第一代半導(dǎo)體是“元素半導(dǎo)體”，典型如硅基和鍺基半導(dǎo)體，適用于數(shù)據(jù)的運(yùn)算和存儲(chǔ)；其中以硅基半導(dǎo)體技術(shù)成熟，應(yīng)用也較廣。近年來Si功率器件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和制造工藝日趨完善，已經(jīng)接近其材料特性決定的理論極限，依靠繼續(xù)完善來提高裝置與系統(tǒng)性能的潛力有限。因此GaAs等第二代半導(dǎo)體材料和GaN、SiC 等第三代半導(dǎo)體材料開始進(jìn)入大規(guī)模應(yīng)用。
第二代是砷化鎵、磷化銦為基礎(chǔ)的III-V 族化合物半導(dǎo)體，主要解決信息通信，應(yīng)用領(lǐng)域包括半導(dǎo)體激光器、光纖通信、寬帶網(wǎng)等信息傳輸和存儲(chǔ)等領(lǐng)域的革命；
第三代是以氮化鎵、氮化銦、氮化鋁、碳化硅為基礎(chǔ)的III-V 族化合物半導(dǎo)體，在電和光的轉(zhuǎn)化方面性能突出，在微波信號(hào)傳輸方面的效率更高，可被廣泛應(yīng)用到照明、顯示、通訊等各個(gè)領(lǐng)域。特別地，藍(lán)綠光LED 也是基于SiC 或GaN 材料，也是特殊的第三代半導(dǎo)體。
半導(dǎo)體材料演進(jìn)及應(yīng)用領(lǐng)域
第二和三代半導(dǎo)體也可以統(tǒng)稱為化合物半導(dǎo)體，其市場空間廣闊，未來成長性高。2014 年全球半導(dǎo)體市場約3360億美元，其中化合物半導(dǎo)體市場約512 億美元，占比僅15%，2014-2020 年CAGR近13%，在2020年將超過1000億美元，長期來看，化合物半導(dǎo)體的占比有望提升至50%以上，還有數(shù)倍的增長空間。
與硅半導(dǎo)體一樣，化合物半導(dǎo)體市場也可以分為Fabless和IDM，占比分別為30%以下和70%以上?；衔锇雽?dǎo)體材料制成的高頻、高速、防輻射的高溫器件，通常應(yīng)用于激光器、無線通信、光纖通信、移動(dòng)通信、軍事電子等領(lǐng)域。
三大材料簡單對比
材料 | 應(yīng)用 | 全球市場容量 |
GaAs | 應(yīng)用于通訊領(lǐng)域，受益通信射頻芯片PA（功率放大器）驅(qū)動(dòng) | 74億美元，過往CAGR為15% |
GaN | 大功率、高頻性能出色，應(yīng)用在軍事領(lǐng)域 | 2億美元，目前成長空間10億美元 |
SiC | 作大功率高頻半導(dǎo)體如IGBT和MOSEFT | 2億美元，目前成長空間20億美元 |
三代半導(dǎo)體材料的物理特性對比
參數(shù) | Si | GaAS | GaN | SiC |
禁帶寬度（eV） | 1.1 | 1.4 | 3.4 | 3.2 |
介電常數(shù) | 11.8 | 12.8 | 9.0 | 9.7 |
擊穿場強(qiáng)（10^6V/cm） | 0.6 | 0.7 | 3.5 | 2.5 |
熱傳導(dǎo)率（W/m℃） | 130 | 46 | 170 | 370 |
電子遷移率（cm2/V·s） | 700 | 4700 | 1600 | 600 |
飽和速度（10^7cm/s） | 1.0 | 2.0 | 2.5 | 2.0 |
硅和碳化硅性能進(jìn)行比較
目前國內(nèi)較少有企業(yè)能夠掌握生產(chǎn)技術(shù)，主要由美國、臺(tái)灣等公司主導(dǎo)，并限制向中國的技術(shù)輸出。高門檻和較為溫和的競爭狀況帶來較高的毛利率水平，Cree 化合物半導(dǎo)體產(chǎn)品毛利率在50%以上(整體毛利率受毛利率偏低的其它業(yè)務(wù)影響)。從事純代工的臺(tái)灣穩(wěn)懋毛利率最低為38%。普通的臺(tái)灣代工廠商毛利率常常處于10-20%的水平，行業(yè)的高毛利帶動(dòng)代工廠的盈利能力明顯提高。
國際廠商主導(dǎo)化合物半導(dǎo)體市場
