由于傳統(tǒng)半導體制程工藝已近物理極限,，技術(shù)研發(fā)費用劇增,，制造節(jié)點的更新難度越來越大,，“摩爾定律”演進開始放緩,，半導體業(yè)界紛紛在新型材料和器件上尋求突破。以新原理,、新材料,、新結(jié)構(gòu)、新工藝為特征的“超越摩爾定律”為產(chǎn)業(yè)發(fā)展帶來新機遇,。第三代半導體是“超越摩爾定律”的重要發(fā)展內(nèi)容,。與Si材料相比，第三代半導體材料擁有高頻,、高功率,、抗高溫、抗高輻射,、光電性能優(yōu)異等特點,，特別適合于制造微波射頻器件、光電子器件,、電力電子器件,，是未來半導體產(chǎn)業(yè)發(fā)展的重要方向。
第三代半導體在新基建中廣泛應用
以第三代半導體為基礎(chǔ)制備的電子器件,，是支撐新基建中5G基建、新能源汽車充電樁,、特高壓及軌道交通四大領(lǐng)域的關(guān)鍵核心,。
世界多國均在積極發(fā)展建設5G。然而，5G網(wǎng)絡建設,、5G智能手機使用,、5G基站建設等方面還處于初步建設階段，存在較大的發(fā)展空間,。賽迪顧問統(tǒng)計,，截至2020年3月底，全球123個國家的381個運營商宣布過它們正在投資建設5G,；40個國家的70個運營商提供了一項或多項符合3GPP標準的5G服務,；63個運營商發(fā)布了符合3GPP標準的5G移動服務；34個運營商發(fā)布了符合3GPP標準的5G固定無線接入或家用寬帶服務,。賽迪顧問統(tǒng)計,，截至2020年2月初，中國已開通了15.6萬個5G基站,，計劃在2020年實現(xiàn)55萬個5G基站的建設目標,。截至2019年底，韓國計劃在其85個城市建設23萬個5G基站,；美國計劃建設60萬個5G基站,；德國計劃建設4萬個以上5G基站。GaN材料具有禁帶寬度大,、擊穿電場高,、飽和電子速率大、熱導率高,、化學性質(zhì)穩(wěn)定和抗輻射能力強等優(yōu)點,，成為耐高溫、高頻,、大功率微波器件的首選材料之一,。在通信基站應用領(lǐng)域，GaN是未來最具增長潛質(zhì)的第三代半導體材料之一,。與GaAs和InP等高頻工藝相比,，GaN器件輸出的功率更大；與LDCMOS和SiC等功率工藝相比,，GaN的頻率特性更好,，GaN射頻器件已成為5G時代較大基站功率放大器的候選技術(shù)。
為滿足新能源汽車產(chǎn)業(yè)的發(fā)展需要,，自2011年起,，新能源汽車充電樁就一直處在快速建設的階段。新能源汽車充電樁以公共充電樁為主,，目前數(shù)量最多的經(jīng)濟體分別是中國,、歐盟和美國,。截至2019年底，美國和歐盟分別約有7.5萬個和16.9萬個公共充電樁,。我國《電動汽車充電基礎(chǔ)設施發(fā)展指南（2015—2020年）》規(guī)劃,，到2020年我國分散式充電樁的目標是超過480萬個，以滿足全國500萬輛電動汽車充電需求,，車樁比近1∶1,。充電模塊是充電樁的核心部件，其成本占設備總成本的50%,。充電模塊可將電網(wǎng)中的交流電轉(zhuǎn)換為可充電的直流電,。此外，充電模塊不僅能夠提供能源電力,，還可以對電路進行控制,、轉(zhuǎn)換，保證供電電路的穩(wěn)定性,。隨著我國新能源汽車市場的不斷擴大,，充電樁市場發(fā)展前景也越來越廣闊。SiC功率器件可以實現(xiàn)比Si基功率器件更高的開關(guān)頻率,，具備高功率密度,、超小體積的特性。在體積小同時還能支持快速充電的要求下,，幾臺車一起快速充電需要達到幾百千瓦的功率,，一個電動汽車充電站更是要達到百萬瓦的功率，相當于一個小區(qū)用電的功率規(guī)模,。傳統(tǒng)的Si基功率器件體積較大,，但SiC模塊則可以實現(xiàn)以很小的體積滿足功率上的“嚴苛”要求。因此SiC功率器件在充電模塊中的滲透率不斷增大,。
中國由于國土面積較大,、電力需求較強，因此中國積極發(fā)展特高壓建設,，且逐漸出口全球,。相較于傳統(tǒng)高壓輸電，特高壓輸電技術(shù)的輸電容量將提升2倍以上,，可將電力送達超過2500千米的輸送距離,，輸電損耗可降低約60%，單位容量造價降低約28%,，單位線路走廊寬度輸送容量增加30%,。由于功率半導體是電力電子的核心器件，因此作為功率半導體材料的SiC在直流特高壓供應鏈中也有很多應用機會,。SiC器件可以顯著簡化固態(tài)變壓器的電路結(jié)構(gòu),，減小散熱器空間,，并通過提升開關(guān)頻率來提高單位功率密度,。SiC器件可以替代LCC中使用的Si基晶閘管,，SiCMOS可以替代VSC中使用的IGBT。目前,，SiC器件已在中低壓配電網(wǎng)啟動應用,。未來，更高電壓,、更大容量,、更低損耗的柔性輸變電也將對萬伏級以上的SiC功率器件有大量需求。
牽引變流器作為機車大功率交流傳動系統(tǒng)的核心裝置,，為牽引系統(tǒng)提供動力,，具有負載特性特殊、運行環(huán)境復雜和負載變化大等特點,。由于全球城際高速鐵路和城市軌道交通處于持續(xù)擴張的發(fā)展階段,，推動了軌道交通的綠色、智能化發(fā)展,，也對牽引變流器及牽引電機的小型化,、輕量化提出更高要求。將SiC器件應用于軌道交通牽引變流器,，能極大程度地發(fā)揮SiC器件耐高溫,、高頻和低損耗的特點，提高牽引變流裝置的效率,，有利于推動牽引變流器裝置的小型化和輕量化發(fā)展,，有助于減輕軌道交通的載重系統(tǒng)。
