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    5G、快充、新能源,「第三代半導體」加速彎道超車

    5G、快充、新能源,「第三代半導體」加速彎道超車

    第三代半導體火了。

    就在今天,第三代半導體材料公司氮矽科技宣佈完成千萬級Pre-A輪融資,而僅僅在一個月前,這家公司剛剛宣佈完成千萬級天使輪融資。

    從今年年初開始,受多重利好消息刺激,第三代半導體相關股份全線飆紅,大面積迎來漲停。

    8月14日,工信部正式宣佈將碳化硅(SiC)複合材料、碳基複合材料等納入「十四五」產業科技創新相關發展規劃,以全面突破關鍵核心技術,攻克「卡脖子」品種。

    而在早前5月14日的國家科技體制改革和創新體系建設領導小組第十八次會議上,第三代半導體、先進封裝等「後摩爾時代」潛在顛覆性技術也備受關注。

    (36氪Pro提供)

    政策加碼、行業加持,從2016年開始,政府不斷出台與第三代半導體相關的政策材料,行業投資水漲船高,市場銷售額也在每年大幅上漲。

    根據CASA數據,2020年,中國第三代半導體整體產值超過7100億,其中半導體照明產值預計7013億元;SiC、GaN電力電子產值規模近44.7億元,按年增長54%;GaN微波射頻產值達到60.8億元,按年增長80.3%。

    在新能源汽車、5G通訊、快充等新興應用的推動之下,第三代半導體已呈現出明顯的爆發趨勢。

    本文將回答以下問題:

    1、第三代半導體是什麼?哪些領域最有潛力?

    2、目前中國第三代半導體發展態勢如何?與國際頂尖技術水平存在多大差異?

    3、業內有哪些值得關注的創業公司、巨頭企業?

    4、這一賽道產業規模與前景如何?遇到的挑戰有哪些?

    最成熟兩大品類:SiC、GaN

    第三代半導體指的是碳化硅(SiC)、氮化鎵(GaN)、氧化物半導體(如氧化鋅ZnO)、III族氮化物(如氮化鋁AlN)、金剛石半導體等寬禁帶半導體材料。

    相較於第一代半導體材料(硅、鍺)與第二代半導體材料(砷化鎵、磷化銦),第三代半導體的內部結構穩定,具有高温穩定性、高功率、抗高壓、高頻及抗輻射等優勢,能夠滿足5G通信、快充、新能源汽車主控電路等新興領域的需求。

    這其中,碳化硅(SiC)和氮化鎵(GaN)是第三代半導體中發展最為成熟的兩個品類。

    (36氪Pro提供)

    碳化硅(SiC)具有工作温度更高、開關和導通損耗更低的特性,適合太陽能逆變器、工業電源以及新能源汽車主控電路。

    而氮化鎵(GaN)由於其高電子遷移率和高電子飽和速度特性,適合高速和高功率元件,比較典型的應用場景是下一代無線通訊系統。

    1. 碳化硅(SiC)

    具體來說,碳化硅(SiC)可作為襯底主要應用在功率半導體與射頻半導體領域,而由導電型碳化硅襯底製成的功率半導體器件包括:結勢壘肖特基功率二極管(JBS)、PiN功率二極管和混合PiN肖特基二極管(MPS);金屬氧化物半導體場效應晶體管(MOSFET)、雙極型晶體管(BJT)、結型場效應晶體管(JFET)、絕緣柵雙極型晶體管(IGBT)和門極可關斷晶閘管(GTO)等,能夠應用於電子電氣領域中新能源汽車、光伏發電等方面。

    目前特斯拉、比亞迪等車企已經開始將SiC應用於其新能源汽車的主控電路中。

    芯謀研究院分析師鍾宇飛表示,受限於硅的客觀物理屬性,硅基IGBT的潛力相對有限,可以預見到未來將會有更多的新能源汽車採用SiC晶片。

    而由半絕緣型襯底製成的射頻半導體器件包括射頻開關、LNA、功率放大器、濾波器等,可廣泛應用於5G通訊、衛星、雷達等領域。

    2. 氮化鎵(GaN)

