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我国第三代半导体行业现状及前景 国内外市场潜力都将被不断挖掘

第三代半导体指的是第三代半导体材料。与第一代、第二代半导体材料相比,第三代半导体材料主要是以氮化镓(GaN)、碳化硅(SiC)、氧化锌(ZnO)、金刚石为四大代表。

第三代半导体并不是对第一第二代半导体的迭代替换的,因为它们大多数应用于不同领域。通常,第一代半导体下游涵盖消费电子、通信、光伏军事以及航空航天等多个领域;第二代半导体其电子迁移率较高,主要用于制造高频、高速以及大功率电子器件,在卫星通讯、移动通讯以及光通讯等领域有较为广泛的应用;而第三代半导体是宽禁带半导体材料,适用于高温、高压高频领域,在新能源汽车、5G宏站光狀风电和高铁等领应用较广。

第一、二、三代半导体材料情况

半导体材料 主要材料 下游应用
第一代材料 硅(Si)锗元素(Ge) 以硅基材料为主,制备工艺较为成熟,且自然界储备量大,成本较低,目前应用最为广泛,包括集成电路、功率半导体,下游涵盖消费电子、通信、光伏军事以及航空航天等多个领域。
第二代材料 砷化镓(GaAs)磷化镓(GaP) 以砷化嫁为主,电子迁移率较高,生长工艺成熟,但资源比较稀缺,材料有毒性,易造成环境污染,主要用于制造高频,高速以及大功率电子器件,在卫星通讯、移动通讯以及光通讯等领域有较为广泛的应用。
第三代材料 氮化镓(GaN)碳化硅(SiC)氧化锌(ZnO)金刚石 以碳化硅和氮化嫁为主,是宽禁带半导体材料,适用于高温、高压高频领域,在新能源汽车、5G宏基站光狀风电和高铁等领应用较广,但目前行业尚处发展初期,良率低,成本较高。

资料来源:公开资料整理

1、发展历程

在半导体产业中,“摩尔定律”一直引领着其发展,但随着半导体工艺不断演进,现如今全球已经进入到了“后摩尔时代”。就半导体材料而言,随着第一、二代半导体材料工艺已经接近物理极限,其技术研发费用剧增、制造节点的更新难度越来越大,“摩尔定律”的经济效益也在逐渐降低,这便迫使全球半导体产业研发新的芯片材料,因此,砷化镓(GaAs)、磷化铟(InP)、碳化硅(SiC)、氮化镓(GaN)等第二代、第三代半导体材料逐渐发展起来。

在我国,第三代半导体材料是随着快充技术、新能源汽车发展起来的,而且我国的第三代半导体兴起时间也较短。根据观研报告网发布的《中国第三代半导体行业现状深度研究与投资前景分析报告(2022-2029年)》显示,在2013年,我国科技部的863计划首次将第三代半导体产业列为国家战略发展产业;到2016年,我国第三代半导体行业则迎来了发展元年,此后,我国第三代半导体产能产量日益增长,行业进入了快速发展期;2020年9月,第三代半导体被写入“十四五”规划,行业再次迎来发展机遇。

中国第三代半导体行业发展历程

时间 代表事件
2013年 科技部863计划将第三代半导体产业列为战略发展产业
2016年 第三代半导体产业元年,国务院国家新产业发展领导小组将其列为重点发展方向
2017年 工信部国家发改委公布的信息产业发展指南:将第三代半导体材料列为积体电路产业发展重点
2018年 深圳市政府大力变持的第三代半导体研究院正式启动:北京第三代半导体材料创新
2019年 国家级战略《长江三角洲区域一体化发展规划纲要》明确要求长江三角洲区域加快培商布局第三代半导体产业
2020年 第三代半导体产业写入“十四五"规划

资料来源:公开资料整理

作为与第一代半导体材料的互补材料,第三代半导体材料行业的发展对于当下的节能减排、产业转型升级意义重大。未来随着我国第三代半导体行业的不断发展,将继续为我国手机、新能源汽车、5G宏站光狀风电和高铁等行业的发展提供动力。

