shí)代、理想、蔚來……各大品牌的新能源汽車日益常見，而在電動(dòng)汽車的車載充電系統(tǒng)、主驅(qū)系統(tǒng)中，碳化硅材料的應(yīng)用屢見不鮮。

就算不知道“第三代半導(dǎo)體”的明確定義，但透過這些現(xiàn)象不難得知，在面向未來的功率電子、新能源領(lǐng)域等領(lǐng)域， 氮化鎵、碳化硅這一類非純硅、以“抗高壓、抗高溫、抗輻射、能承受大功率”為特性的半導(dǎo)體材料正日漸興起 。

20世紀(jì)50年代，互聯(lián)網(wǎng)、計(jì)算機(jī)產(chǎn)業(yè)方興未艾，硅基芯片成為那把開啟“地球村”的金鑰匙。2020年，站在新的時(shí)間節(jié)點(diǎn)上，5G、新能源、光電……成為全球關(guān)注的新風(fēng)向，市場(chǎng)已經(jīng)敏銳地注意到，這次或?qū)⒂傻谌雽?dǎo)體材料成為那把開啟世界產(chǎn)業(yè)革命的鑰匙。

01

第三代半導(dǎo)體材料市場(chǎng)火爆

今年2月13日，小米發(fā)布氮化鎵充電器Type-C 65W，發(fā)售首日即售罄，這可以看作是氮化鎵充電市場(chǎng)被引爆的標(biāo)志。隨后幾個(gè)月，各大廠商紛紛“跟風(fēng)”，把“氮化鎵”“快充”等概念作為造勢(shì)賣點(diǎn)。

4月8日，華為發(fā)布一款功率同為65W的氮化鎵充電器，支持Type-C和A爽口模式，能給手機(jī)和平板充電。

7月15日，OPPO發(fā)布一款50W mini氮化鎵充電器，厚度僅10mm，外形酷似“餅干”。

▲小米發(fā)布氮化鎵充電器Type-C 65W

今年以來，新能源汽車?yán)谜哳l出，與之相伴的是小鵬、寧德時(shí)代、理想、蔚來等電動(dòng)汽車品牌日益頻繁地出現(xiàn)在人們視野。另一種代表性第三代半導(dǎo)體材料碳化硅乘上了這一股“東風(fēng)”。

用碳化硅材料制造的汽車電子功率器件，能夠降低車載充電系統(tǒng)、主驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)等的能耗，與“新能源”的市場(chǎng)需求“不謀而合”。按照汽車終端市場(chǎng)計(jì)算，到2022年，碳化硅總市場(chǎng)容量有望超過10億美元。

除了能用于制作汽車用功率電子，碳化硅材料還是5G芯片的最理想的襯底。近一兩年來，5G建設(shè)成為熱潮。今年6月6日，中國(guó)鐵塔副總經(jīng)理張權(quán)曾表示，中國(guó)鐵塔已經(jīng)累計(jì)建成5G基站25.8萬個(gè)，共享率達(dá)到97%！某種意義上說，碳化硅晶片就是5G基站的心臟。

第三代半導(dǎo)體材料的火爆也體現(xiàn)在股市上，“十四五”規(guī)劃或?qū)榈谌雽?dǎo)體材料劃重點(diǎn)的消息一出，第三代半導(dǎo)體市場(chǎng)再添熱度。

9月4日早間股票開盤，幾家第三代半導(dǎo)體材料公司股價(jià)紛紛開漲，比如乾照光電收獲20%漲停，聚燦光電、易事特等漲超10%。

▲9月4日早盤，第三代半導(dǎo)體概念板塊股價(jià)開漲（圖源：上海證券報(bào)）

目前，中國(guó)對(duì)第三代半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)的建設(shè)也在加碼。今年7月20日，投資160億元、占地面積1000畝的“三安光電第三代半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)園”，在長(zhǎng)沙高新區(qū)啟動(dòng)開工建設(shè)。該產(chǎn)業(yè)園主要用于建設(shè)具自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的碳化硅襯底、外延、芯片及封裝產(chǎn)業(yè)生產(chǎn)基地，也將建設(shè)我國(guó)首條碳化硅全產(chǎn)業(yè)鏈產(chǎn)線，這也意味中國(guó)邁出了第三代半導(dǎo)體材料“全自研”過程中的的一步。

▲三安光電股份有限公司關(guān)于簽署《項(xiàng)目投資建設(shè)合同》的公告

5G、智慧交通、新能源已經(jīng)成為全球發(fā)展的方向，而碳化硅、氮化鎵的市場(chǎng)潛力還遠(yuǎn)未被全部挖掘。

據(jù)市場(chǎng)分析機(jī)構(gòu)賽迪顧問統(tǒng)計(jì)，2019年在射頻器件領(lǐng)域氮化鎵占比超過30%，氮化鎵市場(chǎng)規(guī)模約5.6億美元；到2025年，氮化鎵在射頻器件領(lǐng)域占比有望超過50%，市場(chǎng)規(guī)模有望沖破30億美元。