    在氮化鎵(GaN)領域,由於該材料生長速率慢,反應副產物多,生產工藝複雜,大尺寸單晶生長困難,目前氮化鎵單晶生長尺寸在2英寸和4英寸,一般不作為襯底材料,而是採用異質外延技術生長GaN-on-SiC器件、GaN-on-Si器件以及藍寶石基氮化鎵外延器件等。

    在器件及應用方面,首先,GaN-on-SiC器件、GaN-on-Si器件可作為微波射頻器件,應用於5G 通信、雷達預警、衛星通訊等方面。

    此外,GaN寬帶隙功率晶體管可以在高壓和高開關頻率條件下提供高功率效率,使其能夠應用於智能電網、高速軌道交通、新能源汽車、消費電子等電力電子方向,其性能遠遠超過硅MOSFET產品。

    比如,小米、華為、OPPO等手機企業所推出的60W、65W,甚至100W、120W快充技術,正是基於GaN材料打造的。

    SiC的性能使其在高於1200V的高電壓、大功率應用上頗具優勢,而GaN功率器件更適合40-1200V的高頻應用,尤其是在600V/3KW以下的應用場合。

    最後,基於硅襯底GaN還可製造藍光LED和白光LED,GaN因其材料的高頻特性是製備紫外光器件的良好材料,可應用在包括滅火抑爆系統、紫外製導、紫外通信等在內的軍事領域,以及火焰探測、電暈放電檢測、醫學監測診斷等在內的民用領域。GaN基紫外激光器在紫外固化、紫外殺菌等領域也是當前國際上的研究熱點。

    3. 其他種類

    除SiC、GaN外,第三代半導體還包括眾多其他材料,包括III族氮化物(AlN、InGaN、InAlN、AlGaN、AlInGaN等)、氧化物半導體(包括ZnO, CaTiO3, IGZO, β-Ga2O3 ,TiO2)以及金剛石半導體等。

    對於氮化物半導體材料而言,AlGaN多用於紫外發光二極管,具有熱導率高、電阻率大、紫外光透過率高、擊穿場強高、抗輻射能力強等優點,能夠應用在高温、高頻、抗輻射及大功率器件等方面,而InGaN則能夠應用在LED和LD等行業。

    對於氧化物半導體材料而言,其氧化鋅(ZnO)、氧化鎵(Ga2O3)、鈣鈦礦(CaTio3)等化合物普遍具有相對較大禁帶寬度、較大激子結合能,可用於光電器件和功率電子器件以及激光器件的製造。

    值得一提的是,ZnO是發展短波長光電子器件的優選材料,而β-Ga2O3尤為適用於大功率高亮度發光器件。此外,鈣鈦礦金屬氧化物和鈣鈦礦鹵化物也可分別用於微納光電子器件及太陽能電池方面。

    最後,金剛石半導體室温禁帶寬度約為5.47eV,為所有元素半導體材料中帶隙最寬的材料,其半導體器件能夠在高頻、高功率、高電壓,以及強輻射等十分惡劣的環境中運行,並且從紫外光到紅遠外光很寬的波長範圍內具有很高的光譜透射性能,是大功率紅外激光器和探測器的光學窗口材料。

    近年來,由於金剛石摻雜的突破,各種金剛石器件包括深紫外光發光二極管、深紫外探測器、生物傳感器、高壓大電流肖特基二極管、高頻高功率場效應晶體管等也不斷研製成功。

    圖片美國一家獨大,國產快速崛起,2025迎來產業爆發

    由於第三代半導體仍是個新興技術,全球市場處於初期階段,歐美、日本等由於產業起步較早,發展較為成熟,近年來還不斷擴大產能,推動產業鏈協同,目前仍佔據着產業主要話語權。