2022年襯底及器件市場規(guī)模將達到15.21億元及608.21億元
在5G,、新能源汽車,、綠色照明、快充等新興領(lǐng)域蓬勃發(fā)展及國家政策大力扶持的驅(qū)動下,，2019年,，我國第三代半導體襯底材料市場繼續(xù)保持高速增長，市場規(guī)模達到7.86億元,，同比增長31.7%,。預計未來三年中國第三代半導體襯底材料市場規(guī)模仍將保持20%以上的平均增長速度。2019年,，我國第三代半導體器件市場規(guī)模達到86.29億元,，增長率達到99.7%。至2022年,，第三代半導體器件市場規(guī)模將達到608.21億元,，增長率達到78.4%,。
未來三年，SiC材料將成為IGBT和MOSFET等大功率高頻功率半導體器件的基礎(chǔ)材料,，被廣泛用于交流電機,、變頻器、照明電路,、牽引傳動領(lǐng)域,。預計到2022年SiC襯底市場規(guī)模將達到9.54億元。未來隨著5G商用的擴大,，現(xiàn)行廠商將進一步由原先的4G設備更新至5G,。5G基地臺的布建密度更甚4G，而基地臺內(nèi)部使用的材料為GaN材料,，預計到2022年GaN襯底市場規(guī)模將達到5.67億元,。
GaN以及SiC器件由于技術(shù)還不成熟，成本較高,，分別只占據(jù)了8.7%和4.5%的功率半導體市場份額,。按照行業(yè)標準，SiC,、GaN電力電子器件價格只有下降到Si產(chǎn)品價格的1/2到1/3倍,，才能被市場廣泛接受，下游市場滲透率才能大幅提升,。隨著工藝水平的逐步成熟以及產(chǎn)線良率的不斷提升,，第三代半導體器件后續(xù)仍有較大降價空間，未來GaN射頻器件市場份額將持續(xù)增大,。
目前,，我國對于第三代半導體材料的投資熱情勢頭不減。賽迪顧問整理統(tǒng)計,，2019年共17個增產(chǎn)（含新建和擴產(chǎn)）項目（2018年6個）,，已披露的投資擴產(chǎn)金額達到265.8億元（不含光電），較2018年同比增長60%,。其中2019年SiC領(lǐng)域投資事件14起,，涉及金額220.8億元。GaN領(lǐng)域投資事件3起,，涉及金額45億元,。在新基建的引領(lǐng)下，第三代半導體產(chǎn)業(yè)將成為未來半導體產(chǎn)業(yè)發(fā)展的重要引擎,。
國內(nèi)半導體企業(yè)應當把握“新基建”帶來的新機遇,。我國第三代半導體處于成長期，仍需要大規(guī)模資金投入,、政策扶持,，加大GaN,、SiC的大尺寸單晶襯底的研發(fā)。此外,，大尺寸單晶襯底的量產(chǎn)有助于降低器件成本,、提高化合物半導體市場滲透率。各地政府為了推動我國第三代半導體材料產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展,，成立了一批創(chuàng)新中心,，以應用為牽引，以產(chǎn)業(yè)化需求為導向,，加大科技創(chuàng)新，加強科技成果轉(zhuǎn)化,，抓住產(chǎn)業(yè)技術(shù)核心環(huán)節(jié),、推動產(chǎn)業(yè)上下游協(xié)同發(fā)展。例如,，目前疫情防控工作仍然“任重道遠”,，可用于殺菌消毒的AlGaN紫外LED引發(fā)關(guān)注，加大研發(fā)投入和政策資金扶持,，將有助于AlGaN紫外LED導入市場,。
國內(nèi)半導體企業(yè)應向IDM模式轉(zhuǎn)型
在投資方面，一方面國內(nèi)企業(yè)應向IDM模式轉(zhuǎn)型,。第三代半導體材料的性能與材料,、結(jié)構(gòu)設計和制造工藝之間關(guān)聯(lián)緊密，且制造產(chǎn)線投資額相對較低,，因此國外多數(shù)企業(yè)為了保持競爭力,，多采用IDM模式。隨著襯底和器件制造技術(shù)的成熟和標準化,，以及器件設計價值的提升,，器件設計與制造分工的趨勢日益明顯。因此,，國內(nèi)企業(yè)為了確保企業(yè)自身的競爭優(yōu)勢,，應向IDM模式發(fā)展。
另一方面應夯實支撐產(chǎn)業(yè)鏈的公共研發(fā)與服務等基礎(chǔ)平臺,。建設戰(zhàn)略定位高端,、組織運行開放、創(chuàng)新資源集聚的專業(yè)化國家技術(shù)創(chuàng)新中心,。支持體制機制創(chuàng)新,、開放、國際化的,、可持續(xù)發(fā)展的公共研發(fā)和服務平臺,。突破產(chǎn)業(yè)化共性關(guān)鍵技術(shù),，解決創(chuàng)新資源薄弱、創(chuàng)新成果轉(zhuǎn)化難等問題,。搭建國家級測試驗證和生產(chǎn)應用示范平臺,，降低企業(yè)創(chuàng)新應用門檻。完善材料測試評價方法和標準,，加強以應用為目標的基礎(chǔ)材料,、設計、工藝,、裝備,、封測、標準等國家體系化能力建設,。