2、政策环境

在我国,第三代半导体材料行业是支撑经济社会发展和保障国家安全的战略性和基础性产业,是国家新材料发展计划的重中之重,我国重点鼓励发展的产业。因此,为加快推进第三代半导体材料行业的发展,我国国家层面积极发布相关利好政策。

从近年来我国第三代半导体行业政策发展历程来看,在2016年,我国的《“十三五”国家科技创新规划》中便提出发展发展先进功能材料技术,重点是第三代半导体材料;到2021年,《中华人民共和国国民经济和社会发展第十四个五年规划和2035年远景目标纲要》再次提出瞄准人工智能、量子信息、集成电路、生命健康、脑科学、生物育种、空天科技、深地深海等前沿领域,实施一批具有前瞻性、战略性的国家重大科技项目。包括集成电路先进工艺和绝缘栅双极型晶体管(IGBT)、微机电系统(MEMS)等特色工艺突破,先进存储技术升级,碳化硅、氮化镓等宽禁带半导体发展。

从近年来我国第三代半导体行业政策发展历程来看,在2016年,我国的《“十三五”国家科技创新规划》中便提出发展发展先进功能材料技术,重点是第三代半导体材料;到2021年,《中华人民共和国国民经济和社会发展第十四个五年规划和2035年远景目标纲要》再次提出瞄准人工智能、量子信息、集成电路、生命健康、脑科学、生物育种、空天科技、深地深海等前沿领域,实施一批具有前瞻性、战略性的国家重大科技项目。包括集成电路先进工艺和绝缘栅双极型晶体管(IGBT)、微机电系统(MEMS)等特色工艺突破,先进存储技术升级,碳化硅、氮化镓等宽禁带半导体发展。

资料来源:公开资料整理

除了国家层面政策之外,与此同时,我国多地也已下发相关政策,大力扶持第三代半导体材料产业快速发展,包括北京、上海、广州、深圳、济南、西安、长沙成都等地,政策内容涉及集群培育、科研奖励、人才培育、项目招商、生产激励等多个方面。