碳化硅方面，2019年全球碳化硅市場(chǎng)規(guī)模約5.4億美元，在2025年有望達(dá)到30億美元，汽車市場(chǎng)將成為碳化硅市場(chǎng)規(guī)模增長(zhǎng)的重要驅(qū)動(dòng)力。

02

第三代半導(dǎo)體材料之星：碳化硅和氮化鎵

當(dāng)今信息產(chǎn)業(yè)的基石仍是硅基芯片，據(jù)市場(chǎng)分析機(jī)構(gòu)前瞻產(chǎn)業(yè)研究院統(tǒng)計(jì)，全球晶圓材料市場(chǎng)中，硅材料占據(jù)95%的份額，其重要性不言而喻。

但實(shí)際上，最初晶體管并不是用硅材料制造的；而近些年來，對(duì)非硅基、非純硅半導(dǎo)體材料的探索也從未停止。

如同當(dāng)初順應(yīng)移動(dòng)通信潮流，以直接帶隙為特點(diǎn)、光電性能優(yōu)越的第二代半導(dǎo)體材料成為熱潮；當(dāng)今具備寬禁帶特點(diǎn)、高溫、抗輻射、抗高壓的第三代半導(dǎo)體材料順應(yīng)5G通信、新能源、光電轉(zhuǎn)換的市場(chǎng)需求，市場(chǎng)熱度日益高漲。

▲三代半導(dǎo)體材料應(yīng)用領(lǐng)域?qū)Ρ?/p>

在第三代半導(dǎo)體材料中，碳化硅、氮化鎵技術(shù)較為成熟，也成為市場(chǎng)布局的重點(diǎn)，其余的金剛石、氧化鋅、氮化鋁等材料還處于研究起步階段。

第三代半導(dǎo)體材料普遍都具有寬禁帶（禁帶寬度Eg》2.3eV）、高擊穿電場(chǎng)、較大的電子飽和速度和抗輻射能力等特點(diǎn)。其中，禁帶寬度大于2.3eV是第三代半導(dǎo)體材料最為典型的特點(diǎn)，也是碳化硅、氮化鎵某些性能優(yōu)于硅材料的主要原因。

▲第三代半導(dǎo)體材料性能參數(shù)對(duì)比

禁帶大小主要與半導(dǎo)體的能帶結(jié)構(gòu)（即晶體結(jié)構(gòu)和原子的結(jié)合性質(zhì)等）有關(guān)，寬禁帶半導(dǎo)體材料一般具有比硅高得多的臨界雪崩擊穿電場(chǎng)強(qiáng)度和載流子飽和漂移速度、較高的熱導(dǎo)率和相差不大的載流子遷移率，這意味著寬禁帶半導(dǎo)體材料比硅材料的耐高壓能力、導(dǎo)熱性、熱穩(wěn)定性、抗輻射能力更強(qiáng)。

在禁帶寬度以外，碳化硅和氮化鎵在其他材料性能方面還有一些差異，這導(dǎo)致氮化鎵和碳化硅在應(yīng)用落地領(lǐng)域上各有側(cè)重。

具體來說，碳化硅材料的熱導(dǎo)率更高，在高功率、高溫和1200V以上的大電力領(lǐng)域中具備更大的應(yīng)用潛力，比如智能電網(wǎng)、交通、新能源汽車、光伏、風(fēng)電等領(lǐng)域；

氮化鎵材料電子遷移率較高，適合在高頻率、1000V以下的高頻小電力領(lǐng)域中應(yīng)用，有三大應(yīng)用方向，分別是射頻、光電、電力電子器件。

與硅材料相似，碳化硅、氮化鎵材料產(chǎn)業(yè)鏈可分為以下環(huán)節(jié)：襯底、外延片、器件制造。

03

第三代半導(dǎo)體材料或成國(guó)產(chǎn)化重要抓手

目前，第三大半導(dǎo)體材料市場(chǎng)呈現(xiàn)出美日歐玩家領(lǐng)先的格局。以碳化硅為例，美國(guó)全球獨(dú)大，占據(jù)全球碳化硅產(chǎn)量的70～80%；歐洲擁有完整的 SiC 襯底、外延片、器件以及應(yīng)用產(chǎn)業(yè)鏈，日本則是設(shè)備和模塊開發(fā)方面的領(lǐng)先者。相比之下，中國(guó)的第三代半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)稍顯貧弱，在技術(shù)領(lǐng)先度、市場(chǎng)份額占比等方面較落后。

