第三代半導體科普，國產任重道遠|半導體行業觀察

01-28

本文作者：小李飛刀

繼「集成電路產業」帶動中國在半導體行業的投資熱潮後，三代半導體如今逐步進入人們的視線。今天我（作者）就以一個在三代半導體行業浸淫近15載的江湖中人角度給大家聊一聊，三代半導體產業在中國乃至世界的發展，以及這個行業的特點。

n n 三代半導體材料的發展歷程n n n n

n n 先掃掃盲吧。n n

n n 首先要給大家聲明一下「半導體」可不是收音機和隨身聽的簡稱，以後隔壁老王你要是再敢提著你的破收音機來我家，讓我給你修理，當心我把你好好修理一下，我這暴脾氣......。n n

n n 從最初應用算起，半導體材料已經發展了三代，第一代是四五十年代開始以鍺、硅為代表的IV族半導體材料逐步發展起來，推動人類進入電子時代晶體管收音機就是那個時代的產物，老王你明白了吧？n n

n n 到了上個世紀六七十年代，III-V族半導體的發展開闢了光電和微波應用，與第一代半導體一起，將人類推進了信息時代。八十年代開始，以碳化硅SiC、氮化鎵GaN為代表的第三代半導體材料的出現，開闢了人類資源和能源節約型社會的新發展，催生了新型照明、顯示、光生物等等新的應用需求和產業。n n

n n 其實這些東西的真正應用大約都經歷了十幾年乃至二十年的培育期，所以大家對於半導體材料的首先要有耐心，沒有耐心的人看到這裡就可以去追劇了，不必在這裡浪費生命了。但是我要提醒你，你將失去參與改變人類歷史的機會！雖然你的離開從某種程度上也是改變了歷史，呵呵。n n

n n 這裡要特別說明一下氮化鎵GaN材料。n n

n n 鎵是地球上存在的一種貴金屬材料，大約排名第十左右，中國儲量全球第一。作為三代半導體材料當家花旦的氮化鎵,近二十年來，由於LED照明產業的發展推動，已成為三代半導體材料中的核心材料，在光電子方向LED從無到有，快速發展，直至現在發展到千億美元的規模，是一個新材料開發推動社會變革的典範。n n

n n 另一個有實力的材料碳化硅材料的開發早在七十年代就有了，最近二十年，在材料質量和製備方法上有了突破，逐步進入了市場。在2001年，碳化硅二極體被開發出來之後，材料質量逐步完善，器件性能和可靠性也在逐步改善。到目前為止，碳化硅的二極體以其優異的性能和使用過程中展現的可靠性，已經廣泛應用在很多場合。n n

n n 氮化鎵GaN和碳化硅同屬於第三代半導體材料。為了區別於氮化鎵已經形成的LED產業，在產業中有人用第三代半導體指代除LED之外的第三代半導體材料應用（可憐的LED被第三代半導體除名了，誰讓你總是光芒四射呢，當然我們也可以理解為人家自立門戶去了，反正當今LED主要的產業聚集在中國,世界LED聯盟的主席是中國人）。除了，氮化鎵和碳化硅，第三代半導體材料還包含ZnO，GaO氧化鎵等。n n

n n 既然LED已經離三代半導體陣營而去了，我們在這裡就不再敘述了，如果哪天大家有興趣，我可以抽時間把中國近15年的發展史給大家專門奉上。那其中的諸侯紛爭絕對可以做一本中國半導體照明戰爭史。n n

n n 第三代半導體能做啥？n n n n

n n 我們今天主要說說三代半導體簡稱三代半（可不是3.5代哦）到底能幹啥？首先要告訴大家的是三代半並不是二代半和一代半導體體的掘墓人，他只是在某些領域擁有比硅器件更有益的性能。所以並不是說一代新人換舊人，而是江湖輩有新人出。n n

n n 如果把我們所認知的半導體世界做一個簡單分類的話目前可以分為邏輯類器件和功率器件。一個電子產品的核心部分有計算部分（比如CPU之類的）存儲部分比如（內存、硬碟之類的）還有就是提供電力輸送和控制的模塊。n n

n n 形象的比喻的話就硅器件做的CPU和存儲就如同人的大腦，電源和電池就好比是人的心臟。而功率器件就好比是人的血液和神經系統。而三代半導體就是在這個領域在未來取代部分的硅器件為整個系統提供更加優良的解決方案的核心材料。n n

n n 經過幾十年的發展，硅材料已經接近完美晶體，對於硅材料的研究也非常透徹。基於硅材料上器件的設計和開發也經過了許多代的結構和工藝優化和更新，正在逐漸接近硅材料的極限，基於硅材料的器件性能提高的潛力愈來愈小。n n

