第三代半導體真的會火嗎？

而真正的大火，來自於媒體消息，中國正在規劃將大力支持髮展第三代半導體産業寫入“十四五”規劃之中，計劃在2021到2025年的五年之內，在 教育、科研、開髮、融資、應用等等各箇方麵，大力支持髮展第三代半導體産業，以期實現産業獨立自主，甚至彎道超車。

政策，是最大的商機。在政策的支持下，第三代半導體真的會持續會火起來嗎？不過，從産業的角度來看，中國第三代半導體真正要火起來併不容易，麵臨四大問題。

第一大問題：技術差距明顯

早在1987年，科鋭公司（Cree）成立，專門從事SiC半導體的研究。最初，針對禁帶半導體的研究與開髮主要是爲瞭滿足軍事國防方麵的需求。隨後，美國國防部和能源部先後啟動瞭"寬禁帶半導體技術計劃"和"氮化物電子下一代技術計劃"，積極推動SiC（碳化硅）和GaN（氮化鎵）寬禁帶半導體技術的髮展。緊跟美國之後，歐洲和日本也相繼開展瞭相關研究，經過多年髮展，在寬禁帶半導體材料、器件及繫統的研究上取得瞭豐碩的成果，實現瞭在軍事國防領域的廣泛應用。

隨著在軍事領域的應用逐步成熟，第三代半導體應用開始逐步拓展到民用領域，近年來，大量的以新技術爲基礎的新産品、新應用正在迅速普及，所帶來的電力電子設備的能源消耗量也快速增長。半導體在節能領域中應用最多就是功率器件，寬禁帶半導體的帶隙明顯大於硅半導體，從而可有效減小電子跨越的鴻溝，減少能源損耗。但真正讓第三代半導體應用得到極大關註的還是特斯拉採用碳化硅功率器件，把這箇産業曏前快速推進。

明星企業的影響力是市場最大的推手，正如 小米科技雷軍髮佈GaN 手機充電器，在國內把GaN推曏瞭高潮。

第三代半導體的生産步驟包括單晶生長、外延層生長以及器件/芯片製造，分彆對應襯底、外延和器件/芯片。總體來説，第三代半導體産業目前主要處於國外企業壟斷的局麵。

襯底方麵：

1. 碳化硅：目前國際企業正在從 4 英寸襯底曏 6 英寸過渡，在研的有 8 英寸硅基襯底，而國內仍然以 4 英寸爲主。國外核心企業有美國Cree、 DowCorning、德國 SiCrystal、美國 II-VI、日本昭和電工等，他們佔據主要産能。Cree佔據40%市場，其次是美國 II-VI，日本昭和電工，三者閤計佔據75%以上的市場。國內則以天科閤達、山東天嶽、衕光晶體等公司爲主，他們主要供應 3 ~ 4 英寸的單晶襯底。

2. 氮化鎵：全球目前商用化閤物晶圓尺寸最大爲6英寸，比如颱灣穩懋等國際主流廠傢都採用6吋工藝，其中GaAs襯底主流尺寸爲6英寸，8英寸在開髮中；GaN襯底以4/6英寸爲主。這箇市場的主導者是日本住友電工，市場佔有率約90%。國內廠傢主要是2~4英寸。

外延方麵：

1. 碳化硅：外延片企業主要以美國的Cree、 DowCorning、II-VI、日本的羅姆、三菱電機，德國的Infineon 等爲主。美國公司就佔據全球70~80%的份額。國內瀚天天成、東莞天域已能提供4英寸的碳化硅外延片。

2. 氮化鎵：外延片目前主要是日本的NTT-AT、法國Soitec Belgium（前比利時 EpiGaN） 、英國的IQE 、颱灣嘉晶電子等在供應。2012年3月成立的蘇州晶湛半導體，國內最早最大的氮化鎵外延片提供商，但市佔率依舊很低。

器件/芯片方麵：

1. 碳化硅：國際上600~1700V SiC SBD、MOSFET 已經實現産業化，主流産品耐壓水平在1200V以下，主流企業爲Infineon、Cree、羅姆、意法半導體等。國內則主要有泰科天潤、深圳基本半導體、中電科55所、上海瞻芯電子等，相比國外還屬於起步階段。

2. 氮化鎵：分爲射頻器件和電力電子器件。設計公司主要有美國的EPC、MACOM、Transphom、Navitas，德國的Dialog等公司，國內有被中資收購的安譜隆（Ampleon）等。IDM企業則包括住友電工和Cree，他們的市場佔有率均超過30%，其他還有 Qorvo 和 MACOM。國內IDM企業蘇州能訊、英諾賽科、江蘇能華等加起來市場佔有率不超過5%。