盡管如此，第三代半導(dǎo)體材料仍有望成為我國(guó)半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)鏈國(guó)產(chǎn)化的重要抓手。

第一，細(xì)究美日歐第三代半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)領(lǐng)先的原因，離不開美日歐政府的政策推動(dòng)，這些國(guó)家更早地意識(shí)到了第三代半導(dǎo)體材料在通信、軍工、航空航天等領(lǐng)域的戰(zhàn)略意義，并較早地開始了有針對(duì)性的布局。

近些年來，中國(guó)的對(duì)半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)鏈的重視亦已凸顯，不論是新基建對(duì)5G、集成電路的重視，還是兩期國(guó)家大基金的成立，都為芯片產(chǎn)業(yè)提供了土壤，也將惠及半導(dǎo)體材料的創(chuàng)新。

其次，盡管我國(guó)在第三代半導(dǎo)體材料的布局方面稍顯落后，但并未遭遇“卡脖子”的情況。

以國(guó)內(nèi)外碳化硅晶圓制造技術(shù)做對(duì)比，2018年，我國(guó)領(lǐng)先的碳化硅材料玩家天科合達(dá)實(shí)現(xiàn)了6英寸碳化硅晶片的量產(chǎn)；2019年10月，美國(guó)領(lǐng)先的碳化硅玩家Cree已經(jīng)完成了8英寸碳化硅晶圓樣品的制備。相比之下，二者在技術(shù)代際上的差別并不懸殊。

另外，我國(guó)第三代半導(dǎo)體器件市場(chǎng)有著巨大的增長(zhǎng)空間，或能成為倒逼上游材料發(fā)展的一大動(dòng)力。據(jù)市場(chǎng)研究機(jī)構(gòu)賽迪顧問統(tǒng)計(jì)，2019年我國(guó)第三大半導(dǎo)體器件市場(chǎng)規(guī)模達(dá)到86.29億元，增長(zhǎng)率為99.7%，到2022年，中國(guó)第三大半導(dǎo)體器件市場(chǎng)規(guī)模有望沖破608.21億元，增長(zhǎng)率為78.4%。

消費(fèi)市場(chǎng)的熱度背后，是整個(gè)第三代半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)鏈上下游的積極聯(lián)動(dòng)。目前，我國(guó)已經(jīng)形成完備的碳化硅材料、氮化鎵材料產(chǎn)業(yè)鏈。

舉例來說，碳化硅產(chǎn)業(yè)鏈方面，國(guó)產(chǎn)襯底玩家有山東天岳、北京天科合達(dá)等；外延片玩家有瀚天天成電子科技有限公司、東莞市天域半導(dǎo)體等；器件制造領(lǐng)域，則有泰科天潤(rùn)半導(dǎo)體、廈門芯光潤(rùn)澤科技有限公司等。

氮化鎵材料產(chǎn)業(yè)鏈方面，襯底材料玩家有蘇州納維、東莞中鎵等；外延片玩家有晶湛半導(dǎo)體、江蘇能華等；器件制造領(lǐng)域，安普隆半導(dǎo)體、海思等。

04

結(jié)語：第三代半導(dǎo)體材料的時(shí)代來了？

前面說到，硅材料在全球晶圓材料市場(chǎng)占據(jù)約95%的市場(chǎng)份額，第二代、第三代半導(dǎo)體材料則共同“分食”剩下的約5%。

隨著全球通信、新興的電子科技繼續(xù)發(fā)展，對(duì)第三代半導(dǎo)體材料的市場(chǎng)需求必將繼續(xù)增長(zhǎng)。盡管其占據(jù)市份不足5%，但從另一個(gè)角度來看，這亦代表著第三大半導(dǎo)體材料市場(chǎng)是一片有巨大潛在增量空間的藍(lán)海。

另外，對(duì)整個(gè)芯片產(chǎn)業(yè)鏈來說，建立在硅材料上的摩爾定律觸頂是一把懸頂之劍，對(duì)半導(dǎo)體材料的創(chuàng)新則是業(yè)界解決這一隱憂的出口之一。

對(duì)于中國(guó)來說，大力發(fā)展第三代半導(dǎo)體材料產(chǎn)業(yè)還有另一層意義。在中美貿(mào)易摩擦中，美國(guó)一紙禁令卡住了中國(guó)芯片產(chǎn)業(yè)鏈的“咽喉”，亦昭示著關(guān)鍵技術(shù)“自主可控”的重要性。從這個(gè)層面來說，取得第三代半導(dǎo)體材料上的突破，或許就是中國(guó)集成電路產(chǎn)業(yè)“彎道超車”的一個(gè)有力抓手。