n n 以氮化鎵、碳化硅為代表的第三代半導體具備優異的材料物理特性，為進一步提升電力電子器件的性能提供了更大的空間。n n

n n 下圖是Si、GaN、SiC以及GaAs材料基本物理性質、以及多坐標對比。如果你看不懂沒關係，這只是給大家分享一點直觀的數據。n n

n 表1，三代四種半導體材料的基本物理參數n n n

n n Si, GaAs和GaN三代半導體材料的多坐標物理性能對比。n n n n n

n n Si與GaN器件的電源系統效率比較。n n n

n n 看了上面的介紹，現在要講到關鍵問題了，就是這玩意兒到底用在哪裡？有什麼優勢呢？為什麼政府、科研、產業、資本都對它趨之若鶩。n n

n n 套用業界一位大咖的話說，不論你們看重的是什麼，政府首先看重的是節能。沒想到吧，似乎也只提高了3%-5%的效率，能節多少能呢？不過其實那只是一次轉換中節約比例。n n

n n 設想我們任何一個電子設備到最終實現功能，要經過多少次這樣的轉化呢？「我覺得十次八次總要的吧。」「需要嗎？」「不需要嗎？」「需要嗎？」「不需要嗎？！」「我隨便說出來大家探討而已……需要嗎？」這麼算出來，估計只要你的體育老師的數學水平還可以的話，你應該可以大概知道系統節能比例可以高達15%以上。n n

n n 然後才是高頻特性、高溫特性、高耐壓、高功率、小體積這些特性。每一個特性又對應這無數種的應用和排列組合方式。n n

n n 下面該談應用了。以下我講述的應用僅僅是三代半導體應用中能夠吸引眼球的的幾個方面，如果要全面的應用介紹，麻煩大家自己百度一下類似的科普類好文，裡面會有分類介紹。我這裡講的全都是你心目中耳熟能詳而又高大尚的東西。n n

n n 詳細應用領域n n n n

n n 我們先介紹體系，三代半可以應用的領域可以分為射頻器件和電力電子器件兩類。說白了就是一個是搞微波(不是微博哦)通訊類的，一個搞供電模塊的。我們按照這個分類給大家介紹幾個明星應用：n n

n n （1）相控陣雷達n n n

n n 沒錯！就是這個老美引以為豪的東東，薩德我就不說了，來氣。相控陣雷達中就大量應用了氮化鎵的射頻器件。軍工領域對於三代半導體的應用層出不窮。包括氮化鎵和碳化硅的功率器件，未來也會發揮重要作用，這裡面我就不多說了，「國家機密，以人民的名義」。n n

n n （2）5G通訊n n n

n n 硅材料作為通訊材料的老大哥，干到現在，真是有些干不動了，即便使出洪荒之力，也沒有辦法承擔5G通訊這麼高的帶寬速度的重壓了。所以只有靠氮化鎵來完成了。美國Qorvo就是這個產業的先行者。n n

n n 另外，目前國內無論是華為、中興這樣的通訊企業，還是在這個行業蹲守苦幹多年的專業射頻器件生產企業都盯住了這塊市場，可以預料在不久的未來，裡面的廝殺將會達到白熱化，而市場利潤空間很大，但巨頭、寡頭也很大。小夥伴們你們準備好了嗎？順便弱弱的問一句各位業界的CEO們：「如果華為準備干這個器件，你怎麼辦？」n n

n n （3）物聯網n n n

n n 馬雲說過：未來互聯網會消失，物聯網會取而代之。真的是他說的嗎？管他呢！反正物聯網是一個未來的熱點，正在向我們走來，這裡面，將充斥著三代半導體的射頻和功率器件。n n

n n （4）電動汽車n n n

n n 未來電動汽車的動力全要靠三代半導體的功率器件了，碳化硅、氮化鎵都會在電動汽車裡有很大的市場。僅功率器件一項，每輛車就會增加大約300美元的需求。n n

n n （5）機器人n n n

n n 我的天，你是要把未來世界都划進來嗎？可是事實就是未來的機器人必然需要節能、小型化、大功率、高反應速度的三代半器件。無論工業機器人、家用機器人、還是無人機。都孕育著巨大的市場機會。n n

n n （6）白色家電n n n

n n 雖然不是很高大上，但是白色家電的市場規模卻不容忽視，未來隨著智能家居技術的發展，白色家電和物聯網互聯網以及可穿戴設備的融合，使得這個行業充滿了新的機會。n n