    第三代半導體產業鏈主要包含襯底、外延材料、器件設計、製造、模塊和應用這幾個環節。

    芯謀研究院分析師鍾宇飛認為,從襯底來看,目前中國與國際領先水平差距較大,普遍在3年以上;

    外延與器件設計方面,由於技術相對簡單,門檻不高,目前國內外差距較小;

    而器件製造則是另一個差距較大的方面,國外由於發展較早,在製造的過程中累積了大量的產業know-how,其產品擁有較高的良率和可靠性。國內企業想趕上國外水平,也必須進行大量試錯,「把所有的坑都踩一遍」,前期投入會非常大。

    鍾宇飛告訴36氪,總體而言,第三代半導體只在整個半導體產業中佔據極小的一部分份額,國內外的差距不像硅基器件那樣明顯。只要加大投入,還是存在追上的可能。

    上文提到,由於GaN生長速率慢、工藝複雜,難以作為襯底材料應用,而是需要以藍寶石、硅、SiC作為襯底,通過外延生長製造器件。

    在GaN領域,國內相對領先的企業有英諾賽科,蘇州能訊等。根據Yole數據,GaN射頻全球市場在2018年為6.45億美元,預計2024年達到約 20億美元;在GaN電源市場方面,受消費者快速充電器應用推動,到2024 年全球市場規模將超過3.5億美元。

    在碳化硅(SiC)領域,由於技術壁壘較高,需要企業擁有8-10年的技術沉澱和積累,目前全球呈現美國、日本兩家獨大的產業格局。

    根據Yole數據,2018年,美國廠商佔全球SiC晶片市場佔比超過70%,其中Cree一家佔比就超過62%,II-VI佔比16%。加上日本羅姆(Rohm)旗下的Si-Crystal後,日美企業的全球市場份額達到90%,剩餘份額大部分被歐洲與其他SiC企業佔據。中國廠商在其中佔比較小,表現較為優越的天科合達和山東天嶽佔比分別為1.7%和0.5%。

    而在器件及模組的供應商中,Cree、Rohm、德國英飛凌及意法半導體合計在2018年佔據了超過70%的市場份額。

    此外,國外廠商正通過併購或積極擴充產能的方式,爭取完成「晶圓-器件-模塊」的全產業鏈的全佈局,如英飛凌2018年收購Sitectra並與美國Cree簽署長期供貨協議,意法半導體2019年收購NorstelAB並與Cree簽署長期供貨協議,Cree 2019年注資10億美元擴產8英寸碳化硅工廠等。

    不過,王曦補充道,近年來國內SiC產業正在快速崛起,一批優秀企業正逐步掌握2-6英寸碳化硅晶片的製造工藝,已將中國與發達國家的技術差距縮小至大概3-5年。

    目前美國Cree、II-VI、羅姆、意法半導體均已經量產6英寸碳化硅晶片,國內企業中,天科合達、山東天嶽、同光晶體等公司也完成了6英寸導電性碳化硅襯底的研發。

    SiC外延片方面,廈門瀚天天成與東莞天域生產3英寸~6英寸SiC外延片。

    SiC器件IDM方面,中電科55所是國內少數從4-6寸碳化硅外延生長、晶片設計與製造、模塊封裝領域實現全產業鏈的企業單位。而泰科天潤已經量產SiC SBD,產品涵蓋600V/5A~50A、1200V/5A~50A和1700V/10A系列。深圳基本半導體則擁有3D SiC技術,推出了1200V SiC MOSFET產品。

    SiC器件Fabless設計企業方面,上海瞻芯電子於2018年5月成功地在一條成熟量產的6英寸工藝生產線上完成SiC MOSFET的製造流程。代工方面,三安光電旗下的三安集成於2018年12月公布商業版本的6英寸碳SiC晶圓製造流程,並將其加入到代工組合當中。

