第三代半导体目前发展现状及未来趋势分析

日前，科技部高新司在北京组织召开“十二五”期间863计划重点支持的“第三代半导体器件制备及评价技术”项目验收会。通过项目的实施，中国在第三代半导体关键的碳化硅和氮化镓材料、功率器件、高性能封装以及可见光通信等领域取得突破。

此前，国内首个《第三代半导体电力电子技术路线图》正式发布。《第三代半导体电力电子技术路线图》围绕电力电子方向，主要从衬底/外延/器件、封装/模块、SiC应用、GaN应用等四个方面展开论述，提出了中国发展第三代半导体电力电子技术的路径建议和对未来产业发展的预测。

半导体产业进入第三个阶段

半导体产业发展至今经历了三个阶段，第一代半导体材料以硅（Si）为代表，以砷化镓（GaAs）为代表的第二代半导体材料和以氮化镓（GaN）、碳化硅（SiC）、氧化锌（ZnO）等宽禁带为代表的第三代半导体材料。相较前两代产品，第三代半导体的性能优势非常显著且受到业内广泛好评。

以GaN、SiC为代表的第三代半导体材料最大的优点在于能够适应高压，高频和高温的极端环境，性能大幅提升。由于SiC和GaN的禁带宽度远大于Si和GaAs，相应的本征载流子浓度小于Si和GaAs，宽禁带半导体的最高工作温度要高于第一、第二代半导体材料。击穿场强和饱和热导率也远大于Si和GaAs。因此，它们是5G时代基站建设的理想材料。

电力电子应用

当今，许多公司都在研发SiC MOSFET，领先企业包括美国科锐（Cree）旗下的Wolfspeed、德国的SiCrystal、日本的罗姆（ROHM）、新日铁等。而进入GaN市场中的玩家较少，起步也较晚。

SiC的电力电子器件市场在2016年正式形成，市场规模约在2.1亿~2.4亿美金之间。而据Yole最新预测，SiC市场规模在2021年将上涨到5.5亿美金，这期间的复合年均增长率预计将达19%。

全球已有超过30家公司在电力电子领域拥有SiC、GaN相关产品的生产、设计、制造和销售能力。2016年SiC无论在衬底材料、器件还是在应用方面，均有很大进展，已经开发出耐压水平超过20KV的IGBT样片。

各国的发展策略

美、日、欧等国都在积极进行第三代半导体材料的战略部署，其中的重点是SiC。作为电力电子器件，SiC在低压领域如高端的白色家电、电动汽车等由于成本因素，逐渐失去了竞争力。但在高压领域，如高速列车、风力发电以及智能电网等，SiC具有不可替代性的优势。

美国等发达国家为了抢占第三代半导体技术的战略制高点，通过国家级创新中心、协同创新中心、联合研发等形式，将企业、高校、研究机构及相关政府部门等有机地联合在一起，实现第三代半导体技术的加速进步，引领、加速并抢占全球第三代半导体市场。

例如，美国国家宇航局（NASA）、国防部先进研究计划署（DARPA）等机构通过研发资助、购买订单等方式，开展SiC、GaN研发、生产与器件研制；韩国方面，在政府相关机构主导下，重点围绕高纯SiC粉末制备、高纯SiC多晶陶瓷、高质量SiC单晶生长、高质量SiC外延材料生长这4个方面，开展研发项目。在功率器件方面，韩国还启动了功率电子的国家项目，重点围绕Si基GaN和SiC。

发达国家第三代半导体材料政策如下图所示：

资料来源：CASA整理

可见，全球SiC产业格局呈现美国、欧洲、日本三足鼎立态势。其中美国全球独大，居于领导地位，占有全球SiC产量的70%~80%；欧洲拥有完整的SiC衬底、外延、器件以及应用产业链，在全球电力电子市场拥有强大的话语权；日本则是设备和模块开发方面的绝对领先者。

中国由于在LED方面已经接近国际先进水平，为第三代半导体在其它方面的技术研发和产业应用打下了一定的基础。

中国发展状况

中国开展SiC、GaN材料和器件方面的研究工作比较晚，与国外相比水平较低，阻碍国内第三代半导体研究进展的重要因素是原始创新问题。国内新材料领域的科研院所和相关生产企业大都急功近利，难以容忍长期“只投入，不产出”的现状。因此，以第三代半导体材料为代表的新材料原始创新举步维艰。

