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什么是第三代半导体?
发布时间:2018-12-28
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  半导体第三代一般指禁带宽度大于2.2eV的半导体材料,也称为宽禁带半导体材料。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为代表;第二代半导体材料砷化镓也已经广泛应用;而以氮化镓和碳化硅、氧化锌、氧化铝、金刚石等宽禁带为代表的第三代半导体材料,相较前两代产品性能优势显著。
  
  如果你依然对第三代半导体材料感到陌生,可以抬头看看家中无处不在的LED(发光二极管)灯。氮化镓基蓝光LED的发明使高效白光LED照明得以实现,引起了人类照明光源的又一次革命。
  
  当然,氮化镓基蓝光LED仅仅只是一个开端,第三代半导体实际上拥有着更大、更广阔的市场发展空间。
  
  由于第三代半导体具有高击穿电场、高饱和电子速度、高热导率、高电子密度、高迁移率等特点,因此在短波发光、激光、探测等光电子器件和高温、高压、高频大功率的电子电力器件领域拥有广阔应用前景。
  
  第三代半导体具体的应用场景不胜枚举,其中在节能电力电子领域,有半导体照明、智能电网、高速列车等;在信息工程领域,有可见光通讯、海量光存储、高速计算等;在国防建设领域,有紫外探测器、微波器件等;在民用商业应用领域,有无线基础设施(基站)、卫星通信、有线电视和功率电子等;此外还包括新能源汽车、消费类电子等领域。
  
  正是凭借着性能的优势和广阔的应用场景,第三代半导体也被业内誉为固态光源、电力电子、微波射频器件的“核芯”以及光电子和微电子等产业的“新发动机”。
  
  目前全球各国均在加大马力布局第三代半导体领域。2017年,美国、德国、英国、欧盟等国家和组织启动了至少12个研发计划和项目,“官产学研”多方联合研发是重要组织方式之一。
  
  与发达国家相比,中国发展第三代半导体产业的起步较慢,但是随着政策引导效应逐步显现,中国第三代半导体产业正迎来高速发展。值得一提的是,2017年中国第三代半导体产业取得了实质性的发展,据CASA初步统计,2017年中国第三代半导体整体产值约为6578亿(包括照明),较2016年同比增长25.83%。
  
  虽然第三代半导体材料众多,但是从目前第三代半导体材料和器件的研究来看,较为成熟、且最具有发展前景的主要是氮化镓(GaN)和碳化硅(SiC)半导体材料这两种材料。
  
  从目前来看,国内在半导体照明领域的发展具有明显优势。例如全球LED芯片龙头三安光电是凭借在LED芯片领域技术和设备的积累,正式进军化合物半导体芯片,其中第三代半导体材料的研发如氮化镓正是其豪掷330亿左右投资的七大核心项目之一。除三安光电外,国内的扬杰科技、国民技术、海特高新等多家上市公司均开始布局第三代半导体业务。
  
  与此同时,国内部署的多条第三代半导体相关产线相继启用或投产。在SiC领域,中车时代电气6英寸碳化硅(SiC)产业化基地技术调试圆满完成;全球能源互联网研究院6英寸SiC中试线进入安装调试阶段;世纪金光SiC和GaN生产线开始安装;中电科55所6寸SiC中试线投入运行。在GaN领域,江苏能华和英诺赛科的8英寸Si基GaN生产线相继开始启用;三安集成、海威华芯、天津中环、江苏华功、大连芯冠、聚力成半导体等均在有序推进中。
  
  产业发展任重而道远
  
  中国电子信息产业发展研究院、集成电路所超摩尔研究室主任朱邵歆博士认为,目前国内第三代半导体产业发展主要面临着以下三大困难和挑战:
  
  一是国际技术封锁。2018年8月1日,美国商务部公布新增的44家中国出口管制企业名单,限制美国的技术向其出口和转移。其中名单中的中电科13所和55所是国内技术领先的化合物半导体研究机构;
  
  二是市场推进困难。在国际政治环境允许的情况下,国内的整机应用企业会优先采购全球领先的化合物半导体供应商的产品,以保持整机产品在全球市场的竞争力。国内的化合物半导体企业面临着在行业市场和消费市场两面碰壁的困难;
  
  三是项目投资盲目。起步晚、实力弱的城市在集成电路产业缺乏专业认识和发展经验,招商引资时信息严重不对称,对化合物半导体的市场定位和发展前景的判断不够准确。尤其是近年来,境外的所谓“科技人才”打着化合物半导体“全面替代硅”的旗号,组建“临时拼凑”的技术团队,怀揣“空手套白狼”的侥幸心理,“游走”国内多个城市,“忽悠”地方政府。
  
  对于行业未来的发展方向,朱少珍博士也对自己提出了一些看法。首先,就市场定位而言,从目前中国工业的发展阶段来看,复合半导体在地下室和汽车行业有更大的市场突破机会。一方面,这些市场是新兴的应用市场,市场结构尚未巩固,这对中国企业来说是一个发展机遇。另一方面,国内研究机构在该市场使用的GaN和SiC器件领域有一定的技术积累,与龙头企业的技术差距相对较小。
  
  此外,在工业模型中,朱少君博士建议努力培养具有市场竞争力的IDM公司。对于5G通信基站、新能源汽车和工业电源等行业,建议培育IDM在GaN和SiC领域的龙头企业。在智能手机等消费市场,建议推动国内设计公司和制造企业深入合作,探索虚拟IDM的发展模式。