    值得一提的是,近年來,SiC晶片作為襯底材料的應用正在逐步走向成熟,成本呈現明顯下降趨勢,具備了大規模產業化應用的基礎。

    同光晶體董事長兼總經理告訴36氪,當前一塊SiC單晶襯底的成本約為相同規格Si基板的5倍。高昂的價格是產業爆發的制約因素之一。然而,隨着國內生產技術不斷優化、質量品控不斷提升,預計在2025年SiC單晶襯底成本便會降至Si基板的2倍,屆時在國內市場將迎來第三代半導體材料應用爆發。

    (36氪Pro提供)

    行業陣營

    海外巨頭

    1)美國Cree

    公司成立於1987年,是全球最大的SiC和GaN器件製造商,當前公司市值為108億美元。主營功率SiC和射頻GaN兩方面業務,出售襯底、外延片、功率或射頻器件產品,並且提供GaN射頻器件的代工業務,基本囊括了第三代半導體的所有環節。公司從材料到器件,全方位佈局,產品應用於新能源汽車、光伏發電、5G通訊、衛星、雷達等領域。

    2)美國II-VI

    公司成立於1971年,主要致力於SiC基底上生長GaN外延,是世界領先的碳化硅襯底供應商,能夠提供4至6英寸導電型和半絕緣型晶片,並已成功研製8英寸導電型碳化硅晶片。2018年,公司佔SiC晶片市場16%的份額,當前公司市值為71億美元。

    3)德國英飛凌(Infineon)

    公司成立於1999年,是市場上唯一一家提供覆蓋Si、SiC和GaN等材料的全系列功率產品的公司,擁有第七代CoolMOS、基於第三代寬禁帶半導體的高性能CoolSiC與CoolGaN、以及支持更高頻率應用的第六代OptiMOS等產品組合。英飛凌的產品主要是車規級功率半導體,為大眾、奧迪和奔馳等車企提供半導體器件。根據IHS Markit最新數據,英飛凌在全球IGBT市場市佔率達34.5%。

    4)意法半導體

    公司於1987年成立,是由意大利的SGS微電子公司和法國Thomson半導體公司合併而成,目前公司總市值為342億美元。公司承擔6英寸碳化硅襯底和外延片生產業務、研發6英寸碳化硅襯底和外延片以及更廣泛的寬禁帶材料,公司產品應用於工業及汽車等領域。公司2018年佔SiC晶片市場0.5%的份額,在元器件市場佔有率超過50%。為特斯拉、比亞迪等車企提供功率半導體器件。

    5)日本羅姆(Rohm)

    公司於1958年誕生於日本,致力於SiC肖特基二極管和MOSFET生產,2009年,羅姆收購了SiC晶圓供應商SiCrystal,2012年批量生產全SiC模塊,2015年率先推出溝槽型的SiC MOSFET,2017年交付6英寸SBD。目前已形成了SiC襯底-外延-器件-模塊垂直供應的體系。2018年公司佔全球SiC晶片市場12%的份額。公司產品主要應用於電動汽車等領域,供應給現代和雷諾等汽車廠商。

    6)法國Soitec

    公司成立於1997年,其Smart CutTM剝離技術,可將晶體材料中的超薄單晶硅層從供體襯底轉移到其他襯底上,公司目前已逐漸成為全球最大的優化襯底供應商,正在將產品線從硅延伸到了GaN等領域,用於下一代5G產品的射頻過濾器。

    國內巨頭

    1)天科合達

    公司成立於2006年,是國內成立時間最早、規模最大的碳化硅晶片製造商之一。去年10月份撤銷了上市申請,於今年三月份完成2.5億人民幣股權轉讓融資。天科合達聚焦第三代半導體碳化硅材料領域,主營業務是生產第三代半導體碳化硅晶片。目前,已經掌握6英寸碳化硅晶片的製造技術,併成功實現批量供應。公司客户包括三安集成、中電化合物、東莞天域等。

    根據Yole數據,2018年天科合達導電型晶片的全球市場佔有率為 1.7%,排名全球第六、國內第一。2017-2019年公司收入由0.24億增長至1.55億元,兩年複合增長率154%。

