2022年正值中国产业升级与“双碳”政策推进的关键阶段，半导体和新能源行业再度成为关注的焦点。随着第四次工业革命到来，大量新技术需要依靠芯片来实现，但在过去的几十年间，中国的半导体材料过度依赖进口，无法自给自足的半导体产业限制了中国信息技术产业的发展。先进半导体材料作为信息技术产业的基石，在国际局势愈加动荡的背景下，其供需矛盾日益凸显，在诸多关键新材料中的地位也逐渐突出。

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三代半导体材料发展变迁

第一阶段是以硅(Si)、锗(Ge)为代表的第一代半导体原料;

第二阶段是以砷化镓(GaAs)、磷化铟(InP)等化合物为代表;

第三阶段是以氮化镓(GaN)、碳化硅(SiC)、硒化锌(ZnSe)等宽带半导体原料为主。

在材料领域的第一代，第二代，第三代并不具有“后一代优于前一代”的说法。国外一般会把氮化镓、碳化硅等材料叫做宽禁带半导体;把氮化镓、氮化铝、氮化铟和他们的混晶材料成为氮化物半导体、或者把氮化镓、砷化镓、磷化铟成为III-V族半导体。我国采用的第三代半导体材料的说法是与人类历史上的由半导体材料大规模应用带来的三次产业革命相对应。目前，第三代半导体正在高速发展，第一、二代半导体也仍在产业中大规模应用，发挥第三代半导体无法替代的作用。

1、第一代半导体材料

兴起时间：二十世纪五十年代;

代表材料：硅(Si)、锗元素(Ge)半导体材料。

历史意义：第一代半导体材料引发了集成电路(IC)为核心的微电子领域迅速发展。

由于硅材料的带隙较窄、电子迁移率和击穿电场较低，Si 在光电子领域和高频高功率器件方面的应用受到诸多限制。但第一代半导体具有技术成熟度较高且具有成本优势，仍广泛应用在电子信息领域及新能源、硅光伏产业中。

硅在光伏领域应用产业链

2、第二代半导体材料

兴起时间：20世纪九十年代以来,随着移动通信的飞速发展、以光纤通信为基础的信息高速公路和互联网的兴起,以砷化镓、磷化铟为代表的第二代半导体材料开始崭露头角。

代表材料：第二代半导体材料是化合物半导体;如砷化镓(GaAs)、锑化铟(InSb);GaAsAl、GaAsP;还有一些固溶体半导体，如Ge-Si、GaAs-GaP;玻璃半导体(又称非晶态半导体)，如非晶硅、玻璃态氧化物半导体;有机半导体，如酞菁、酞菁铜、聚丙烯腈等。

性能特点：以砷化镓为例，相比于第一代半导体，砷化镓具有高频、抗辐射、耐高温的特性，因此广泛应用在主流的商用无线通信、光通讯以及国防军工用途上。

历史意义：第二代半导体材料主要用于制作高速、高频、大功率以及发光电子器件，是制作高性能微波、毫米波器件及发光器件的优良材料。因信息高速公路和互联网的兴起，还被广泛应用于卫星通讯、移动通讯、光通信和GPS导航等领域。如相比于第一代半导体，砷化镓(GaAs)能够应用在光电子领域，尤其在红外激光器和高亮度的红光二极管等方面。

从21世纪开始，智能手机、新能源汽车、机器人等新兴的电子科技发展迅速，同时全球能源和环境危机突出，能源利用趋向低功耗和精细管理，传统的第一、二代半导体材料由于自身的性能限制已经无法满足科技的需求，这就呼唤需要出现新的材料来进行替代。

3、第三代半导体材料

起源时间：美国早在1993年就已经研制出第一支氮化镓的材料和器件，而我国最早的研究队伍——中国科学院半导体研究所在1995年也起步该方面的研究，并于2000年做出HEMT结构材料。

