第三代半导体材料的“心里话”

第三代半导体材料及应用产业（简称：三代半）成为近年国内产业界的热点，专家和市场分析师推波助澜，使它在投资界和金融市场人气爆棚，三代半似乎成了我们摆脱集成电路（芯片）被动局面，实现芯片技术追赶和超车的良机。弯道超车、换道超车、把前辈全面取代、将开启芯片新时代等词语在网文中频频出现，让人热血沸腾。各地三代半项目落地、政策出台、基地规划也层出不穷。专家认为已有低端项目重复，市场泡沫膨胀的迹象。三代半材料性能优异、未来应用广泛不假，但站在半导体和芯片大家庭的全局看，它是只是王的一部分疆土，我们要补上芯片短板，需要各疆域的科技和产业界人士不懈努力。

 

本文以虚幻的形式，请来第三代半导体材料这个三弟“说说”他的心里“话”。

 

我叫第三代半导体产业材料，用我可以制造高性能的电子器件和芯片，并广泛应用在许多重要领域，相关产业称之为第三代半导体材料产业，也可简称为第三代半导体产业，更甚者可简称为三代半（不是3.5代，别想歪了！）。下文我自称为三弟，因为我们家族还有二个哥哥。

 

实话告诉您，第三代半导体这种叫法在国内外学术界少有采用，严谨一点叫做宽禁带半导体。国内投资界和金融市场的分析师喜欢叫第三代半导体，三弟的想法是，这样可能更容易使股民产生像3G、4G、5G通信一样更新换代的联想，让投资者对投资前途充满想象空间和赚钱希望，呵呵！忽悠，继续忽悠！

 

一、首先我对我们三兄弟做个介绍吧

我大哥大约出生和实用于20世纪50年代，他叫第一代半导体材料，主要是指锗（Ge）和硅（Si）半导体材料，主要用于分立器件和芯片制造，在信息技术、航空航天、国防军工、硅光伏等领域应用极其广泛。当时，为了改善晶体管特性，提高其稳定性，半导体材料的制备技术得到了迅速发展。50年代Ge在半导体中占主导地位，直到60年代后期，它逐渐被Si基器件所取代。Si材料自然界蕴藏量大，大尺寸晶圆制备技术、芯片制造工艺成熟。使Si基芯片产业沿着摩尔定律快速发展，产业规模巨大。

 

 

图1. 硅(Si)材料制作的大规模逻辑芯片

 

我二哥大约出生并实用于20世纪80年代，他叫第二代半导体材料，主要是指化合物半导体材料，如砷化镓（GaAS）、锑化铟（InSb）。小众的材料还有三元化合物半导体材料，如GaASAl、DaAsP；固溶体半导体材料，如Ge-Si、GaAs-GaP等。在我被发现和利用之前，二哥也是因为相较于Si材料具有禁带宽度大、载流子浓度低、光电特性好、以及有耐热、抗辐射性能好等特性，主要用于制作高速、高频、大功率以及发光电子器件，也是制作高性能微波、毫米波器件的优良材料，广泛应用在微波通信、光通信、卫星通信、光电器件、激光器和卫星导航等领域。但是GaAS、InSb材料资源稀缺，深能级缺陷、大尺寸晶圆制备难、价格贵，并且还有毒性，污染环境，这些缺点使二哥的应用受到一定局限。

 

 

图2. 砷化镓(GaAS)材料制作的电子器件和芯片

 

三弟我大约出生并实用于本世纪初年，我是第三代半导体材料，主要是以碳化硅（SiC）、氮化镓（GaN）、氧化锌（ZnO）、氧化镓（GaO）、氮化铝（AlN）、金刚石为代表的具有宽禁带（Eg＞2.3eV）特性的半导体材料，因此也被成为宽禁带半导体材料。经历了二十年的培育期后，才广泛用于制作高温、高频、大功率和抗辐射电子器件，应用于半导体照明、5G通信、卫星通信、光通信、电力电子、航空航天等领域。三弟已被认为是当今电子产业发展的新动力。

 

 

图3. 氮化镓(GaN)、碳化硅(SiC)材料制作的电子器件和芯片

 

大哥虽然出生早，几乎和国外洋娃娃同年代、同水平，新中国半导体产业布局和起步也很不错。但由于众所周知的十年动乱耽误，大哥和二哥后来都经历了开放以来最艰难的岁月——受国外高性能芯片的冲击。国内自己做芯片既辛苦，性能也不好，还死贵死贵。有价廉物美的芯片可买，人们为什么不用呢？所以，最后造成大量材料、设备和芯片相关的研究所和工厂转行或者关闭，人才流失严重，国外对中国芯片业的冲击可想而知。现在中国芯片业遭受美国“卡脖子”，有些人发问“为什么以前第一代、第二代没有搞好”？国外冲击和“有用即安”的现实就是答案。中国用庞大的市场培养了国外芯片技术的进步和成长，自己则远远落后了。

 

但是塞翁失马，焉知非福，也有人认为：改革开放以来，中国大量采用国外芯片和先进技术，短时间内大幅提升了科技水平和综合国力，培育了广阔的信息消费市场，使移动互联网、电子商务、移动支付等走在世界前列。如果闭关自守，这个进程可能要晚很多年，而且不会领先于西方（来源：浅黑科技qianheikeji的博文）。这样想来，三弟也觉得挺有道理，心情就释然了。这可稍稍安慰一下因大哥二哥落后于国外，三弟我忐忑不安的小心脏！

 

当年也有人预计二哥前途无量，大有取代大哥而独霸芯片界的潜能，但后来这种事情没有发生。后来，他的疆土到是有些被我慢慢蚕食（有点对不住……）。

 

 

 