    2)山東天嶽

    公司成立於2010年,目前該公司科創板IPO申請已獲得受理,擬募集資金20億元。公司產品主要在半絕緣型的SiC片。產品可廣泛應用於電力電子、微波電子、光電子等領域,已經成功出口日本、韓國、中國台灣、俄羅斯、瑞典、德國、澳洲等國家和地區的外延/器件廠商以及科研院校。

    根據Yole數據,2018年山東天嶽導電型晶片的全球市場佔有率為 0.5%,排名國內第二。公司收入從2018年收入1.1億左右增加至2019年超過2.5億總收入,按年增長100%以上。

    3)三安集成

    三安集成為三安光電集團全資子公司,於2000年在廈門成立,總投資額30億元。三安集成電路第三代半導體SiC/GaN全佈局,是涵蓋微波射頻、高功率電力電子、光通訊等領域的化合物半導體制造平台;具備襯底材料、外延生長、以及晶片製造的產業整合能力,擁有大規模、先進製程能力的MOCVD外延生長製造線,並擁有砷化鎵和氮化鎵外延片生產線,以及適用於專業通訊微電子器件市場的砷化鎵高速半導體晶片與氮化鎵高功率半導體晶片生產線。公司去年年營收3.75億元,產品包括綠能節能器件以及SiC電力電子器件,將主要應用於電動汽車、PFC電源、儲能、充電樁、軌道交通、智能電網等領域,客户累計近100家。

    4)比亞迪半導體

    比亞迪半導體成立於2004年,以IGBT和SiC為核心,擁有IDM功率半導體產業,包括晶片設計、晶圓製造、模塊封裝測試以及整車應用。比亞迪已研發出SiC MOSFET,比亞迪漢EV四驅版正是國內首款批量搭載Sic MOSFET組件的車型。2020年12月,比亞迪半導體產品總監楊欽耀就表示,比亞迪正在規劃自建SiC產線,預計到2021年有自己的產線。產品應用於汽車領域。

    5)揚傑科技

    公司於2000年在江蘇揚州成立,目前市值是263億人民幣,去年年營收額為26.2億人民幣。是國內少數集半導體分立器件晶片設計製造、器件封裝測試、終端銷售與服務等產業鏈垂直一體化(IDM)的傑出廠商。屬於傳統功率器件切入SiC領域,產品線涵蓋分立器件晶片、整流器件、保護器件、小信號、MOSFET、功率模塊、碳化硅等,為客户提供一攬子產品解決方案。產品涉及電源、家電、照明、安防、網通、消費電子、新能源、工控、汽車電子等多個領域。公司外銷額佔比近三成,海外收入主要來自日本、韓國、東南亞、美國、歐洲。

    6)華潤微

    公司成立於1989年,公司產品聚焦於功率半導體、智能傳感器領域,為客户提供系列化的半導體產品與服務。公司實現國內首條量產的6英寸SiC晶圓生產線。第二代SiC肖特基二極管的產品設計和工藝開發已完成,樣品已經產出。公司去年營收超69億人民幣,產品可應用於太陽能逆變器、通訊電源、服務器、儲能設備等領域。公司目前持有廈門瀚天天成3.2418%的股權。

    7)露笑科技

    公司成立於1989年,總市值約為220億人民幣,公司傳統業務為光伏發電、漆包線和機電設備。對於碳化硅業務,公司SiC長晶設備已經開始對外供貨,預計2020-2022年公司碳化硅業務的收入主要由碳化硅長晶爐銷售貢獻。露笑科技基於藍寶石技術儲備,已突破碳化硅工藝壁壘,在藍寶石基礎上佈局碳化硅長晶爐和晶片生產。公司與國宏中宇,中科鋼研等企業簽訂碳化硅長晶爐銷售合同。