代表材料：第三代半导体材料主要以碳化硅(SiC)、氮化镓(GaN)、氧化锌(ZnO)、金刚石、氮化铝(AlN)为代表的宽禁带(Eg》2.3eV)半导体材料。

发展现状：在5G通信、新能源汽车、光伏逆变器等应用需求的明确牵引下，目前，应用领域的头部企业已开始使用第三代半导体技术，也进一步提振了行业信心和坚定对第三代半导体技术路线的投资。

性能分析：与第一代和第二代半导体材料相比，第三代半导体材料具有更宽的禁带宽度(＞2.2eV)、更高的击穿电场、更高的热导率、更高的电子饱和速率及更高的抗辐射能力，更适合于制作高温、高频、大功率及抗辐射器件，可广泛应用在高压、高频、高温以及高可靠性等领域，包括射频通信、雷达、卫星、电源管理、汽车电子、工业电力电子等。

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第三代半导体材料战略性、先导性地位凸显

第三代半导体材料，指带隙宽度明显大于Si（1.1eV）和GaAs（1.4eV）的宽禁带半导体材料，主要包括Ⅲ族氮化物（如GaN、AlN等）、碳化硅（SiC）、氧化物半导体（如ZnO、Ga₂O₃等）和金刚石等宽禁带半导体。当前具备产业化条件的以SiC和GaN为主，AlN、ZnO、Ga₂O₃、金刚石等宽禁带半导体大多处于实验室研究阶段，产业化尚需时日。

第三代半导体材料性能更加优异。相对于Si、GaAs和InP，第三代半导体材料具有高击穿电场强度、高热导率、高电子饱和率、高漂移速率以及高抗辐射能力等优越性能，这些优势有望大幅降低装置的损耗和体积/重量，因而第三代半导体材料在高功率、高频率、高电压、高温度、高光效等领域具有难以比拟的优势和广阔的应用前景。

表1.传统半导体材料与第三代半导体材料电学参数比较（来源：DeepTech）

第三代半导体材料成为半导体产业新的关注点。首先，传统半导体材料遵循摩尔定律演进趋势，随着制程微缩的难度和成本指数级上升，摩尔定律脚步放缓，以新材料、新结构和新工艺为特征的“超摩尔定律”成为产业发展的新方向。其次，能源危机和环保压力日益凸显，第三代半导体材料在功率电子、光电子和微波射频领域具有Si器件所不具备的优异性能，以SiC和GaN为代表的第三代半导体成为产业转型升级驱动因素。第三，半导体产业是国家核心竞争力，建立自主可控集成电路产业体系是国家重要的发展战略。在第一代半导体集成电路竞赛中，中国大幅落后于国际先进水平，但是在第三代半导体集成电路领域中国与国际先进水平的差距相对较小，有可能实现“弯道超车”。

第三代半导体材料是支撑制造业产业升级的重要保证。第三代半导体材料适用于中高压电力电子转换、毫米波射频和高效半导体光电子应用。可以应用于光伏、风能、4G/5G移动通信、高速铁路、电动汽车、智能电网、大数据/云计算中心、半导体照明等各个领域。如4G/5G通信基站和终端使用的GaN微波射频器件和模块、高速铁路使用的SiC基牵引传动系统、光伏电站、风能电场和电动汽车使用的GaN或SiC电能逆变器或转换器、智能电网使用的SiC大功率开关器件、工业控制使用的GaN或SiC基电机马达变频驱动器，大数据/云计算中心使用的GaN或SiC 基高效供电电源，半导体照明中使用的GaN基高亮度LED等。

图1.第三代半导体材料主要应用领域（来源：DeepTech）

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关键技术取得突破，与全球先进水平差距缩小

通过国家和地方的大力支持，中国第三代半导体材料发展迅速，形成了比较完整的技术链，部分关键技术指标达到国际先进水平。

图2.第三代半导体材料主要技术环节（来源：DeepTech）

在SiC衬底及外延方面：中国已经实现4英寸SiC衬底的量产，开发出6-8英寸SiC单晶样品，衬底质量与国际水平尚存在一定差距。在SiC外延方面，中国实现了4-6英寸SiC外延片的量产，可以满足3.3kV及以下功率器件制备需求，而超高压（＞10kV）SiC功率器件所需的N型SiC外延片以及双极型SiC功率器件所需的P型SiC外延片等方面还处于研究阶段。

