作者：

王韬毅，清华大学精仪系20级研究生，研究方向为类脑计算，数字集成电路和计算机体系结构，关注半导体和计算机技术。

洪熹宇，清华大学物理系17级博士生，研究兴趣方向为量子拓扑物性，热爱有趣的灵魂。

王荔妍，清华大学经管学院创新创业与战略系20级博士生，工学本硕，研究兴趣为技术创新与技术创业。

伍廉荣，清华大学五道口金融学院20级金融硕士，经济学本科，研究兴趣为行业研究、金融科技和创新创业。

编辑：陈旭佳 周圣钧 高松龄 邱雨浩

审核：赵　鑫 张可人

图片来源：eefocus

导读

2020年，新基建产业站在了风口上。在以5G、物联网、工业互联网等为代表的新基建主要领域中，第三代半导体承担着重要角色。而在最近美国推出的报告中，更是将20项技术列入重点关注的领域，希望国家能够重点投入，并且慎防其假想的竞争对手获取该技术，以确保国家在这20个新兴技术中的全球优势，半导体和先进工程材料在列。同时，我国的2030计划和“十四五”国家研发计划已明确第三代半导体是重要发展方向。

那么到底什么是第三代半导体呢？它主要应用在什么领域？它的技术演进和难点在哪里、中美之间的差距何在呢？

01 一探究竟：什么是第三代半导体

第三代半导体主要是由于制造材料的不同而有别于第一代和第二代半导体。国际上一般把禁带宽度（Eg）大于或等于2.3电子伏特（eV）的半导体材料称之为第三代半导体材料，常见的第三代半导体材料包括：碳化硅、氮化镓、金刚石、氧化锌、氮化铝等。其中，碳化硅和氮化镓技术发展相对成熟，已经开始产业化应用，而金刚石、氧化锌、氮化铝等材料尚处于研发起步阶段。

第三代半导体具有高热导率、高击穿场强、高饱和电子漂移速率、高键合能等优点，可以满足现代电子技术对高温、高功率、高压、高频以及抗辐射等恶劣条件的新要求，是5G、人工智能、工业互联网等多个“新基建”产业的重要材料，同时也是世界各国半导体研究领域的热点。其在国防、航空、航天、石油、是有勘探、光存储等领域有重要应用场景，在宽带通讯、太阳能、汽车制造、半导体照片、智能电网等众多战略行业，可以降低50%以上的能量损失，最高可以使装备体积减小75%以上。

第一代半导体以硅（Si）为主，而第二代半导体材料以砷化镓GaAs、磷化铟InP为代表。第三代半导体在禁带宽度、熔点、电子迁移率等方面有较大差别。

02 弥“硅”不足：第三代半导体的应用领域和市场规模

第一代半导体是以硅（Si）作为集成电路最基础的材料，构筑了整个信息产业的最底层支撑。人类对Si性能的探索已经非常成熟，然而一些固有的缺点因为硅（Si）的物理属性限制却无法逾越，如光学性能、高压高频性能等，与此同时，第三代半导体恰好弥补Si的不足，成为继Si之后最有前景的半导体材料。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。

第三代半导体材料主要可应用于光电、电力电子、和微波射频三大领域。从当前来看，碳化硅（SiC）目前主要是用在650V以上的中高压功率器件领域，并偏向1000V以上的范围，具有高压、高温、高频三大优势，并且比硅基器件更轻、更小巧。氮化镓（GaN）主要是用在650V以下的中低压功率器件领域及微波射频和光电领域。不过，GaN器件未来也有机会进一步往600～900V发展。

光电方向是截至目前应用最为成熟的领域，已被验证是一场成功的技术革命。LED从无到有，快速发展，直至现在发展为千亿美元的规模，是一个新材料开发推动社会变革的典范。目前应用于包括显示、背光、照明等领域，其中Micro LED与UVC LED因仍然存在技术挑战，且具备新的市场想象空间，被产业寄予厚望。

功率器件方向广泛用于智能电网、新能源汽车、轨道交通、可再生能源开发、工业电机、数据中心、家用电器、移动电子设备等国家经济与国民生活的方方面面，是工业体系中不可或缺的核心半导体产品。其中SiC 功率器件被认为未来最大的应用市场在新能源汽车，主要是功率控制单元（PCU）、逆变器、DC-DC转换器、车载充电器等方面；GaN功率器件因其高频高效率的特点而在消费电子充电器、新能源充电桩、数据中心等领域有着较大的应用潜力。据市场研究机构Yole Developpement预测，2017年至2023年，SiC器件复合年增长率将达到31%，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预计将达50%。2019年知名新能源车厂商Tesla已经把碳化硅MOSFET用到了其主驱动控制器。

