第三代半导体真的会火吗？
本文来自微信公众号：半导体行业观察（ID：icbank），作者：钟林，题图来自：pixabay
毋庸置疑，第三代半导体最近真的很火。相关股市板块逆势而上，据同花顺iFinD数据，26只第三代半导体概念股半个月的总市值就涨了100亿元以上，股价涨幅最高者超100%。
从投资来看，进入2020年以来，已有8家半导体企业共计预投资大约430多亿，第三代半导体项目在国内已处于火热阶段。
而真正的大火，来自于媒体消息，中国正在规划将大力支持发展第三代半导体产业写入“十四五”规划之中，计划在2021到2025年的五年之内，在教育、科研、开发、融资、应用等等各个方面，大力支持发展第三代半导体产业，以期实现产业独立自主，甚至弯道超车。
政策，是最大的商机。在政策的支持下，第三代半导体真的会持续会火起来吗？不过，从产业的角度来看，中国第三代半导体真正要火起来并不容易，面临四大问题。
第一大问题：技术差距明显
早在1987年，科锐公司（Cree）成立，专门从事SiC半导体的研究。最初，针对禁带半导体的研究与开发主要是为了满足军事国防方面的需求。随后，美国国防部和能源部先后启动了"宽禁带半导体技术计划"和"氮化物电子下一代技术计划"，积极推动SiC（碳化硅）和GaN（氮化镓）宽禁带半导体技术的发展。紧跟美国之后，欧洲和日本也相继开展了相关研究，经过多年发展，在宽禁带半导体材料、器件及系统的研究上取得了丰硕的成果，实现了在军事国防领域的广泛应用。
随着在军事领域的应用逐步成熟，第三代半导体应用开始逐步拓展到民用领域，近年来，大量的以新技术为基础的新产品、新应用正在迅速普及，所带来的电力电子设备的能源消耗量也快速增长。半导体在节能领域中应用最多就是功率器件，宽禁带半导体的带隙明显大于硅半导体，从而可有效减小电子跨越的鸿沟，减少能源损耗。但真正让第三代半导体应用得到极大关注的还是特斯拉采用碳化硅功率器件，把这个产业向前快速推进。
明星企业的影响力是市场最大的推手，正如小米科技雷军发布GaN手机充电器，在国内把GaN推向了高潮。
第三代半导体的生产步骤包括单晶生长、外延层生长以及器件/芯片制造，分别对应衬底、外延和器件/芯片。总体来说，第三代半导体产业目前主要处于国外企业垄断的局面。
衬底方面：
1. 碳化硅：目前国际企业正在从 4 英寸衬底向 6 英寸过渡，在研的有 8 英寸硅基衬底，而国内仍然以 4 英寸为主。国外核心企业有美国Cree、 DowCorning、德国 SiCrystal、美国 II-VI、日本昭和电工等，他们占据主要产能。Cree占据40%市场，其次是美国 II-VI，日本昭和电工，三者合计占据75%以上的市场。国内则以天科合达、山东天岳、同光晶体等公司为主，他们主要供应 3 ~ 4 英寸的单晶衬底。
2. 氮化镓：全球目前商用化合物晶圆尺寸最大为6英寸，比如台湾稳懋等国际主流厂家都采用6吋工艺，其中GaAs衬底主流尺寸为6英寸，8英寸在开发中；GaN衬底以4/6英寸为主。这个市场的主导者是日本住友电工，市场占有率约90%。国内厂家主要是2~4英寸。
外延方面：
1. 碳化硅：外延片企业主要以美国的Cree、 DowCorning、II-VI、日本的罗姆、三菱电机，德国的Infineon 等为主。美国公司就占据全球70~80%的份额。国内瀚天天成、东莞天域已能提供4英寸的碳化硅外延片。
2. 氮化镓：外延片目前主要是日本的NTT-AT、法国Soitec Belgium（前比利时 EpiGaN） 、英国的IQE 、台湾嘉晶电子等在供应。2012年3月成立的苏州晶湛半导体，国内最早最大的氮化镓外延片提供商，但市占率依旧很低。
器件/芯片方面：
1. 碳化硅：国际上600~1700V SiC SBD、MOSFET 已经实现产业化，主流产品耐压水平在1200V以下，主流企业为Infineon、Cree、罗姆、意法半导体等。国内则主要有泰科天润、深圳基本半导体、中电科55所、上海瞻芯电子等，相比国外还属于起步阶段。
2. 氮化镓：分为射频器件和电力电子器件。设计公司主要有美国的EPC、MACOM、Transphom、Navitas，德国的Dialog等公司，国内有被中资收购的安谱隆（Ampleon）等。IDM企业则包括住友电工和Cree，他们的市场占有率均超过30%，其他还有 Qorvo 和 MACOM。国内IDM企业苏州能讯、英诺赛科、江苏能华等加起来市场占有率不超过5%。