公司 | 化合物半導(dǎo)體產(chǎn)品 | 用途 | 商業(yè)模式 |
臺(tái)灣穩(wěn)懋 | GaAs 為主，正開發(fā)GaN | 手機(jī)、通訊設(shè)備 | 純代工 |
美國Cree（科銳） | SiC、GaN | RF（軍工、通訊）、電源管理（服務(wù)器、太陽能、工業(yè)電子） | IDM |
美國Qorvo | GaAs | 手機(jī)、通訊設(shè)備、軍工 | IDM |
美國Skyworks | GaAs | 手機(jī) | IDM |
美國Avago | GaAs、GaN、InP | 手機(jī) | 制造外包 |
中國銳迪科 | GaAs | 手機(jī)、廣播設(shè)備 | 純設(shè)計(jì) |
GaAS：第二代半導(dǎo)體中最典型的材料
GaAS市場規(guī)模過去三年維持CAGR15%以上，預(yù)計(jì)隨著4G的普及，其市場將保持快速增長。相較于常見的硅半導(dǎo)體，砷化鎵具有高頻、抗輻射、耐高溫等特性，因此廣泛應(yīng)用在主流的商用無線通信、光通訊以及先進(jìn)的國防用途上，其中無線通信的普及化更是催生砷化鎵代工經(jīng)營模式的重要推動(dòng)力量，手機(jī)和通訊設(shè)備消耗掉80%以上的砷化鎵器件。
智能手機(jī)內(nèi)部的芯片是由基帶、AP（應(yīng)用處理器）、射頻芯片、連接芯片和存儲(chǔ)芯片構(gòu)成，其中為了完成2/3/4G等蜂窩通訊功能，最核心的兩大芯片是基帶和射頻。射頻芯片之中的前端模組包括重要的器件PA（功率放大器），目前前端模組約占智能手機(jī)芯片成本的10%左右。從低成本的GSM手機(jī)到多模多頻段LTE 智能手機(jī)，2G手機(jī)時(shí)代僅需要兩顆PA，而4G手機(jī)時(shí)代因LTE頻段的碎片化，使得一部4G 手機(jī)至少需要四顆PA芯片，iPhone 6使用了5顆PA芯片。因此在4G取代3G的過程之中，PA芯片是需求量增長最快、收益最明顯的品種，將直接拉動(dòng)砷化鎵PA的需求，而且砷化鎵PA由于在高功率傳輸上具備不可替代的物理性質(zhì)優(yōu)勢，未來5G通訊，其地位將會(huì)進(jìn)一步加強(qiáng)。
目前超過60%的份額集中在Skyworks、Qorvo（RFMD與TriQuint2014年合并而成）、Avago三大巨頭手中，其他公司份額約占1/3。在國內(nèi)需求不斷加溫的背景下，我國國內(nèi)卻沒有大規(guī)模的6 寸GaAs制造工廠，國內(nèi)除RDA、Vanchip等公司可以設(shè)計(jì)部分中低端GaAs器件以外，中高端產(chǎn)品幾乎全部來自Skyworks、Qorvo、Avago等美國巨頭。
除了在民用通信領(lǐng)域外，在軍工領(lǐng)域，如戰(zhàn)術(shù)武器中用GaAs IC的設(shè)備，戰(zhàn)機(jī)中的雷達(dá)，電子戰(zhàn)設(shè)備采用GaAs 器件，導(dǎo)彈裝載GaAs 引信等。
手機(jī)、通訊設(shè)備和軍工是GaAs最大用途
GaN：不斷探索應(yīng)用領(lǐng)域，長期空間廣闊
GaN是微波放大和電能轉(zhuǎn)換領(lǐng)域的理想材料，潛在市場規(guī)模150億美元，目前年均增速18%左右，目前氮化鎵器件2/3是應(yīng)用在軍工電子，如軍事通訊、電子干擾、雷達(dá)等領(lǐng)域，在民用領(lǐng)域，主要是在通訊基站、功率器件等方面，隨著消費(fèi)類電子和通信技術(shù)要的不斷提升，未來民用領(lǐng)域大有可為。
該材料是上世紀(jì)90年代才引起人們關(guān)注，目前正處于產(chǎn)業(yè)發(fā)展初始階段，市場規(guī)模較小，但是展望遠(yuǎn)期空間巨大。
GaN 器件主要應(yīng)用領(lǐng)域
目前在微波功率器件的市場化方面，美國和日本處于世界領(lǐng)先。在美國，Cree、RFMD、Nitronex、TriQuint等近10家公司推出了GaN微波功率器件產(chǎn)品，Cree、RFMD等幾家公司不但擁有有GaN微波功率器件的Foundry服務(wù)，同時(shí)Cree公司還有3英寸和4英寸GaN基微電子材料產(chǎn)品。