    8)斯達半導

    公司成立於2005年,是一所長期從事功率半導體晶片和模塊尤其是IGBT晶片和模塊研發、生產和銷售服務的國家級高新技術企業。公司97.5%的收入均是IGBT,是功率半導體已上市公司中最純正的IGBT標的,2019年 IGBT模塊全球市佔率2%,排名全球第八;當前總市值為443億元人民幣,去年年營收為9.6億元。公司產品涵蓋計算機、網絡通信、消費電子、汽車電子、工業控制等領域。公司在未來將重點攻關SiC、GaN等前沿功率半導體產品的研發、設計及規模化生產,公司和宇通客車等客户合作研發SiC車用模塊。

    初創企業

    1)泰科天潤

    公司於2011年在北京成立,目前已完成3億元的D輪融資。公司產品為碳化硅功率器件,包含各種封裝形式的碳化硅肖特基二極管、碳化硅MOSFET和碳化硅模塊。產品主要應用於消費電子、電動汽車、電氣、光伏、LED照明等領域。

    2)同光晶體

    公司成立於2012年,已完成數億元D輪融資。公司主營業務包括第三代半導體材料SiC(碳化硅)單晶襯底研發、製備以及銷售,應用於新能源汽車、光伏發電、5G通訊、衛星、雷達等方面。公司正與來自德國、日本的工業巨頭進行產品驗證、需求對接方面的合作。

    3)基本半導體

    公司2016年成立於深圳,其業務包括對碳化硅器件的材料製備、晶片設計、製造工藝、封裝測試、驅動應用等各方面進行研發,覆蓋產業鏈各個環節。產品可應用於電動汽車、軌道交通、光伏逆變器、UPS電源、智能電網等多個方面。目前已完成數億元B輪融資,由聞泰科技領投。

    4)翰天天成

    公司於2011年在福建廈門成立,目前已獲900萬元的B輪融資。公司主要研發、生產、銷售碳化硅半導體外延晶片,是中國第一家提供產業化3英寸、4英寸和6英寸碳化硅半導體外延晶片的生產商。產品應用於電力電子功率器件、應用於軌道交通領域,與株洲中車時代電氣之間有着合作關係。

    5)東莞天域

    2009年成立的東莞天域主要從事碳化硅 (SiC) 外延晶片市場營銷、研發和製造;為全球客户提供 n-型 和 p-型 摻雜外延材料、製作肖特基二極管、JFETs、BJTs、MOSFETs,GTOs 和 IGBTs等。

    6)天狼芯

    深圳天狼芯於2020年成立,獲得數千萬人民幣A輪融資。公司專注於高性能國產功率半導體晶片設計,其主要產品有基於第三代半導體材料GaN系列和SiC系列的寬禁帶功率器件,以及IGBT等,可以廣泛使用在工業、4C、航空航天、國防軍工等傳統產業領域,以及軌道交通、新能源、智能電網、新能源汽車等戰略性新興產業領域。

    7)西安晟光硅研

    公司成立於2021年2月的晟光硅研,主營業務為半導體材料及專用設備的研發和銷售,主要產品包括圍繞第三代半導體晶圓材料的滾圓、切片、劃片等設備,目前已經宣佈完成戰略融資。

    8)無錫利普思半導體

    公司成立於2019年11月,從事功率半導體模塊的封裝設計、生產和銷售。公司主要產品是應用於新能源汽車、充電樁、工業電機驅動、光伏逆變、醫療器械等場景的IGBT模塊和SiC模塊,已經完成4000萬元Pre-A輪融資。

    9)忱芯科技

    公司成立於2021年1月,主要為終端客户提供包括碳化硅功率半導體模塊、驅動電路和碳化硅電力電子系統應用服務在內完整的「模塊+」定製化應用解決方案,目前已完成數千萬元人民幣天使輪融資。

    10)禹創半導體

    公司成立於2018年年底,專注於顯示驅動IC、電源管理IC兩個領域的產品研發及銷售,公司的多款電源管理IC和LCD、OLED驅動產品已經實現量產,出貨量達到2000千萬顆,2020年營收已達數千萬元。此外,公司Micro/Mini LED、AMOLED驅動IC以及氮化鎵電源管理晶片的研發正在積極推動中,已獲得數千萬元A+輪融資。

