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2022年正值中国产业升级与“双碳”政策推进的关键阶段，半导体和新能源行业再度成为关注的焦点。随着第四次工业革命到来，大量新技术需要依靠芯片来实现，但在过去的几十年间，中国的半导体材料过度依赖进口，无法自给自足的半导体产业限制了中国信息技术产业的发展。先进半导体材料作为信息技术产业的基石，在国际局势愈加动荡的背景下，其供需矛盾日益凸显，在诸多关键新材料中的地位也逐渐突出。

第三代半导体材料“超越摩尔定律”，成为半导体产业新的发展重心

一、第三代半导体材料战略性、先导性地位凸显

第三代半导体材料，指带隙宽度明显大于Si（1.1eV）和GaAs（1.4eV）的宽禁带半导体材料，主要包括Ⅲ族氮化物（如GaN、AlN等）、碳化硅（SiC）、氧化物半导体（如ZnO、Ga₂O₃等）和金刚石等宽禁带半导体。当前具备产业化条件的以SiC和GaN为主，AlN、ZnO、Ga₂O₃、金刚石等宽禁带半导体大多处于实验室研究阶段，产业化尚需时日。

第三代半导体材料性能更加优异。相对于Si、GaAs和InP，第三代半导体材料具有高击穿电场强度、高热导率、高电子饱和率、高漂移速率以及高抗辐射能力等优越性能，这些优势有望大幅降低装置的损耗和体积/重量，因而第三代半导体材料在高功率、高频率、高电压、高温度、高光效等领域具有难以比拟的优势和广阔的应用前景。

第三代半导体材料成为半导体产业新的关注点。开始的适合，传统半导体材料遵循摩尔定律演进趋势，随着制程微缩的难度和成本指数级上升，摩尔定律脚步放缓，以新材料、新结构和新工艺为特征的“超摩尔定律”成为产业发展的新方向。其次，能源危机和环保压力日益凸显，第三代半导体材料在功率电子、光电子和微波射频领域具有Si器件所不具备的优异性能，以SiC和GaN为代表的第三代半导体成为产业转型升级驱动因素。第三，半导体产业是国家核心竞争力，建立自主可控集成电路产业体系是国家重要的发展战略。在头一代半导体集成电路竞赛中，中国大幅落后于国际先进水平，但是在第三代半导体集成电路领域中国与国际先进水平的差距相对较小，有可能实现“弯道超车”。

第三代半导体材料是支撑制造业产业升级的重要保证。第三代半导体材料适用于中高压电力电子转换、毫米波射频和高效半导体光电子应用。可以应用于光伏、风能、4G/5G移动通信、高速铁路、电动汽车、智能电网、大数据/云计算中心、半导体照明等各个领域。如4G/5G通信基站和终端使用的GaN微波射频器件和模块、高速铁路使用的SiC基牵引传动系统、光伏电站、风能电场和电动汽车使用的GaN或SiC电能逆变器或转换器、智能电网使用的SiC大功率开关器件、工业控制使用的GaN或SiC基电机马达变频驱动器，大数据/云计算中心使用的GaN或SiC 基高效供电电源，半导体照明中使用的GaN基高亮度LED等。

二、关键技术取得突破，与全球先进水平差距缩小

通过国家和地方的大力支持，中国第三代半导体材料发展迅速，形成了比较完整的技术链，部分关键技术指标达到国际先进水平。

在SiC衬底及外延方面：中国已经实现4英寸SiC衬底的量产，开发出6-8英寸SiC单晶样品，衬底质量与国际水平尚存在一定差距。在SiC外延方面，中国实现了4-6英寸SiC外延片的量产，可以满足3.3kV及以下功率器件制备需求，而超高压（＞10kV）SiC功率器件所需的N型SiC外延片以及双极型SiC功率器件所需的P型SiC外延片等方面还处于研究阶段。