我國在GaN 基微電子材料和器件領(lǐng)域的研究起步較晚，但近幾年進(jìn)展很大，中國科學(xué)院半導(dǎo)體研究所可以提供2 英寸和3 英寸外延材料，某些研究所和公司的器件和電路產(chǎn)品也在試用中。
GaN方面晶圓的制備難度大，且由于技術(shù)起步晚，其單晶晶圓尺寸要小于SiC，不過由于GaN只有一種多型體，所以其外延片可以采用Si、藍(lán)寶石和SiC等材料的襯底進(jìn)行生產(chǎn)，從而制造出大尺寸的外延片。
目前三安光電在國家集成電路產(chǎn)業(yè)基金支持之下開始進(jìn)入砷化鎵芯片和氮化鎵領(lǐng)域。
SiC：功率半導(dǎo)體器件取代Si，市場空間大
碳化硅因其在高溫、高壓、高頻等條件下的優(yōu)異性能表現(xiàn)，成為當(dāng)前最受關(guān)注的半導(dǎo)體材料之一，在交流-直流轉(zhuǎn)換器等電源轉(zhuǎn)換裝置中得到大量應(yīng)用。
SiC 和GaN 取代現(xiàn)有硅功率器件的方向
對比硅器件：
1）碳化硅器件功率損耗可減少將近50%，從而有效提升電源轉(zhuǎn)化效率；
2）碳化硅器件由于轉(zhuǎn)換效率高、發(fā)熱小，所以可以有效減小冷卻系統(tǒng)的體積，從而實(shí)現(xiàn)電源轉(zhuǎn)換裝置整體的小型化，這對于新能源汽車等需要大量電源轉(zhuǎn)換裝置的系統(tǒng)具有重大的意義；
3）和同為第三代半導(dǎo)體的GaN由于性能的不同，各自的應(yīng)用領(lǐng)域也有差別，GaN 主要用在微波器件上，而SiC 則主要作為大功率高頻功率器件；以SiC 為材料的二極管、IGBT、MOSFET 等器件，未來有望在新能源汽車等領(lǐng)域取代Si；
4）目前SiC 二極管價(jià)格是Si 二極管價(jià)格的5-7 倍，SiC 結(jié)晶場效應(yīng)管價(jià)格是Si 的5-7 倍，SiC MOSFET 價(jià)格是Si 的10-15 倍。因此若要SiC 產(chǎn)業(yè)迅速崛起，除了技術(shù)的不斷進(jìn)步之外，降低成本亦尤為關(guān)鍵。
碳化硅所具備的高功率轉(zhuǎn)換、低功耗等特性，所以它特別適合深井鉆探、太陽能逆變器（實(shí)現(xiàn)直流與交流的轉(zhuǎn)換）、風(fēng)能逆變器、電動(dòng)汽車與混合動(dòng)力汽車、工業(yè)驅(qū)動(dòng)以及輕軌牽引等需要大功率電源轉(zhuǎn)換的應(yīng)用。
SiC半導(dǎo)體潛在應(yīng)用領(lǐng)域較為廣泛，對新能源汽車、軌道交通、智能電網(wǎng)和電壓轉(zhuǎn)換等領(lǐng)域都具有重大意義。隨著下游行業(yè)對半導(dǎo)體功率器件輕量化、高轉(zhuǎn)換效率、低發(fā)熱特性需求的持續(xù)增加，SiC在功率器件中取代Si成為行業(yè)發(fā)展的必然。根據(jù)國家新能源汽車推廣規(guī)劃，2015年國內(nèi)電動(dòng)汽車充電站數(shù)量將達(dá)到4000座，同時(shí)大力推廣充電樁的建設(shè)；2016—2020年，國家電網(wǎng)的充電站建設(shè)目標(biāo)高達(dá)10000座，建成完整的“四縱四橫”電動(dòng)汽車充電網(wǎng)絡(luò)。隨著新能源及大功率電源轉(zhuǎn)換相關(guān)產(chǎn)業(yè)的成熟，SiC功率器件將迎來高速發(fā)展期。
碳化硅半導(dǎo)體在多個(gè)領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)對硅的逐步替代