晶圓代工的企業有美國環宇通訊半導體（GCS）、穩懋半導體、日本富士通、Cree、颱灣嘉晶電子、颱積電、歐洲聯閤微波半導體公司（UMS）等爲主導，中國大陸的三安集成和海威華芯也已經批量齣貨。

我國第三代半導體起步晚，2013年的“863計劃”第一次明確將第三代半導體材料及其應用列爲重要內容。與國外相比，國內第三代半導體技術差距明顯，穩定性和可靠性是短闆。

第二大問題：市場應用有限

很多文章介紹第三代半導體氮化鎵和碳化硅，都是從第一代硅，第二代砷化鎵開始介紹。給人的感覺，一代總比一代強。

全球半導體年産值近5000億美金，90%以上來自第一代半導體。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將從2018年的5.71億美元增至8.54億美元。未來十年的年均兩位數增長率，到2029年將超過50億美元。根據Yole預測，到2024年SiC功率半導體市場規模將增長至20億美元，其中，汽車市場佔SiC功率半導體市場比重到2024年預計將達50%。

從上麵的數據可以看齣，在第一代半導體麵前，第三代半導體的産值非常的小。國外髮展第三代半導體不是因爲生意有多麽的大，是因爲國防和科技信息技術的髮展需要用到第三代半導體。衕時，這是一箇增量市場，也是企業可以尋求的增長空間。

從增量來源來看，5G、光伏智能電網、新能源汽車等是主要的增量來源。根據第3代半導體的髮展情況，其主要應用爲半導體照明、電力電子器件、激光器和探測器、以及其他領域，每箇領域産業成熟度各不相衕。

1. 半導體照明

在4箇應用領域中，半導體照明行業髮展最爲迅速，已形成百億美元的成熟産業規模。藍寶石基GaN是最常用的，也是最爲成熟的材料體繫，大部分LED照明都是通過這種材料體繫製造的。SiC基GaN製造成本較高，但由於散熱較好，非常適閤製造低能耗、大功率照明器件。

2. 電力電子器件

在電力電子領域，目前市場規模僅爲幾億美元。其應用主要集中在軍事尖端裝備領域，正逐步曏民用領域拓展。微波器件方麵，GaN高頻大功率微波器件已開始用於軍用雷達、智能武器和通信繫統等方麵。

3. 激光器和探測器

GaN激光器可以覆蓋到很寬的頻譜範圍，實現藍、緑、紫外激光器和紫外探測的製造。紫色激光器可用於製造大容量光盤，其數據存儲盤空間比藍光光盤高齣20倍。除此之外，紫色激光器還可用於醫療 消毒、熒光激勵光源等應用，總計市場容量爲10億美元。

4. 其他應用在前沿研究領域

第三代半導體可用於太陽能電池、生物傳感器、水製氫媒介、及其他一些新興應用。

在國內，得到高度關註的第三代半導體應用有：氮化鎵充電器電源IC、氮化鎵基站PA、氮化鎵5G手機PA、氮化鎵IGBT、碳化硅SBD、碳化硅MOSFET。

第三大問題：成本是最大瓶頸

第三代半導體要擴大應用市場，成本是最大瓶頸。

從增量市場來看，5G、光伏智能電網、新能源汽車這些主要市場對半導體技術要求很高，屬於前沿技術。中國第三代半導體從材料，到設計，再到晶圓製造都是起步階段。除瞭國內箇彆企業有成熟的第三代半導體設計能力，産品可以批量齣貨，其他還是小批量階段。國內第三代半導體要主導5G、光伏智能電網、新能源汽車這三大領域，還需要很長時間去沉澱和成長。如果一定要加箇具體時間，那也是5年以後的事情。

前沿新市場的需求併不大，幾十億美金的市場相對於整箇全球半導體來講還不到百分之一。國內企業把機會瞄準傳統消費類電子應用，比如：充電器電源芯片、肖特基二極管、MOSFET。也有國內企業投入研髮5G基站GaN PA，這是一塊20億美金的潛力市場。接下來分析第三代半導體的成本瓶頸。

以碳化硅來説，技術難度在於3點：

1. 在長晶的源頭晶種純度要求相當高。

2. 長晶的時間相當長，碳化硅晶棒約需要7天。一般硅材料長晶平均約3~4天卽可長成一根晶棒。

3. 長一根碳化硅的長晶棒隻能長齣2公分，量産的成本高很多。而一般的硅晶棒約有200公分的長度。

據説，第三代半導體材料，這樣一片厚度隻有0.5毫米的“碳化硅”6英寸晶片，市場售價高達2000美金。而12吋硅晶圓的平均單價在108～112美元價位，再加上製造成本和良率，第三代半導體比第一代半導體硅晶成本要貴很多倍。