微波射频方向包括汽车雷达、卫星通讯、5G基站、预警探测等应用。相较于已经发展十多年的SiC，GaN功率器件是后进入者，但它拥有类似SiC性能优势的宽禁带材料，且拥有更大的成本控制潜力，目前是射频器件最合适的材料，这在5G时代非常重要。GaN市场需求最大的拉动力也被认为是5G基站。据Yole Development 数据显示，2017 年GaN射频市场规模为3.8亿美元，将于2023年增长至13亿美元，复合增速为 22.9%；下游应用结构整体保持稳定，以通讯与军工为主，二者合计占比约为80%。

图1：SiC功率半导体市场规模（百万美元）

03 技术概览：第三代半导体生产过程及工艺难点

（一）生产过程

第三代半导体的产业链包括包括衬底→外延→设计→制造→封装。其中，衬底是所有半导体芯片的底层材料，起到物理支撑、导热、导电等作用。外延是在衬底材料上生长出新的半导体晶层，这些外延层是制造半导体芯片的重要原料，影响器件的基本性能。设计包括器件设计和集成电路设计，其中器件设计包括半导体器件的结构、材料，与外延相关性很大。制造需要通过光刻、薄膜沉积、刻蚀等复杂工艺流程在外延片上制作出设计好的器件结构和电路。封装是指将制造好的晶圆切割成裸芯片。

以下讨论的生产工艺及其难点，主要讨论全产业链的前两个环节，即衬底和外延生长。

（二）碳化硅：需降低衬底生长缺陷、提高工艺效率

目前规模化生长碳化硅单晶主要采用物理气相输运法（PVT）或籽晶的升华法。碳化硅生长炉的技术指标和工艺过程中的籽晶制备、生长压力控制、温度场分布控制等因素，决定了单晶质量和主要成本。

PVT法生长的SiCk单晶一般是短圆柱状，柱状高度(或长度)在20 mm以内，需要通过机械加工整形、切片、研磨、抛光等化学机械抛光和清洗等工艺，才能成为器件制造前的衬底材料。这一机械、化学的制造过程普遍存在着加工困难、制造效率低、制造成本高等问题。SiC单晶加工关注点是晶片不仅具备良好的几何形貌，如总厚度变化、翘曲度、变形，而且具备较高的晶片表面质量（微粗糙度、划伤等）。此外，还要考虑单晶加工的效率和成本问题，这也就给SiC衬底制备提出很大的挑战。

2009年，纽约州立大学和道康宁公司在150 mm SiC单晶生长取得了重大突破后，全世界SiC产业向150 mm产业方向发展，实现大直径的无缺陷或低缺陷的SiC晶体生长，是SiC产业接下来发展的重要基础。单晶的生长缺陷，主要是SiC 晶片大面积应用中的螺旋位错（称为微管）。目前先进的技术指标是直径100 mm以上的SiC，其微管缺陷密度小于1 每平方厘米。150 mm的SiC材料制备技术，2014年国内已经取得了突破。但规模化生产制造SiC晶片，达到低微管密度或零缺陷质量还存在一些技术工艺问题。

SiC材料对于生产工具的要求，造成了加工时间长、效率低。碳化硅材料是目前仅次于金刚石硬度的材料，材料的机械加工，主要以金刚石磨料为基础切割线、切割刀具、磨削砂轮等工具。由于这些工具的制备基本采用电镀金属结合剂固结金刚石磨料的方法，或者通过树脂固结金刚石磨料的方法。而且加工过程中切削力大，加工工具上的金刚石磨料容易脱落，造成工具加工寿命短，加工成本高。为了延长工具寿命、提高加工质量，往往采用微量或极低速进给量，这就牺牲了整体的生产效率。