我国部分地区第三代半导体行业相关政策情况

地区 政策名称 相关内容
北京市 关于促进中关村顺义园第三代半导体等前沿半导体产业创新发展的若干措施 支持第三代半导体等先进半导体企业开展新型器件设计以及衬底、外延、器件、模组、工艺线等制造环节辅助材料和关键核心设备的研发及成果转化,进一步提升关键环节核心器件、材料和制造装备的自主可控能力。
上海市 中国(上海)自由贸易试验区临港新片区促进产业发展若干政策和集聚发展集成电路、人工智能、生物医药、航空航天产业若干措施 对集成电路装备及材料类企业年度销售收入首次突破5000万元、1亿元、5亿元、10亿元的,经认定后分别给予最高不超过200万元、800万元、1200万元、1500万元的一次性奖励,每上一个台阶奖励一次、实施晋档补差。
广州市 广州市加快发展集成电路产业发展的若干措施 组织实施“强芯”工程,注重内培外引、自主创新、人才集聚、融合发展。到2022年,争取纳入国家集成电路重大生产力布局规划,建设国内先进的晶圆生产线,引进一批、培育一批、社大一批集成电路设计、封装、测试、分析以及深耕智能传感器系统方案的企业,建成全国集成电路产业集聚区、人才汇聚地、创新示范区。
深圳市 深圳市进一步推动集成电路产业发展行动计划 提升技术水平、制造能力初步具备全球竞争力,设计水平整体进入全球领军阵营,第三代半导体技术能力对关键应用领域形成有力支撑。到2023年,突破一批关键核心技术,实现一批关键技术转化和批量应用。完善产业链条、先进工艺和特色工艺制造生产线完成布局,装备、材料、先进封测等上下游环节配套完善,第三代半导体中试研发和器件生产线建成,带动衬底、外延等环节加速发展,本地产业链配套和协作能力明显提升,产业链竞争力显著增强。
济南市 济南支持宽禁半导体产业加快发展的若干政策 支持济南高新区发展宽禁带半导体产业。充分发挥济南高新区在电子信息、智能制造等方面的综合创新和产业优势,聚焦发展金刚石等宽禁带半导体材料,加强规划策划,加快引进一批宽禁带半导体芯片和功率器件等重大项目。
西安市 西安市现代产业布局规划 重点突碱碳化硅(Sic)、氮化家(GaN)等第三代宽禁带半导体用新型电子材料关键技术等,并以高新区为核心,打造光电能源新材料产业集群,重点发展新一代硅基半导体材料、化合物半导体材料等。
长沙市 长沙市加快新一代半导体和集成电路产业发展若干政策 结合长沙产业发展实际,本政策主要支持集成电路设计和设备、第三代半导体、功率半导体器件及集成电路的行业融合应用;明确产业专项资金和基金,计划每年列支3亿元专项用于产业发展,基金规模可根据产业需求增至100亿元。
成都市 成都市人民政府办公厅关于促进电子信息产业高质量发展的实施意见 打造国内领先的化合物半导体产业链。构建基于射频微波、功率等特色领域的化合物半导体产业链。优化GaAs/CaN生产工艺制程,培育一批骨干设计企业,积极引进配套封测企业和设计企业,研发量产5G中高频芯片、器件,超前布局太赫兹芯片。加快第二、三代半导体材料生产项目建设。
江西市 京九(江西)电子信息产业带发展规划 依托南昌光谷基础,以硅衬底LED技术为主线,积极发展蓝宝石、碳化硅衬底LED产品。
厦门市 加快发展集成电路产业实施细则 鼓励在厦门新建(扩建)的集成电路生产线(项目)、化合物半导体器件制造、模块、外延片生产项目(企业)、微机电系统(MEMS)、功率半导体器件和特色工艺项目(企业)。
福州市 关于加快培育一批产业基地打造新经济增长点的意见 培育发展具有自主知识产权的高端光电子芯片、光电子器件产品,抢抓发展机遇,拓宽应用领域,引领光电子产业发展,重点引进第三代半导体、人工智能芯片以及芯片封装测试项目。

资料来源:观研天下整理

第三代半导体被认为是具有重大影响的战略技术,其技术及应用的突破是我国半导体产业新的战略高地。近年来,我国国家及地方政府纷纷加紧在第三代半导体领域的部署,大力支持发展第三代半导体产业发展,使得我国第三代半导体行业迎来政策红利,并推动我国第三代半导体材料及器件研发,带动我国各地半导体产业集聚加速。

3、市场规模

与硅基材料相比,第三代半导体代表材料碳化硅、氮化镓有较高的禁带宽度;饱和电子漂移速率超过硅基材料的2倍;热导率超过硅的3倍;击穿电场强度均在3MV/cm及以上,是硅基材料的10倍。因此,以碳化硅、氮化镓为代表的第三代半导体材料的耐高压、耐高温、高频和高热导率性能更好,也无需复杂的散热设计需求,节省器件空间,更容易向集成化、小型化方向发展,并大大降低器件的导通损耗,所以非常适用于新能源汽车、新能源发电、智能电网和无线通信、5G基站、轨交交通、光伏风电等高压领域。

三代半导体材料指标参数对比

指标参数 (第一代)硅 (第二代)砷化镓 (第三代)碳化硅 (第三代)氮化镓
禁带宽度(eV) 1.12 1.43 3.2 3.4
饱和电子漂移速率(107cm/s) 1 1 2 2.5
热导率( W.cm.-1K-1) 1.5 0.54 4 1.3
击穿电场强度( MV/cm ) 0.3 0.4 3.5 3.3