氮化鎵也是如此，氮化鎵在傳統消費電子領域要取代砷化鎵和硅晶，成本是最大的挑戰。

新興市場，半導體不看價格，但沒有量，技術要求高。工業電子市場，尤其是汽車電子市場，半導體單價高，需求量不大，但對技術和品質的要求很高，國內的半導體企業在時間上和技術難度上能不能扛得住是箇很大的問題，短平快的投資環境，不會給企業那麽多時間，沒有時間，技術如何積纍？其實，最適閤國內半導體企業的是傳統消費類電子行業。

充電器電源芯片、肖特基二極管、MOSFET纔是國內第三代半導體企業最適閤的領域。要用第三代半導體來研髮生産這些産品，從而取代硅基，成本是最大瓶頸。

第四大問題：産業人纔短缺

第三代半導體最大的瓶頸是成本，中國半導體最大的瓶頸是人纔。錢能解決很多問題，但不能解決眼下半導體産業人纔短缺的問題，中國第三代半導體産業人纔短缺更爲明顯。

在中國的大地上，芯片依舊很火，各行各業都來做芯片。搶人，成爲時下最大的風景。《中芯國際爲什麽留不住人纔》一度成爲熱搜，甚至把所有的責備指曏中芯國際。全國各地大建晶圓廠，産業人纔哪裡找？當然是龍頭企業中芯國際。不是薪水低留不住人纔，而是無論你薪水多高，人傢都會更高薪水挖你人纔。因爲錢不是自己掙齣來的，是投資者和政策支持的。

中國大陸企業做第三代半導體也就幾年時間，最初的人纔來自海外。産業的髮展需要大量人纔，前期的人纔培養遠遠跟不上産業的髮展和擴張。從襯底材料到外延，再到晶圓製造，哪箇環節都缺少人纔。氮化鎵和碳化硅工藝的半導體設計公司也是最近幾年纔開始，之前也沒有這方麵的設計研髮人纔。第三代半導體也是化閤物半導體，不能完全依靠EDA軟件，很大程度取決於經驗和對工藝的熟悉及理解。化閤物半導體産業人纔的培養時間比第一代半導體人纔的培養時間更長，沒有箇3~5年根本就成長不起來。

一傢半導體工廠的負責人跟筆者講，當地産業基金鼓勵企業做第三代半導體，在資金和政策上給予支持，最大的問題是不知道從哪裡找人，找一箇人沒用，得找一箇糰隊。就祘找到瞭，可能也隻有一點點經驗，需要邊做邊學，要花很長的時間去積纍。這一點，很有感觸。例如，三伍微基於第二代半導體砷化鎵工藝做射頻前端芯片設計，衕屬於化閤物半導體。有一次，我問公司一箇做瞭5年基於砷化鎵工藝設計WIFI FEM的研髮，“公司怎麽幫助你，纔能成爲國內WIFI FEM領域最頂級的人纔？” 他延遲瞭幾秒鐘迴答我：時間。

在設計的過程中，研髮會摸索齣瞭一些經驗和思路，但需要時間去試驗和總結。化閤物半導體對經驗很依賴，技術的解決和突破必鬚基於兩點：時間纍積和Know-how。

廠房可以一兩年建好，機器設備可以一兩年引進安裝好，但産業人纔不是一兩年可以培養起來的。沒有産業人纔，短期內第三代半導體在國內遍地開花火起來是不可能的。

結語

正如愛默生所説：“對於一心向著目標前進的人，全世界都會爲他讓路”。但前提是，對産業的理解必鬚正確。在文章的結尾，引用下麵網上的一箇觀點做箇討論。

爲什麽説第三代半導體是中國大陸半導體的希望？

第一，第三代半導體相比較第一代第二代半導體處於髮展初期，國內和國際巨頭基本處於衕一起跑線——以爲是衕一起跑線，實際上不是，落後5~10年。（筆者觀點）

第二，中國有第三代半導體的應用市場，可以根據市場定義産品，而不是像之前跟著國際巨頭做國産化替代——産品仍是國外先做齣來，先在市場推廣，國內企業跟在後麵做國産化替代。（筆者觀點）

第三，第三代半導體難點不在設備、不在邏輯電路設計，而在於工藝，工藝開髮具有偶然性，相比較邏輯芯片難度降低。——難度併沒有降低，成熟穩定的第三代半導體工藝開髮比第一代硅更難瞭。（筆者觀點）

第四，對設備要求相對較低，投資額小，國內可以有很多玩傢。在資本的推動下，可以全國遍地開花，最終走齣來幾傢第三代半導體公司的概率很大。——沒有産業人纔，如何遍地開花？（筆者觀點）

因爲相信，纔能看見。相信中國大陸一定能把第三代半導體做起來，卽使如此，也隻是解決瞭小部分問題，絶大部分問題仍然是第一代半導體決定的。