    11)銘鎵半導體

    公司成立於2020年,是國內專業從事氧化鎵材料及其功率器件產業化的高新企業。主要專注於新型超寬禁帶半導體材料氧化鎵的高質量單晶與外延襯底、高靈敏度日盲紫外探測器件和高頻大功率器件等產業化高新技術的研發,目前已實現2寸氧化鎵襯底材料量產。公司今年8月宣佈完成數千萬元Pre-A輪融資,本輪融資由洪泰基金領投,分享投資、圖靈創投跟投。

    12)氮矽科技

    公司於2019年4月成立,團隊採用分離式的技術路線開發國內首款高速氮化鎵柵極驅動晶片及氮化鎵晶體管,計劃年底從快充市場切入後,逐漸擴展到其他應用場景。目前驅動及晶體管產品已完成流片、封裝及應用搭建,正在進行客户導入。今年7月,公司宣佈獲得千萬級天使輪融資,由率然投資領投,鼎青投資跟投;8月宣佈完成千萬級Pre-A輪融資,由老股東鼎青投資追投。

    機遇與挑戰

    學術界和產業界很早認識到SiC和GaN等第三代半導體材料的優點,但是由於製造設備、製造工藝與成本方面的制約,此前多年來只是在小範圍內得到應用,難以挑戰Si基器件的統治地位。

    第三代半導體在技術方面遇到的挑戰包括:

    除了上文提到的GaN材料生長速率慢、工藝複雜等挑戰外,SiC單晶中也存在缺陷密度從而影響功率半導體器件成品率的問題。

    儘管更大尺寸的單晶襯底有利於提升器件的性能,但單晶襯底尺寸從4英寸到6英寸到8英寸的演變過程面臨缺陷增多、襯底尺寸穩定性變差等問題,因此當前面臨着如何從結晶學和動力學的角度進一步降低襯底單晶缺陷,從而使得批量生產大尺寸單晶襯底成為可能。

    其次,採用物理氣相沉積法進行單晶生長的過程中,對於一些工藝參數如籽晶託、坩堝側壁、軸向温度梯度等因素導致的熱應力對缺陷密度的影響還不盡了解。

    此外,現如今碳化硅襯底的拋光方法仍然存在損傷大、效率低、有污染等問題,需要進一步優化拋光技術。

    而在產業方面,第三代半導體遇到的挑戰則包括:熟練工人數量和質量、對半導體的理解,質量品控等行業積累。

    目前,中國在第三代半導體領域的人才積累依舊薄弱——這也是中國半導體產業的整體弱勢之一——但目前中國已經加快了產學研的相關投入,將集成電路上升為一級學科,不斷縮小差距。

    此外,與傳統的硅(Si)相比,當前第三代半導體材料的成本依舊較高,如一塊SiC單晶襯底的成本約為相同規格Si基板的5倍。不過隨着技術的不斷髮展,2025年這一成本將有望降至2倍。

    當前「國產替代」的大潮與新能源汽車、5G通訊、光伏發電、消費電子等新興領域的蓬勃發展對第三代半導體產業形成了雙重利好,針對第三代半導體的產業投資金額也逐年提升。根據CASA統計,2019年該領域投資金額共計265.8億元,按年上升54.53%,其中SiC項目金額220.8億元,佔比高達83.07%,GaN項目金額45億元。

    根據IHS Markit數據,在新能源汽車、消費電子等領域龐大需求的驅動下,預計到2027年SiC功率器件的市場規模將超過100億美元,碳化硅襯底的市場需求也將大幅增長。

    而根據Yole數據,2018年和2024年氮化鎵射頻器件市場規模分別約為6億美金和20億美金,複合增速為20.76%。

    2024年中國第三代半導體市場規模將達到約61.3億元人民幣,複合增長率將達約38.2%。

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