资料来源:公开资料整理

近些年来,在我国节能减排背景下,新能源汽车、新能源发电、智能电网和无线通信等领域快速发展,电源和控制器行业对功率半导体器件的性能指标和可靠性的要求日益提高,要求器件有更高的工作电压、更大的电流承载能力、更高的工作频率、更高的效率、更高的工作温度、更强的散热能力和更高的可靠性。因此,在下游应用升级和政策驱动的双重带动下,我国第三代半导体行业迎来发展热潮,市场规模也快速增长。

根据数据显示,从2018年到2020年,我国第三代半导体材料市场规模从5.97亿元增长至9.97亿元。尽管近三年受疫情影响,经济下行,其增速略微下滑,但未来预计随着国内经济的发展,政策环境的持续利好,下游应用行业市场规模的扩大,以及我国第三代半导体行业技术的进步,其市场规模将继续增长,增速也将逐渐回升。

根据数据显示,从2018年到2020年,我国第三代半导体材料市场规模从5.97亿元增长至9.97亿元。尽管近三年受疫情影响,经济下行,其增速略微下滑,但未来预计随着国内经济的发展,政策环境的持续利好,下游应用行业市场规模的扩大,以及我国第三代半导体行业技术的进步,其市场规模将继续增长,增速也将逐渐回升。

资料来源:观研天下整理

4、发展前景

早在2015年5月,我国国务院印发的《中国制造2025》中便对第三代半导体做出了目标规划,其中提到2025年,我国先进半导体材料要实现在5G通信、高效能源管理中的国产化率达到50%;在新能源汽车、消费电子中实现规模应用,在通用照明市场渗透率达到80%以上。毫无疑问这将直接促进我国第三代半导体行业的发展。

《中国制造2025》关于第三代半导体发展目标

发展重点

细分重点

2025年任务目标

关键战略材料:先进半导体材料

第三代半导体单晶衬底

6-8英寸sic4-6英寸GaN 2-3英寸AIN单晶衬底制备技术;可生产大尺寸、高质量第三代半导体单晶衬底的国产化装备。

2025年实现在5G移动通讯、高效能源管理中国产化率达到50%;在新能源汽车、消费类电子领域实现规模应用,在通用照明市场渗透率达到80%

第三代半导体光电子器件、模块及应用

200 1m/W以上光效的LED外延和芯片制备技术;50mW以上

AlGaN基紫外LED

第二代半导体电力电子器件、模块及应用

15kV以上sic电力电子器件制备关键技术;高质量、低成本的GaN电力电子器件的设计与制备;在高压电网、高速轨道交通、消费类电子产品新能源汽车、新一代通用电源等领域的应用。

第三代半导体射频器件、模块及应用

100MHz以上GaNHEMT微波射频器件和模块;5G移动通信和卫星通信领域中的应用。

资料来源:公开资料整理

未来,随着我国电子产业、新能源汽车、5G基建等行业的不断发展,我国对半导体产品需求将会愈发迫切,庞大的需求量将会带来庞大的市场,因此可以预见未来我国国内第三代半导体行业发展前景广阔。

第三代半导体属于新兴行业,而且,与国外相比,我国在该行业的布局并不算晚,且有着相关技术的储备。而且,我国国内很多优秀的企业早就发现了第三代半导体的发展前景,早就已经做了相关的研发事项,不管是技术,产品还是销售方面,都有了自己的发展特点。

除此之外,由于第三代半导体工艺产线对设备要求相对较低,相比起第一代半导体,我国在第三代半导体方面则已形成了自己的完整产业链。目前我国已拥有自己的第三代半导体材料生产企业、加工企业,拥有自己的完善产业链,同时我国在第三代半导体应用方面居于全球领先水平。近几年,随着材料科学技术的快速发展,SiC和GaN等宽禁带半导体材料的关键技术问题得到了根本性质的突破。我国科技的发展,也给了第三代半导体提供了较大的发展空间。因此,相比第一二代半导体行业,未来我国第三代半导体行业的发展或将实现弯道超车,国内相关本土企业或将成为国际市场中的佼佼者,第三代半导体行业出口市场潜力也将不断被挖掘。(LQM)

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