在GaN衬底及外延方面：中国形成了具有自主知识产权的氢化物气相外延（HVPE）技术，实现了2英寸自支撑GaN衬底量产和4英寸小批量出货，实现6英寸GaN单晶衬底研发，晶体质量达到了国际先进水平。在GaN外延方面，根据衬底的不同主要分为GaN-on-sapphire、GaN-on-Si、GaN-on-SiC、GaN-on-GaN 四种。GaN-on-sapphire主要应用在LED市场，主流尺寸为4英寸；GaN-on-Si主要应用于电力电子和光电子市场，实现批量生产6-8英寸Si上 GaN外延片，克服了大尺寸Si衬底上GaN外延材料的开裂和翘曲等关键技术问题，部分技术处于国际先进水平；GaN-on-SiC主要应用在微波射频市场，中国已成功生长出高质量的4英寸SiC衬底上GaN HEMT器件外延片；GaN-on-GaN主要应用市场是蓝/绿光激光器，中国还未实现产业化。

在电力电子器件方面：中国多家企业和科研机构已经掌握了SiC SBD和JFET的量产技术，实现650V-1700V的SiC SBD产品大规模出货以及3300V SiC SBD产品样品。研制出650V-1700V的SiC MOSFET产品，尚不具备产业化能力。GaN电力电子器件方面，已经实现了650V及以下Si上GaN电力电子器件的产业化应用，但主要以分立器件为主，系统集成度和导通电阻等关键指标与国际先进水平有差距；已经研发出面向新能源汽车应用的1200V Si上GaN器件，尚未取得应用突破。

在微波射频器件方面：GaN微波射频器件主要包括SiC基GaN、Si基GaN和金刚石基GaN的功率放大器。对于SiC基GaN工艺，主要应用场景是军事和国防领域的雷达、卫星通信，对输出功率要求比较高，中国已经研制出覆盖C波段和Kα波段多款军用GaN HEMT及MMIC；在民用方面，中国推出了用于无线通信基站的GaN微波功率管，但在可靠性、工艺技术方面还存在较大差距。对于Si基GaN器件来说，主要应用场景是规模巨大的5G通信系统，输出功率要求不高，对低成本、高性价比的要求相对比较高，中国已经推出了相关产品，但还未大规模应用。对于金刚石基GaN 射频器件来说，主要应用场景是军事和国防用雷达、卫星通信，对输出功率要求比较高，目前处于实验室研发阶段。

在光电子器件方面：LED技术与国际差距较小，部分技术国际领先。目前中国在蓝宝石衬底上制备的功率型白光LED产业化光效超过160Im/W，在Si衬底上制备的LED产业化光效超过150Im/W，处于国际领先水平。在高端照明如汽车照明，核心专利技术由美国、德国、日本掌握。在新型显示方面，Micro-LED作为下一代显示技术的重要技术路线，中国从关键装备到芯片、封装、驱动、应用系统，国内企业也进行了全面布局。

三、区域发展各具特色，产业集群正在形成

中国半导体照明产业已经有20多年的发展历程，政府高度重视技术创新和产业发展，产业布局相对完善，已经成为全球很重要的半导体照明产品生产国。中国第三代半导体电力电子、射频及光电子产业发展时间相对较短，从中央到地方密集出台政策措施扶持产业发展，第三代半导体产业集聚态势正在形成。

国家层面，2015年国务院印发了《中国制造2025》国家战略，提出了发展第三代半导体材料的任务和要求；随后，国家各部委相继出台了《“十三五”国家科技创新规划》、《“十三五”国家战略性新兴产业发展规划》等多项重要规划，均布局了第三代半导体相关内容。面向“十四五”，第三代半导体材料相关内容已经写进“十四五”国家发展规划。

地方层面，北京、深圳、广东、福建、江苏、浙江、湖南等省市政府先后出台相关政策（不包括 LED），第三代半导体技术和产业发展均被纳入地方“十三五”和“十四五”相关领域规划内容。各地区依托当地优势研究机构和企业，通过推进技术成果转化、资本投资等多种形式，推动第三代半导体产业发展。

中国半导体照明产业发展相对成熟，形成了环渤海、长三角、珠三角、闽三角以及中西部五大产业集聚区。从产业基地建设情况来看， 中国形成了13个半导体照明产业基地。2004年，上海、厦门、大连、南昌、深圳、扬州和石家庄7个地区获批建立半导体照明产业化基地，加快了中国半导体照明产业的空间集聚，推动了半导体照明产业快速发展。随着半导体照明产业的发展，越来越多的城市将半导体照明产业列为当地重点布局的战略性产业，着力建设半导体照明相关产业基地和园区，2009年，科技部认定天津、杭州、武汉、东莞、西安和宁波6个地区建立半导体照明产业化基地。依托产业基地，各地建成了数百个半导体照明产业园区，半导体照明产业在中国全面开花，推动中国成为全球较大的半导体照明产品生产和出口地。