n n （7）互聯網n n n

n n 終於說到互聯網了，這個時代如果一個產品不能和互聯網聯繫在一起似乎就是一個沒有前途的產品。但是你有沒有想過互聯網是靠什麼維持的呢？雲計算、大數據如果沒有了三代半導體功率器件的支撐他們還能存在嗎？你知道在谷歌上搜索一個關鍵詞要花費多少電力嗎？這些電力是被哪些器件供給那些有計算能力的機器的呢？n n

n n （8）新能源n n n

n n 各種新能源逆變器和輔助設備n n

n n （9）高鐵n n n

n n 央視報道的IGBT,號稱高鐵的中國芯。未來隨著三代半導體技術的發展，硅的IGBT被替代的日子應該不遠了。n n

n n 總之，三代半導體器件如同建築行業的鋼筋水泥一樣，遍布在這個電力電子產品充斥的社會的每一個角落。嚴格的講，不是互聯網改變了世界，而是半導體改變了世界近幾十年的發展。但是這個產業的是否如同互聯網一樣光鮮亮麗呢？提到半導體產業，多數人都會表示：比較沉重。n n

n n 國外的知名玩家n n n n

n n 最後還是要介紹一下這個行業的生態浮世繪，都誰在玩呢？傳統的功率器件國際上的巨頭是英飛凌。當中也不乏各種日本企業和美國企業，大家有興趣可以看看下面的圖，不過2015年開始的這個行業各種併購，這張圖已經完全不能夠適應當今時代的發展了。關於這個行業併購的內幕和重要事件，我會找時間從投行的專業角度再給大家介紹。n n

n n 但是三代半導體也是有自己的朋友圈的，由於國際巨頭對於硅器件市場的保護，這些大傢伙們往往採用的技術上緊鑼密鼓，產品上按兵不動的思路。誰也不想用自己的刀割自己的把啊！況且，由於他們對於化合物半導體材料的技術儲備也不處於多麼大的優勢，所以三代半導體行業還湧現出了一些，後起之秀。其中也不乏來自中國的企業。n n n n

n n 三代半導體的氮化鎵功率器件國際浮世繪是這樣的：n n

n n 三代半導體碳化硅的國際浮世繪沒有找到，我也就不費勁畫了，抱歉。三代半導體的射頻器件由於比較敏感，我也不敢在這裡多說了。但正如前面所說，由RFMD和超群合併而成的美國Qorvo等公司，正是當中的先行者。n n

n n 國產的缺失n n n n

n n 沉重的來源在於我們在第一代和第二代半導體產業中，始終是一個小學生，落後世界先進水平20年之多。雖然我們在努力趕上，但目前看來，也許我們可以成為這個行業的製造大國，卻很難成為這個行業的強國。動輒幾百億的投資，也讓整個行業喘不過氣來。n n

n n 三代半導體的出現，似乎給了我們一個可以在國際半導體領域實現彎道超車的機會，主要有以下幾個事實：n n

n n 1.三代半導體出現於改革開放初期，中國剛剛走向那新時代。我們唱著東方紅，改革開放富起來。中國的科研力量開始回復正常，所以我們並沒有像第一和第二代半導體一樣，由於某些大家熟知的原因，我們起個大早趕了個晚集。n n

n n 2.LED的發展使得中國具備了發展三代半導體，特別是氮化鎵的產業基礎。雖然LED和功率半導體隔著行，但是畢竟中國在這個領域裡取得了驕人的戰績。全球主要的製造設備，產業鏈配套、技術人員都雲集在中國。n n

n n 3.中國在微電子硅領域已經進行了二十多年的產業化進程，雖然我們在微電子方面離世界水平還有一段距離，但三代半功率器件恰恰是用的是微電子的6英寸、8英寸線的工藝。對於加工精度的要求在微電子領域是小兒科的技術。這為中國發展三代半導體產業提供了相對強大的產業能力。n n

n n 4.中國是世界上最大的器件市場，強大的市場拉動，使得全球任何一家第三代半導體產業公司都把中國列為重要的市場。也為中國企業發展這個產業創造了近水樓台的機會。n n

n n 最後談下與錢相關的吧，這個行業的市場規模估計有也就幾百億美元吧，如果打「一億漂十億」的小麻將估計一晚上都支持不下來。但是如果按照產業拉動來算的話，未來大約會形成5000-10000億美金的市場規模。簡而言之，就是天花板很高，大家都有飯吃。目前，投入這個行業里的資金也就是多說也就十億美金吧。投資規模還趕不上一個硅的12寸線。所以，這裡是一個充滿機會的藍海，但是風浪也很大，沒有有經驗的水手，光有錢是不行的。n n

n n 希望國內各位入局第三代半導體的廠商能夠幫助國產半導體衝出一片新天地。n n

n 今天是《半導體行業觀察》為您分享的第1279期內容，歡迎關注。

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