晶圆代工的企业有美国环宇通讯半导体（GCS）、稳懋半导体、日本富士通、Cree、台湾嘉晶电子、台积电、欧洲联合微波半导体公司（UMS）等为主导，中国大陆的三安集成和海威华芯也已经批量出货。
我国第三代半导体起步晚，2013年的“863计划”第一次明确将第三代半导体材料及其应用列为重要内容。与国外相比，国内第三代半导体技术差距明显，稳定性和可靠性是短板。
第二大问题：市场应用有限
很多文章介绍第三代半导体氮化镓和碳化硅，都是从第一代硅，第二代砷化镓开始介绍。给人的感觉，一代总比一代强。
全球半导体年产值近5000亿美金，90%以上来自第一代半导体。根据Omdia的《2020年SiC和GaN功率半导体报告》，到2020年底，全球SiC和GaN功率半导体的销售收入预计将从2018年的5.71亿美元增至8.54亿美元。未来十年的年均两位数增长率，到2029年将超过50亿美元。根据Yole预测，到2024年SiC功率半导体市场规模将增长至20亿美元，其中，汽车市场占SiC功率半导体市场比重到2024年预计将达50%。
从上面的数据可以看出，在第一代半导体面前，第三代半导体的产值非常的小。国外发展第三代半导体不是因为生意有多么的大，是因为国防和科技信息技术的发展需要用到第三代半导体。同时，这是一个增量市场，也是企业可以寻求的增长空间。
从增量来源来看，5G、光伏智能电网、新能源汽车等是主要的增量来源。根据第3代半导体的发展情况，其主要应用为半导体照明、电力电子器件、激光器和探测器、以及其他领域，每个领域产业成熟度各不相同。
1. 半导体照明
在4个应用领域中，半导体照明行业发展最为迅速，已形成百亿美元的成熟产业规模。蓝宝石基GaN是最常用的，也是最为成熟的材料体系，大部分LED照明都是通过这种材料体系制造的。SiC基GaN制造成本较高，但由于散热较好，非常适合制造低能耗、大功率照明器件。
2. 电力电子器件
在电力电子领域，目前市场规模仅为几亿美元。其应用主要集中在军事尖端装备领域，正逐步向民用领域拓展。微波器件方面，GaN高频大功率微波器件已开始用于军用雷达、智能武器和通信系统等方面。
3. 激光器和探测器
GaN激光器可以覆盖到很宽的频谱范围，实现蓝、绿、紫外激光器和紫外探测的制造。紫色激光器可用于制造大容量光盘，其数据存储盘空间比蓝光光盘高出20倍。除此之外，紫色激光器还可用于医疗消毒、荧光激励光源等应用，总计市场容量为10亿美元。
4. 其他应用在前沿研究领域
第三代半导体可用于太阳能电池、生物传感器、水制氢媒介、及其他一些新兴应用。
在国内，得到高度关注的第三代半导体应用有：氮化镓充电器电源IC、氮化镓基站PA、氮化镓5G手机PA、氮化镓IGBT、碳化硅SBD、碳化硅MOSFET。
第三大问题：成本是最大瓶颈
第三代半导体要扩大应用市场，成本是最大瓶颈。
从增量市场来看，5G、光伏智能电网、新能源汽车这些主要市场对半导体技术要求很高，属于前沿技术。中国第三代半导体从材料，到设计，再到晶圆制造都是起步阶段。除了国内个别企业有成熟的第三代半导体设计能力，产品可以批量出货，其他还是小批量阶段。国内第三代半导体要主导5G、光伏智能电网、新能源汽车这三大领域，还需要很长时间去沉淀和成长。如果一定要加个具体时间，那也是5年以后的事情。
前沿新市场的需求并不大，几十亿美金的市场相对于整个全球半导体来讲还不到百分之一。国内企业把机会瞄准传统消费类电子应用，比如：充电器电源芯片、肖特基二极管、MOSFET。也有国内企业投入研发5G基站GaN PA，这是一块20亿美金的潜力市场。接下来分析第三代半导体的成本瓶颈。
以碳化硅来说，技术难度在于3点：
1. 在长晶的源头晶种纯度要求相当高。
2. 长晶的时间相当长，碳化硅晶棒约需要7天。一般硅材料长晶平均约3~4天即可长成一根晶棒。
3. 长一根碳化硅的长晶棒只能长出2公分，量产的成本高很多。而一般的硅晶棒约有200公分的长度。
据说，第三代半导体材料，这样一片厚度只有0.5毫米的“碳化硅”6英寸晶片，市场售价高达2000美金。而12吋硅晶圆的平均单价在108～112美元价位，再加上制造成本和良率，第三代半导体比第一代半导体硅晶成本要贵很多倍。
