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智东西 国产芯片新突破点！报告揭秘爆发中的第三代半导体材料( 五 )


高技术门槛导致第三代半导体材料市场以日美欧寡头垄占 ， 国内企业在SiC衬底方面以4英寸为主 。 目前 ， 国内已经开发出了6英寸导电性SiC衬底和高纯半绝缘SiC衬底 ， 山东天岳公司、北京天科合达公司和河北同光晶体公司分别与山东大学、中科院物理所和中科院半导体所进行技术合作与转化 ， 在SiC单晶衬底技术上形成自主技术体系 。 国内目前已实现4英寸衬底的量产；同时山东天岳、天科合达、河北同光、中科节能均已完成6英寸衬底的研发；中电科装备已成功研制出6英寸半绝缘衬底 。 在GaN衬底方面 ， 国内企业已经可以小批量生产2英寸衬底 ， 具备4英寸衬底生产能力 ， 并开发出6英寸衬底样品 。 目前已实现产业化的企业包括苏州纳米所的苏州纳维科技公司和北京大学的东莞市中镓半导体科技公司 ， 其中苏州纳维目前已推出4英寸衬底产品 ， 并且正在开展6英寸衬底片研发 。
先进半导体材料已上升至国家战略层面 ， 2025年目标渗透率超过50% 。 底层材料与技术是半导体发展的基础科学 ， 在2025中国制造中 ， 分别对第三代半导体单晶衬底、光电子器件/模块、电力电子器件/模块、射频器件/模块等细分领域做出了目标规划 。 在任务目标中提到2025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 。
智东西 国产芯片新突破点！报告揭秘爆发中的第三代半导体材料
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▲2025第三代半导体材料发展目标
摩尔定律在硅时代6nm已接近效能极限 。 “摩尔定律”在过去的几十年中是集成电路性能增长的黄金定律 。 其核心内容：价格维持不变时 ， 集成电路上可容纳的元件数目 ， 约每隔18-24个月便会增加一倍 ， 性能也将提升一倍 。 根据ITRS的观点 ， 传统的硅晶体管微缩至6纳米已达极限 。 以硅材料为根基的摩尔定律即将失效 。 若半导体仍以摩尔定律趋势发展 ， 则需要在底层材料中形成突破 。 美国、欧盟、日韩等国家和地区组织已经通过制定研发项目的方式来引导产业发展 。
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▲摩尔定律：1971-2018年集成电路晶体管数量变化
超越摩尔定律 ， 新材料是突破路径之一 。 目前市面上超过99%的集成电路都是以第一代元素半导体材料之一 ， 硅(Si)、锗(Ge)材料在20世纪50年代有过高光时刻 ， 广泛应用于低压、低频、中功率晶体管以及光电探测器中 ， 但到了60年代后期因耐高温和抗辐射性能较差 ， 工艺更难、成本更高逐渐被硅材料取代 。 第三代宽禁带半导体材料(SiC、GaN等) ， 因其禁带宽度(Eg)大于或等于2.3电子伏特(eV)而得名 。 第三代半导体材料具有优越的性能和能带结构 ， 广泛用于射频器件、光电器件、功率器件等制造 ， 具有很大的发展潜力 。 目前第三代半导体材料已逐渐渗透5G、新能源汽车、绿色照明等新兴领域 ， 被认为是半导体行业的重要发展方向 。
美欧等经济体持续加大化合物半导体投入 。 2018年 ， 美国、欧盟等国家和组织启动了超过15个研发项目 。 其中 ， 美国的研发支持力度最大 。 2018年美国能源部（DOE）、国防先期研究计划局（DARPA）、和国家航空航天局（NASA）和电力美国(PowerAmerica)等机构纷纷制定第三代半导体相关的研究项目 ， 支持总资金超过4亿美元 ， 涉及光电子、射频和电力电子等方向 ， 以期保持美国在第三代半导体领域全球领先的地位 。 此外 ， 欧盟先后启动了“硅基高效毫米波欧洲系统集成平台（SERENA）”项目和“5GGaN2”项目 ， 以抢占5G发展先机 。
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▲各国第三代半导体领域研发项目
四、新基建视角：5G射频端需求带动GaN爆发式增长
5G宏基站将加速GaN取代LDMOS市场份额 。 5G商用宏基站将以64通道的大规模阵列天线为主 ， 单基站PA（射频功率放大器）需求量接近200个 ， 目前基站用功率放大器主要为LDMOS(横向扩散金属氧化物半导体)技术 ， 但是LDMOS技术适用于低频段 ， 在高频领域存在局限性 。 5G基站GaN射频PA将成为主流技术 ， 对LDMOS的市场份额有一定的挤压 ， GaAs器件份额变化不大 。 GaN能较好的适用于大规模MIMO（多输入多输出MultiInputMultiOutput）通道 ， 根据Yole的预计 ， 2023年GaNRF在基站中的市场规模将达到5.2亿美元 ， 年复合增长率达到22.8% 。 未来随着GaN技术进步和规模化发展 ， GaNPA渗透率有望不断提升 ， 预计到2023年市场渗透率将超过85% 。


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