在GaN衬底及外延方面：中国形成了具有自主知识产权的氢化物气相外延（HVPE）技术，实现了2英寸自支撑GaN衬底量产和4英寸小批量出货，实现6英寸GaN单晶衬底研发，晶体质量达到了国际先进水平。在GaN外延方面，根据衬底的不同主要分为GaN-on-sapphire、GaN-on-Si、GaN-on-SiC、GaN-on-GaN 四种。GaN-on-sapphire主要应用在LED市场，主流尺寸为4英寸；GaN-on-Si主要应用于电力电子和光电子市场，实现批量生产6-8英寸Si上 GaN外延片，克服了大尺寸Si衬底上GaN外延材料的开裂和翘曲等关键技术问题，部分技术处于国际先进水平；GaN-on-SiC主要应用在微波射频市场，中国已成功生长出高质量的4英寸SiC衬底上GaN HEMT器件外延片；GaN-on-GaN主要应用市场是蓝/绿光激光器，中国还未实现产业化。

在电力电子器件方面：中国多家企业和科研机构已经掌握了SiC SBD和JFET的量产技术，实现650V-1700V的SiC SBD产品大规模出货以及3300V SiC SBD产品样品。研制出650V-1700V的SiC MOSFET产品，尚不具备产业化能力。GaN电力电子器件方面，已经实现了650V及以下Si上GaN电力电子器件的产业化应用，但主要以分立器件为主，系统集成度和导通电阻等关键指标与国际先进水平有差距；已经研发出面向新能源汽车应用的1200V Si上GaN器件，尚未取得应用突破。

在微波射频器件方面：GaN微波射频器件主要包括SiC基GaN、Si基GaN和金刚石基GaN的功率放大器。对于SiC基GaN工艺，主要应用场景是军事和国防领域的雷达、卫星通信，对输出功率要求比较高，中国已经研制出覆盖C波段和Kα波段多款军用GaN HEMT及MMIC；在民用方面，中国推出了用于无线通信基站的GaN微波功率管，但在可靠性、工艺技术方面还存在较大差距。对于Si基GaN器件来说，主要应用场景是规模巨大的5G通信系统，输出功率要求不高，对低成本、高性价比的要求相对比较高，中国已经推出了相关产品，但还未大规模应用。对于金刚石基GaN 射频器件来说，主要应用场景是军事和国防用雷达、卫星通信，对输出功率要求比较高，目前处于实验室研发阶段。

在光电子器件方面：LED技术与国际差距较小，部分技术国际领先。目前中国在蓝宝石衬底上制备的功率型白光LED产业化光效超过160Im/W，在Si衬底上制备的LED产业化光效超过150Im/W，处于国际领先水平。在高端照明如汽车照明，核心专利技术由美国、德国、日本掌握。在新型显示方面，Micro-LED作为下一代显示技术的重要技术路线，中国从关键装备到芯片、封装、驱动、应用系统，国内企业也进行了全面布局。

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近百亿元项目落地，多个项目取得进展

统计数据显示，今年上半年，落地的第三代半导体项目中投资额最大为60亿元——同芯第三代半导体产业园项目。该项目投产后将建设年产2.5万颗六英寸碳化硅晶锭及相关延链产品的生产线，为汽车、轨道客车、光学设备等产业产品配套打下基础。

从投资额来看，上半年落地项目总投资额已近百亿元，此外，除项目签约落地以外，福州高意、芯粤能等企业项目也已取得顺利进展，进一步为我国碳化硅衬底产能贡献力量。

今年4月，福州高意首条第三代半导体碳化硅晶圆基片生产线进入规模量产，首条碳化硅生产线量产后，第二条、第三条生产线也在加快建设，到明年底，福州高意碳化硅基片产能有望突破50万片。