氮化镓也是如此，氮化镓在传统消费电子领域要取代砷化镓和硅晶，成本是最大的挑战。
新兴市场，半导体不看价格，但没有量，技术要求高。工业电子市场，尤其是汽车电子市场，半导体单价高，需求量不大，但对技术和品质的要求很高，国内的半导体企业在时间上和技术难度上能不能扛得住是个很大的问题，短平快的投资环境，不会给企业那么多时间，没有时间，技术如何积累？其实，最适合国内半导体企业的是传统消费类电子行业。
充电器电源芯片、肖特基二极管、MOSFET才是国内第三代半导体企业最适合的领域。要用第三代半导体来研发生产这些产品，从而取代硅基，成本是最大瓶颈。
第四大问题：产业人才短缺
第三代半导体最大的瓶颈是成本，中国半导体最大的瓶颈是人才。钱能解决很多问题，但不能解决眼下半导体产业人才短缺的问题，中国第三代半导体产业人才短缺更为明显。
在中国的大地上，芯片依旧很火，各行各业都来做芯片。抢人，成为时下最大的风景。《中芯国际为什么留不住人才》一度成为热搜，甚至把所有的责备指向中芯国际。全国各地大建晶圆厂，产业人才哪里找？当然是龙头企业中芯国际。不是薪水低留不住人才，而是无论你薪水多高，人家都会更高薪水挖你人才。因为钱不是自己挣出来的，是投资者和政策支持的。
中国大陆企业做第三代半导体也就几年时间，最初的人才来自海外。产业的发展需要大量人才，前期的人才培养远远跟不上产业的发展和扩张。从衬底材料到外延，再到晶圆制造，哪个环节都缺少人才。氮化镓和碳化硅工艺的半导体设计公司也是最近几年才开始，之前也没有这方面的设计研发人才。第三代半导体也是化合物半导体，不能完全依靠EDA软件，很大程度取决于经验和对工艺的熟悉及理解。化合物半导体产业人才的培养时间比第一代半导体人才的培养时间更长，没有个3~5年根本就成长不起来。
一家半导体工厂的负责人跟笔者讲，当地产业基金鼓励企业做第三代半导体，在资金和政策上给予支持，最大的问题是不知道从哪里找人，找一个人没用，得找一个团队。就算找到了，可能也只有一点点经验，需要边做边学，要花很长的时间去积累。这一点，很有感触。例如，三伍微基于第二代半导体砷化镓工艺做射频前端芯片设计，同属于化合物半导体。有一次，我问公司一个做了5年基于砷化镓工艺设计WIFI FEM的研发，“公司怎么帮助你，才能成为国内WIFI FEM领域最顶级的人才？” 他延迟了几秒钟回答我：时间。
在设计的过程中，研发会摸索出了一些经验和思路，但需要时间去试验和总结。化合物半导体对经验很依赖，技术的解决和突破必须基于两点：时间累积和Know-how。
厂房可以一两年建好，机器设备可以一两年引进安装好，但产业人才不是一两年可以培养起来的。没有产业人才，短期内第三代半导体在国内遍地开花火起来是不可能的。
结语
正如爱默生所说：“对于一心向着目标前进的人，全世界都会为他让路”。但前提是，对产业的理解必须正确。在文章的结尾，引用下面网上的一个观点做个讨论。
为什么说第三代半导体是中国大陆半导体的希望？
第一，第三代半导体相比较第一代第二代半导体处于发展初期，国内和国际巨头基本处于同一起跑线——以为是同一起跑线，实际上不是，落后5~10年。（笔者观点）
第二，中国有第三代半导体的应用市场，可以根据市场定义产品，而不是像之前跟着国际巨头做国产化替代——产品仍是国外先做出来，先在市场推广，国内企业跟在后面做国产化替代。（笔者观点）
第三，第三代半导体难点不在设备、不在逻辑电路设计，而在于工艺，工艺开发具有偶然性，相比较逻辑芯片难度降低。——难度并没有降低，成熟稳定的第三代半导体工艺开发比第一代硅更难了。（笔者观点）
第四，对设备要求相对较低，投资额小，国内可以有很多玩家。在资本的推动下，可以全国遍地开花，最终走出来几家第三代半导体公司的概率很大。——没有产业人才，如何遍地开花？（笔者观点）
因为相信，才能看见。相信中国大陆一定能把第三代半导体做起来，即使如此，也只是解决了小部分问题，绝大部分问题仍然是第一代半导体决定的。
本文来自微信公众号：半导体行业观察（ID：icbank），作者：钟林
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