备受瞩目的第三代半导体是一条怎样的新赛道？
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摘要：第三代半导体也被称为宽带隙半导体 ， 主要是以碳化硅（SiC）和氮化镓（GaN）为代表的宽带隙半导体材料 ， 其带隙宽度大于2.2eV ， 是5G、人工智能、工业互联网等多个“新基建”产业的重要材料……
目前 ， 国家2030计划和“十四五”国家研发计划已明确第三代半导体是重要发展方向 。 在上周五(10月16日) ， 国星光电举办了2020第一届国星之光论坛 ， 而论坛的主角之一 ， 就是第三代半导体 。 那么到底什么是第三代半导体呢?为什么说第三代半导体有望成为国产替代希望?
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第三代半导体也被称为宽带隙半导体 ， 主要是以碳化硅(SiC)和氮化镓(GaN)为代表的宽带隙半导体材料 ， 其带隙宽度大于2.2eV ， 是5G、人工智能、工业互联网等多个“新基建”产业的重要材料 ， 同时也是世界各国半导体研究领域的热点 。
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与以硅(Si)材料为代表的第一代半导体材料 ， 和以砷化镓(GaAs)为代表的第二代半导体材料相比 ， 以碳化硅(SiC)和氮化镓(GaN)为代表的第三代半导体材料具备「五高」特性：高光效、高功率、高电压、高频率、高工作温度 。
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Si作为集成电路最基础的材料 ， 构筑了整个信息产业的最底层支撑 。 人类对Si性能的探索已经非常成熟 ， 然而一些固有的缺点却无法逾越 ， 如光学性能、高压高频性能等 。 与此同时第三代半导体以其恰好弥补Si的不足而逐步受到半导体行业青睐 ， 成为继Si之后最有前景的半导体材料 。
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第三代半导体材料主要可应用于光电、电力电子、和微波射频三大领域 。 从当前来看 ， 碳化硅目前主要是用在650V以上的高压功率器件领域 ， 而氮化镓主要是用在650V以下的中低压功率器件领域及微波射频和光电领域 。 不过未来 ， 氮化镓也有机会进一步往600～900V发展 。
具体而言
光电方向是截至目前应用最为成熟的领域 ， 已被验证是一场成功的技术革命 。 LED从无到有 ， 快速发展 ， 直至现在发展为千亿美元的规模 ， 是一个新材料开发推动社会变革的典范 。 目前应用于包括显示、背光、照明等领域 ， 其中MicroLED与UVCLED因仍然存在技术挑战 ， 且具备新的市场想象空间 ， 被产业寄予厚望 。
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功率器件方向广泛用于智能电网、新能源汽车、轨道交通、可再生能源开发、工业电机、数据中心、家用电器、移动电子设备等国家经济与国民生活的方方面面 ， 是工业体系中不可或缺的核心半导体产品 。 其中SiC功率器件被认为未来最大的应用市场在新能源汽车 ， 主要是功率控制单元(PCU)、逆变器、DC-DC转换器、车载充电器等方面;GaN功率器件因其高频高效率的特点而在消费电子充电器、新能源充电桩、数据中心等领域有着较大的应用潜力 。
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微波射频方向包括汽车雷达、卫星通讯、5G基站、预警探测等应用 。 相较于已经发展十多年的SiC ， GaN功率器件是后进者 ， 但它拥有类似SiC性能优势的宽禁带材料 ， 且拥有更大的成本控制潜力 ， 目前是射频器件最合适的材料 ， 这在5G时代非常重要 。 GaN最大的拉动力也被认为是5G基站 。
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据Omdia《2020年SiC和GaN功率半导体报告》[1]显示 ， 2020年底 ， 全球SiC和GaN功率半导体的销售收入预计将达到8.54亿美元 ， 以未来十年年均两位数的增长率 ， 预计2029年将超过50亿美元 。
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在未来十年 ， 受到汽车、航天电子、电源、太阳光电(PV)逆变器以及工业马达的需求驱动 ， 以SiC和GaN为代表的新兴的第三代功率半导体器件市场将以18%的速度稳步成长 。 预计在2022年以前 ， SiC和GaN功率元件的全球销售额将从2012年的1.43亿美元大幅增加到28亿美元[2] 。
可以说 ， 第三代半导体大势所趋！
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目前 ， 我国在光电大部分领域实现领跑 ， 而在功率器件及射频器件方面的发展还处于跟跑和并跑阶段 ， 因此 ， 我国对第三代半导体器件的研究极其迫切 ， 需加快其产业发展 。
第三代半导体材料主要以氮化镓(GaN)、碳化硅(SiC)为主 ， 生产过程分为单晶生长、外延层生长及器件制造三大步骤 ， 对应的是产业链衬底、外延、器件与模组等大环节 。
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目前 ， 在光电领域 ， 国星光电在外延、芯片、封装领域均有布局 ， 经过多年发展 ， 已经成为国内LED封装龙头 ， 且在目前仍然具备技术挑战和市场想象空间的MicroLED与UVCLED领域中拔得头筹 。
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而在第三代半导体领域 ， LED+第三代半导体研究机构-行家说产业研究中心认为：在第三代半导体产业上 ， 除了原本赛道上的玩家 ， 拥有LED制造经验、人才储备以及资金实力的LED领军企业 ， 切入第三代半导体也具备一定的先发优势 。 在LED产业工艺日趋成熟 ， 价格竞争激烈的情况下 ， 提前布局未来前景开阔的蓝海市场不失为极具前瞻性的战略选择 。
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厦门凯纳特光电科技
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