图4. 三代半导体材料性能和应用领域对比（来源：中国知网CNKI）

 

二、三“代”不是三世同堂，我们是好兄弟一家人 

 

我们三兄弟的名字很长，特别是有一代、二代、三代之称谓，所以，人们以为我们是三代世家，我是孙子辈，第一代是爷爷，呸呸呸！我才不想当孙子。其实，大家看看我后边的“话”，就会明白这里的“代”没有下一代替换上一代的意思，因为性能不同，大家可以差异化发展。我们是好兄弟一家亲，不像移动通信1G、2G、3G、4G、5G五代家族那样，代代竞争改朝换代，总是后浪把前浪拍死在沙滩上。我们三兄弟因性能和性格不同，在各自领域享受着自己海风徐徐吹、阳光暖暖照的那一片蓝海。

 

如果把我们家族三兄弟发展看做是三赛道行车，其实三人是各行其道，只是起点不同。我们没有与国外洋娃娃弯道超车一说，更没有换道超车一说。事实上，你跑人家也跑，重要的是看谁资金投入更大，爆发力更强。没有这两个条件，单凭聪明和机巧，遇到弯道就想超车，说起了容易做起来难！

 

 

图5. 三代半导体材料各行其道，差异化发展

 

图5表示，老二未出生之前，大哥独挡一面，当时人们把大而易坏的电子管换掉时，觉得锗(Ge)和硅(Si)材料太好了，在所有应用领域都想尝试着使用他，所以大约在上世纪80年代之前，三条赛道上都有大哥的身影。只有在二哥诞生之后，二哥的优越性能更适合应用在高频、高速和低功耗微波器件和电路中。因此，在这些应用领域中，大哥被挤了出去。

 

相同的事情也在上世纪80年代到本世纪初上演，在特高压、特高频和特高温和抗辐射要求很高的应用中，我挤出了去了二哥。但在要求不太高的应用领域，经济性是第一考虑要素，这部分应用领域自然还由二哥占据。

 

所以，从2018年的时点上来看，我们三兄弟形成的产业销售额分别约为3500亿元、238亿元和64亿元。三弟我还是个小弟弟。我得意自己是块好钢，要用在刀刃上！例如在5G基站、相控阵雷大、电动汽车、高铁、智慧能源网、物联网、航天器等，都要用到基于我研制的高性能电子器件和芯片。

 

三、三兄弟都走在自己的大路上 

关于大哥目前情况，全球95%以上的半导体芯片和器件是用硅(Si)片作为基础功能材料而生产的。硅片占整个半导体材料市场的35%左右，市场空间约为80亿美元（来源：半导体行业观察ID：icbank），硅基芯片市场规模高达4000多亿美元。大哥的步子似乎变慢了，因为快走到了摩尔定律（Moore's Law）的尽头。但吉人自有天相，没准有一天人类又会发明类似FinFET的技术，可以拯救使他沿着摩尔定律继续向前发展。

 

二哥砷化镓(GaAS)制造厂商市场份额较大的五家公司分别是Skyworks、Triquint、RFMD、Avago、穏懋，约占全球总额的65%。而在GaAS原材料领域，IQE、全新、Kopin三家公司占据市场67.3%的份额。2012-2018年，中国GaAS元件市场经历了快速增长期。2018年，中国GaAS元件市场规模达到238.36亿元，同比增长3.72%。（来源：前瞻产业研究院）。 

 

三弟我更适合制作高压、高温、高频、高抗辐射及大功率器件，在新能源汽车、新能源发电、轨道交通、航天航空、国防军工等极端环境应用有着不可替代的优势（洋洋得意……）。我也有缺点， 碳化硅(SiC)晶体生长难度很大，虽然经过了数十年的研究发展，到目前为止仍只有美国的Cree公司、德国的SiCrystal公司和日本的新日铁公司等少数几家公司掌握了SiC的生长技术，能够生产出较好的产品，但离真正的大规模产业化应用也还有距离。中国三代半产业特点是市场需求大，应用走在前面，产业制约瓶颈是原材料。材料质量、制备亟待破解，设备依赖进口局面急需打破。

 

2019年是5G的元年，氮化镓(GaN)是实现5G的关键材料，在射频器件领域GaN占比超过30%，GaN市场规模约5.6亿美元。未来10年全球GaN市场将有望超过30亿美元。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，占了全球产量的70%～80%。2019年全球SiC市场规模约5.4亿美元。（来源：中国电子报、电子信息产业网）。国内SiC、GaN电力电子产业产值26亿元，5G商用与军工应用的带动，GaN微波射频产业产值38亿元（来源：第三代半导体产业发展报告(2019年)）。

 

四、小结

虽然三弟我的势头正劲，有人认为我可以取代前面的大哥和二哥，独霸芯片王国，我认为在相当长的时间都是行不通的。大哥的优势是低压、微功耗、超大规模的逻辑芯片，例如CPU、GPU、AI、Memory、FPGA等。硅元素储量大，硅晶圆制备容易，这是他无可比拟的优势。他的市场规模达到4000多亿美元量级，我是望尘莫及呀。二哥的地盘，我可能会慢慢挤占一步分，不过他的产业基础营造了好多年，体量也比我大，如果没有价格优势，人们会说爱你不容易，(爱情)不是说换就能换。三弟我的优势是高压、高频、高温、高抗辐射，但材料相对较贵，主要用于研制高性能的器件，好钢要用在刀刃上（得意……）。所以，我们三兄弟应该错位发展，团结一致向前看，甩开袖子加油干，共同迎接中国芯片产业大发展的春天。

 

今天向各位看官说了我们家族“芯”事，希望能帮助大家对第三代半导体、集成电路（芯片）有个全面的了解。说的不对的地方，敬请请批评指正。

 

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