此外，天达晶阳碳化硅晶片项目也计划再投资7.31亿元，建设（拥有）400台套完整（设备）的碳化硅晶体生产线。届时，4-8英寸碳化硅晶片的年产能将达到12万片。

今年5月17日，广东芯粤能碳化硅芯片制造项目主体工程封顶。芯粤能碳化硅芯片项目总投资75亿元人民币，占地150亩。一期投资35亿元，建成年产24万片6英寸碳化硅晶圆的生产线；二期建设年产24万片8英寸碳化硅晶圆芯片的生产线。

从技术角度而言，我国企业纷纷布局第三代半导体碳化硅领域，全国碳化硅衬底产能也逐渐攀升，随着碳化硅衬底成本逐年降低，有望进一步促进三代半市场发展。

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中国第三代半导体材料未来展望

第三代半导体材料和技术正在加速发展，在新一代显示、5G移动通信、相控阵雷达、高效智能电网、新能源汽车、自动驾驶、工业电源、消费类电子产品等领域展示出广阔的、不可替代的应用前景，并逐渐成为人工智能、未来智联网等发展的核心关键元器件的材料基础。预计将形成万亿美元的应用市场，成为新一代制造业必争的战略要地，成为全球各国提升未来核心竞争力的重要手段和重要支撑。

1、更大尺寸晶圆将成为主流，材料质量与器件性能不断提升

生产成本成为推动大尺寸晶圆的主要推动力，较大的晶圆直径能提升单晶利用率降低晶圆制造成本，且全球先进水平已经突破大尺寸晶圆生长技术，如wolfspeed即将实现8英寸SiC晶圆量产，而国内主流尺寸为4英寸，加速实现6英寸SiC衬底和外延材料的产业化转移成为中国企业的必然选择。不断开发新工艺和新技术，降低材料的缺陷密度、提高产品良率和降低成本，加速突破衬底材料、外延、芯片和封装测试瓶颈将成为整个行业未来发展的主旋律。

2、产业集群发展态势将逐渐形成，企业兼并重组整合加速

中国第三代半导体工程化技术已经取得突破，有能力的企业进行产业化布局，支持政策完善、配套资源齐全、产业生态较好的区域将吸引企业落户，形成产业聚集，未来中国将围绕这些区域形成多个产业集聚区。另外，企业间的兼并重组也将加剧，全球主要企业如Ⅱ-Ⅵ、wolfspeed等已经开启整合模式，中国优势企业为了扩大影响力也将通过兼并重组向上下游延伸；传统半导体企业为了寻求新的利润增长点以及布局新技术的需要，也将并购具备硬实力的初创公司；下游应用企业从自身供应链安全考虑，也将向上游延伸产业链。

3、第三代半导体渗透将加快，新的应用蓝海将逐渐开启

第三代半导体材料在新能源汽车、PV光伏、消费类电子产品、轨道交通、半导体照明、5G射频等方面应用优势明显，随着第三代半导体量产技术突破、成本进一步降低，渗透率将逐步提高。电力电子器件在新能源汽车上的应用、光电子器件在Mini/Micro-LED等新一代显示产业及UV-LED方面的应用将成为未来5年新的风口。

4、新的材料体系将逐渐成熟

Ga₂O₂、AlN和金刚石等超宽禁带半导体材料具有更高击穿电压、更低导通电阻、更高频率、更大功率的特点，是支撑未来轨道交通、新能源汽车、能源互联网等产业创新发展和转型升级的重点核心材料。国外近几年对超宽禁带半导体愈发重视，布局和投入显著增加，中国也有越来越多的科技人员关注和开展对超宽禁带半导体的研究，前景为业界看好，未来几年会逐步推出相关产品。

本文来源：股有话说，DT半导体，前沿材料，全国电子化学品信息站，爱集微APP