中国半导体材料处于中低端领域

半导体行业的产业链上游支撑产业、中游制造产业以及下游应用产业构成，其中上游支撑产业主要有半导体材料和设备构成。半导体材料是指电导率介于金属和绝缘体之间的材料，半导体材料是制作晶体管、集成电路、光电子器件的重要材料。半导体材料主要应用在晶圆制造和芯片封测阶段。在半导体材料市场构成方面，大硅片占比最大，占比为32.9%，其次为气体，占比为14.1%，光掩膜排名第三，占比为12.6%，其后分别为抛光液和抛光垫、光刻胶配套试剂、光刻胶、湿化学品、建设靶材，占比分别为7.2%、6.9%、6.1%、4%和3%。

由于半导体材料领域高端产品技术壁垒高，而中国企业长期研发和累计不足，中国半导体材料在国际中处于中低端领域。中国大部分产品的自给率较低，主要是技术壁垒较低的封装材料，而晶圆制造材料主要依靠进口。目前，中国半导体材料企业集中在6英寸以下的生产线，少量企业开始打入8英寸、12英寸生产线。

全球最大半导体消费市场

近年来，随着全球集成电路市场逐渐步入成熟发展阶段，全球产业增速有所放缓，伴随着我国经济的高速发展，中国智能手机、平板电脑、汽车电子、智能家居等物联网市场快速发展，尤其智能手机和平板电脑市场快速增长，对各类集成电路产品需求不断增长，2017年中国半导体消费市场规模在全球市场中所占比已达 32%。

目前，中国半导体产业仍处于初级发展阶段，发展程度低于国际先进水平。在中国半导体产业的大规模引进、消化、吸收以及产业的重点建设，中国已成为全球半导体市场最大的市场。数据显示，2017年中国半导体市场实际销售额为7200.8亿元，同比增长13.7%。预计2018年中国半导体产业销售额将进一步增长，达到8295.3亿元，增长率为12.9%。

随着半导体行业的快速发展，应用场景不断扩展，嵌入到从汽车等各类产品中，同时伴随着人工智能、虚拟现实和物联网等新兴技术的出现，半导体的市场需求不断扩大。数据显示，2017年中国半导体市场规模为16860亿元，同比增长11.4%。伴随着中国集成电路设计、制造、封装等产业在国家政策支持下持续增长，预计2018年中国半导体市场规模将达到18951亿元，增长率为12.4%。

半导体进出口情况

中国是全球最大集成电路进口市场，作为电子信息产业的核心，“中国芯”的进口依赖严重影响我国信息产业安全，我国芯片的国产化需求强烈。2017年，中国半导体销售额占全球市场销售额比重约为30%，其中集成电路销售额达5411.3亿元，中国已然成为全世界最大的半导体下游市场。数据显示，2017年我国集成电路进口金额明显增长，2017年我国集成电路进口金额为260116，同比增长14.6%。2018年上半年我国集成电路进口金额为146705百万美元，同比增长13%。 在出口方面，中国出口集成电路金额达38541.2百万美元，同比增长31.1%。

半导体设备依赖进口

半导体设备作为半导体产业链的支持行业，主要应用于IC制造、IC封测。其中，IC制造包括晶圆制造和晶圆加工设备；IC封测主要用封测产进行采购，包括拣选、测试、贴片、键合等环节。目前，中国半导体设备国产化低于20%，国内市场被国外巨头垄断。半导体设备行业具有较高的技术壁垒，市场壁垒和客户认知壁垒，中国半导体设备行业整体起步较晚，目前，国产规模仍较小，依赖进口问题严重。数据显示，2017年中国大量进口半导体设备占比情况中，化学气相沉积设备占比最大，占比为23%，其次为等离子体干法刻蚀机，占比为18%，排名第三的是引线键合机，占比为12%，其后分别为氧化扩散炉、分步重复光刻机、物理气相沉积设备、离子注入机、化学机械抛光机。

2018年半导体制造设备全球销售额预计达到627.3亿美元，同比增长10.8%，超过2017年创下的566亿美元的历史新高。2017年中国半导体制造设备销售额为82.3亿美元，预计2018年将达到118.1亿美元。值得一提的是，2018年中国半导体制造设备排名将上升，首次位居第二，中国将以43.5%的增长率领先。

总的来说，近年来中国半导体产业通过大规模的引进、消化、吸收以及产业的重点建设，中国或需较长时间才能出现世界一流半导体设备企业，但边际上的成长和进步正在不断出现，应用场景的拓展，中国半导体产业规模将进一步发展。