解密第三代半導體材料：華為小米緊追，突破歐美鎖喉的新武器

傳感器技術

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

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

《證券時報》報道稱，據(jù)權威人士透露，我國正計劃把大力支持發(fā)展第三代半導體產(chǎn)業(yè)，寫入正在制定中的“十四五”規(guī)劃，并計劃在2021～2025年間，在教育、科研、開發(fā)、融資、應用等等各個方面，大力支持發(fā)展第三代半導體產(chǎn)業(yè)，以期實現(xiàn)獨立自主。

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

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，發(fā)售首日即售罄。小鵬、寧德時代、理想、蔚來……各大品牌的新能源汽車日益常見，而在電動汽車的車載充電系統(tǒng)、主驅系統(tǒng)中，碳化硅材料的應用屢見不鮮。

就算不知道“第三代半導體”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、新能源領域等領域， 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”為特性的半導體材料正日漸興起 。

20世紀50年代，互聯(lián)網(wǎng)、計算機產(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，站在新的時間節(jié)點上，5G、新能源、光電……成為全球關注的新風向，市場已經(jīng)敏銳地注意到，這次或將由第三代半導體材料成為那把開啟世界產(chǎn)業(yè)革命的鑰匙。

01

第三代半導體材料市場火爆

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被引爆的標志。隨后幾個月，各大廠商紛紛“跟風”，把“氮化鎵”“快充”等概念作為造勢賣點。

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，新能源汽車利好政策頻出，與之相伴的是小鵬、寧德時代、理想、蔚來等電動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體材料碳化硅乘上了這一股“東風”。

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)、主驅動系統(tǒng)等的能耗，與“新能源”的市場需求“不謀而合”。按照汽車終端市場計算，到2022年，碳化硅總市場容量有望超過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建設成為熱潮。今年6月6日，中國鐵塔副總經(jīng)理張權曾表示，中國鐵塔已經(jīng)累計建成5G基站25.8萬個，共享率達到97%！某種意義上說，碳化硅晶片就是5G基站的心臟。

第三代半導體材料的火爆也體現(xiàn)在股市上，“十四五”規(guī)劃或將為第三代半導體材料劃重點的消息一出，第三代半導體市場再添熱度。

9月4日早間股票開盤，幾家第三代半導體材料公司股價紛紛開漲，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，第三代半導體概念板塊股價開漲（圖源：上海證券報）

目前，中國對第三代半導體產(chǎn)業(yè)的建設也在加碼。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體產(chǎn)業(yè)園”，在長沙高新區(qū)啟動開工建設。該產(chǎn)業(yè)園主要用于建設具自主知識產(chǎn)權的碳化硅襯底、外延、芯片及封裝產(chǎn)業(yè)生產(chǎn)基地，也將建設我國首條碳化硅全產(chǎn)業(yè)鏈產(chǎn)線，這也意味中國邁出了第三代半導體材料“全自研”過程中的的一步。

▲三安光電股份有限公司關于簽署《項目投資建設合同》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、氮化鎵的市場潛力還遠未被全部挖掘。

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

碳化硅方面，2019年全球碳化硅市場規(guī)模約5.4億美元，在2025年有望達到30億美元，汽車市場將成為碳化硅市場規(guī)模增長的重要驅動力。

02

第三代半導體材料之星：碳化硅和氮化鎵

當今信息產(chǎn)業(yè)的基石仍是硅基芯片，據(jù)市場分析機構前瞻產(chǎn)業(yè)研究院統(tǒng)計，全球晶圓材料市場中，硅材料占據(jù)95%的份額，其重要性不言而喻。

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

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

▲三代半導體材料應用領域對比

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

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

▲第三代半導體材料性能參數(shù)對比

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

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，這導致氮化鎵和碳化硅在應用落地領域上各有側重。

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

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域中應用，有三大應用方向，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

第三代半導體材料或成國產(chǎn)化重要抓手

目前，第三大半導體材料市場呈現(xiàn)出美日歐玩家領先的格局。以碳化硅為例，美國全球獨大，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、器件以及應用產(chǎn)業(yè)鏈，日本則是設備和模塊開發(fā)方面的領先者。相比之下，中國的第三代半導體產(chǎn)業(yè)稍顯貧弱，在技術領先度、市場份額占比等方面較落后。

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

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

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

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

以國內(nèi)外碳化硅晶圓制造技術做對比，2018年，我國領先的碳化硅材料玩家天科合達實現(xiàn)了6英寸碳化硅晶片的量產(chǎn)；2019年10月，美國領先的碳化硅玩家Cree已經(jīng)完成了8英寸碳化硅晶圓樣品的制備。相比之下，二者在技術代際上的差別并不懸殊。

另外，我國第三代半導體器件市場有著巨大的增長空間，或能成為倒逼上游材料發(fā)展的一大動力。據(jù)市場研究機構賽迪顧問統(tǒng)計，2019年我國第三大半導體器件市場規(guī)模達到86.29億元，增長率為99.7%，到2022年，中國第三大半導體器件市場規(guī)模有望沖破608.21億元，增長率為78.4%。

消費市場的熱度背后，是整個第三代半導體產(chǎn)業(yè)鏈上下游的積極聯(lián)動。目前，我國已經(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，國產(chǎn)襯底玩家有山東天岳、北京天科合達等；外延片玩家有瀚天天成電子科技有限公司、東莞市天域半導體等；器件制造領域，則有泰科天潤半導體、廈門芯光潤澤科技有限公司等。

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體、江蘇能華等；器件制造領域，安普隆半導體、海思等。

04

結語：第三代半導體材料的時代來了？

前面說到，硅材料在全球晶圓材料市場占據(jù)約95%的市場份額，第二代、第三代半導體材料則共同“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，對第三代半導體材料的市場需求必將繼續(xù)增長。盡管其占據(jù)市份不足5%，但從另一個角度來看，這亦代表著第三大半導體材料市場是一片有巨大潛在增量空間的藍海。

另外，對整個芯片產(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，對半導體材料的創(chuàng)新則是業(yè)界解決這一隱憂的出口之一。

對于中國來說，大力發(fā)展第三代半導體材料產(chǎn)業(yè)還有另一層意義。在中美貿(mào)易摩擦中，美國一紙禁令卡住了中國芯片產(chǎn)業(yè)鏈的“咽喉”，亦昭示著關鍵技術“自主可控”的重要性。從這個層面來說，取得第三代半導體材料上的突破，或許就是中國集成電路產(chǎn)業(yè)“彎道超車”的一個有力抓手。