中国第三代半导体电力电子、微波射频及光电子产业正在加速形成各具特色的产业集群。中国在SiC、GaN材料及器件方面的发展起步较晚，与全球水平仍有较大差距，目前正在布局中。2017年，中国第三代半导体产业全面启动，中央和地方出台相关政策加大对第三代半导体材料及产业化应用扶持力度。从政策分布来看，广东省、江苏省、上海市、北京市、福建省、湖南省相对集中，未来将围绕这些区域形成第三代半导体产业集群。北京市和广东省相继建立北京第三代半导体材料及应用联合创新基地和第三代半导体南方基地，着力发展第三代半导体全产业链，未来将形成全球重要的第三代半导体产业集群；经过几年的发展，中国第三代半导体主要企业由中试进入大规模量产阶段，新建产能主要集中在上海、深圳、湖南、山西等地区，在这些地区依托龙头企业及当地产业基础将形成产业集群。浙江、河北、山东、安徽、四川等地已经集聚了相对完整的第三代半导体产业链，具备建设产业集群条件。

中国第三代半导体材料未来展望

第三代半导体材料和技术正在加速发展，在新一代显示、5G移动通信、相控阵雷达、高效智能电网、新能源汽车、自动驾驶、工业电源、消费类电子产品等领域展示出广阔的、不可替代的应用前景，并逐渐成为人工智能、未来智联网等发展的核心关键元器件的材料基础。预计将形成万亿美元的应用市场，成为新一代制造业必争的战略要地，成为全球各国提升未来核心竞争力的重要手段和重要支撑。

1）更大尺寸晶圆将成为主流，材料质量与器件性能不断提升

生产成本成为推动大尺寸晶圆的主要推动力，较大的晶圆直径能提升单晶利用率降低晶圆制造成本，且全球先进水平已经突破大尺寸晶圆生长技术，如wolfspeed即将实现8英寸SiC晶圆量产，而国内主流尺寸为4英寸，加速实现6英寸SiC衬底和外延材料的产业化转移成为中国企业的必然选择。不断开发新工艺和新技术，降低材料的缺陷密度、提高产品良率和降低成本，加速突破衬底材料、外延、芯片和封装测试瓶颈将成为整个行业未来发展的主旋律。

2）产业集群发展态势将逐渐形成，企业兼并重组整合加速

中国第三代半导体工程化技术已经取得突破，有能力的企业进行产业化布局，支持政策完善、配套资源齐全、产业生态较好的区域将吸引企业落户，形成产业聚集，未来中国将围绕这些区域形成多个产业集聚区。另外，企业间的兼并重组也将加剧，全球主要企业如Ⅱ-Ⅵ、wolfspeed等已经开启整合模式，中国优势企业为了扩大影响力也将通过兼并重组向上下游延伸；传统半导体企业为了寻求新的利润增长点以及布局新技术的需要，也将并购具备硬实力的初创公司；下游应用企业从自身供应链安全考虑，也将向上游延伸产业链。

3）第三代半导体渗透将加快，新的应用蓝海将逐渐开启

第三代半导体材料在新能源汽车、PV光伏、消费类电子产品、轨道交通、半导体照明、5G射频等方面应用优势明显，随着第三代半导体量产技术突破、成本进一步降低，渗透率将逐步提高。电力电子器件在新能源汽车上的应用、光电子器件在Mini/Micro-LED等新一代显示产业及UV-LED方面的应用将成为未来5年新的风口。

4）新的材料体系将逐渐成熟

Ga₂O₂、AlN和金刚石等超宽禁带半导体材料具有更高击穿电压、更低导通电阻、更高频率、更大功率的特点，是支撑未来轨道交通、新能源汽车、能源互联网等产业创新发展和转型升级的重点核心材料。国外近几年对超宽禁带半导体愈发重视，布局和投入显著增加，中国也有越来越多的科技人员关注和开展对超宽禁带半导体的研究，前景为业界看好，未来几年会逐步推出相关产品。

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文章来源：vx公众号