據(jù)Yole Developpement估計(jì)，2013—2022年間SiC功率半導(dǎo)體市場規(guī)模的年均復(fù)合增速預(yù)計(jì)將達(dá)到38%。隨著SiC產(chǎn)量的快速提升，其生產(chǎn)成本將不斷下降，優(yōu)異的性能將使得SiC在功率器件領(lǐng)域逐步實(shí)現(xiàn)對Si半導(dǎo)體的替代。面對120 億美元晶體市場，300 億美元電源管理元件市場，400 億美元類比晶片市場，SiC半導(dǎo)體未來發(fā)展和替代空間巨大。
碳化硅功率半導(dǎo)體應(yīng)用市場將逐步拓展
目前整個(gè)碳化硅行業(yè)仍處于發(fā)展初期。碳化硅晶圓生長技術(shù)難度較大，全球僅極少數(shù)企業(yè)能夠量產(chǎn)，導(dǎo)致SiC單晶材料的價(jià)格長期居高不下，價(jià)格因素也成為阻礙SiC進(jìn)入民用功率半導(dǎo)體市場的主要原因。
碳化硅器件的發(fā)展歷程
美國的科銳公司是行業(yè)領(lǐng)導(dǎo)者，其在該市場之中具備大量專利，形成了技術(shù)上的壟斷（目前其專利大部分碳化硅制造相關(guān)專利已經(jīng)或即將到期，對行業(yè)發(fā)展和國內(nèi)企業(yè)來說是巨大的利好），目前已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了6英寸碳化硅單晶的量產(chǎn)，12年就具備產(chǎn)量80-100萬片之間，占據(jù)全球市場碳化硅單晶80%以上市場份額。目前歐洲和日本部分企業(yè)也相繼推出了2—3英寸碳化硅單晶生產(chǎn)計(jì)劃，提前搶灘碳化硅市場。
碳化硅最大的應(yīng)用市場在中國，占據(jù)全球近一半的使用量，但是我國的碳化硅產(chǎn)業(yè)還很不完善，國內(nèi)從事碳化硅材料及器件研發(fā)制造的多為高校和科研院所，缺乏產(chǎn)業(yè)化能力，不過近兩年來國內(nèi)已有少數(shù)企業(yè)開始進(jìn)入碳化硅領(lǐng)域。
2012-2022年全球碳化硅半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)規(guī)模預(yù)測
國內(nèi)碳化硅產(chǎn)業(yè)發(fā)展態(tài)勢
國內(nèi)碳化硅企業(yè)概況：
1）北京天科合達(dá)專業(yè)從事碳化硅晶片制造，已經(jīng)具備了生產(chǎn)2—4英寸碳化硅晶片的能力，形成了一條年產(chǎn)7萬片碳化硅晶片的生產(chǎn)線；
2）北京泰科天潤擁有一座完整的碳化硅半導(dǎo)體晶圓廠，可在4英寸SiC晶圓上現(xiàn)半導(dǎo)體功率器件的制造，是目前國內(nèi)唯一擁有碳化硅器件生產(chǎn)線的企業(yè)；
3）中電55所也擁有4英寸碳化硅晶片產(chǎn)能，碳化硅器件也已實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)，但主要供軍用；
4）山東天岳是一家以研制、生產(chǎn)半導(dǎo)體晶片及襯底材料為主的民營企業(yè)，是山東大學(xué)產(chǎn)業(yè)化基地。該企業(yè)40萬片的年產(chǎn)量，其碳碳化硅晶片主要面向如發(fā)電、輸電、鐵路、照明等民用領(lǐng)域；
5）國家電網(wǎng)智能電網(wǎng)研究院聯(lián)合天科合達(dá)等企業(yè)實(shí)現(xiàn)了碳化硅從單晶材料制備、外延材料生長到二極管芯片研制及其在電力系統(tǒng)應(yīng)用驗(yàn)證的全產(chǎn)業(yè)鏈國產(chǎn)化，并形成了年產(chǎn)能2萬片4英寸SiC晶片、30片4英寸外延片的晶圓產(chǎn)能，在碳化硅器件方面則具備了年產(chǎn)10萬只碳化硅二極管、1萬只碳化硅模塊的小批量生產(chǎn)能力。
相關(guān)報(bào)告：中國產(chǎn)業(yè)信息網(wǎng)發(fā)布的《2015-2020年中國碳化硅單晶片市場深度評(píng)估及投資戰(zhàn)略咨詢報(bào)告》
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