（三）氮化镓：衬底与外延材料需匹配

GaN同质衬底是衬底和外延都采用GaN材料。氢化物气相外延（HVPE）方法是目前研究生产GaN衬底的主流。大多数可以商业化方式提供GaN 均匀衬底都是通过这种方法生产的。该技术具有设备简单、生长速度快、可控性强等优点。利用金属有机化合物化学气相沉淀（MOCVD）技术可以生长出均匀、大尺寸的厚膜。目前，该技术已经成为制备外延厚膜最有效的方法，并且生长的厚膜可以通过抛光或激光剥离衬底，作为同质外延生长器件结构的衬底。

由于GaN在高温生长时N的离解压很高，很难得到大尺寸的GaN单晶材料，当前大多数商业器件是基于异质外延的，即选择蓝宝石、AlN、SiC 和Si材料衬底来替代GaN器件的衬底。制备异质衬底上的外延GaN 膜已成为研究和生产GaN 材料和器件的主要手段。目前，GaN的外延生长方法有：HVPE、分子束外延（MBE）、原子束外延（ALE）和MOCVD。其中，MOCVD 是最广泛使用的方法之一。

然而，这些衬底材料和GaN之间的晶格失配和热失配非常大。因此，外延材料中存在较大的应力和较高的位错密度，不利于器件性能的提高。图为衬底材料的晶格失配和热失配关系示意图。

图2：衬底材料的晶格失配和热失配关系示意图

由于SiC的热导率远远高于GaN、Si和蓝宝石，所以SiC 与GaN的晶格失配很小。SiC 衬底可以改善器件的散热特性，降低器件的结温。但GaN 和SiC 的润湿性较差，在SiC衬底上直接生长GaN很难获得光滑的膜。AlN在SiC基体上的迁移活性小，与SiC基体的润湿性好。因此，通常在SiC基板上用AlN 作为GaN 外延薄膜的成核层，如图 所示。许多研究表明，通过优化AlN 成核层的生长条件可以改善GaN 薄膜的晶体质量。但生长在GaN 成核层上的GaN 薄膜仍然存在较大的位错密度和残余应力。AlN的热膨胀系数远大于GaN，在AlN 上生长的GaN 薄膜在冷却过程中存在较大的残余拉应力。拉伸应力会在一定程度上积累，并以裂纹的形式释放应力。另外，AlN 的迁移活性较低，难以形成连续的膜，导致在AlN 上生长的GaN 薄膜位错密度较大。GaN 薄膜中的裂纹和位错会导致器件性能下降甚至失效。由于晶格失配较小，一旦润湿层和裂纹问题得到解决，SiC 衬底上的GaN 晶体质量要优于Si 和蓝宝石衬底上的GaN晶体，因此，SiC 衬底上的GaN 异质结构2DEG 的输运性能更好。

目前，GaN基电力电子器件的成本与Si 器件相比仍然非常昂贵。解决成本问题的唯一途径是利用Si 衬底外延制备GaN 基异质结构，然后利用互补金属氧化物半导体技术制备GaN 基器件，使器件的性价比超过Si 器件。但与SiC和蓝宝石衬底相比，Si衬底外延GaN 要难得多。GaN（0001）与Si（111）的晶格失配率高达16.9%，热膨胀系数失配（热失配）高达56%。因此，Si 衬底上GaN 的外延生长及其异质结构在应力控制和缺陷控制方面面临着严峻的挑战。

外延层材料的晶格常数差异，会导致Si 和GaN 外延层界面处的高密度位错缺陷。在外延生长过程中，大多数位错会穿透外延层，严重影响着外延层的晶体质量。但由于两层热膨胀系数不一致，高温生长后冷却过程中整个外延层的内应力积累很大，发生翘曲并导致外延层开裂。随着衬底尺寸的增大，这种翘曲和开裂现象会越来越明显。

04 第三代半导体的中美差距

在中美差距方面，第三代半导体封测方面中国实力较强，材料正在紧追，但设备方面差距很大，总体而言差距能够通过努力缩小。根据中芯国际创始人张汝京的访谈，如果专门看三代半导体的材料、生产制造、设计，中国在材料上面的差距不是很大。在材料上，4寸第三代材料晶圆基本上做得跟海外很接近，差距不大，6寸还是有差距，但是假以时日也跟得上来。在外延片上，设备也买得到，这个差距很快可以缩短。总体而言，第三代半导体的差距不能一概而论。在封测等方面有些地方中国实力较强，但是设备等方面差距很大。但是国内厂家在材料上进步较快，外延片差距可以慢慢追上，设备也是如此，没有逻辑和存储差距大。

05 第三代半导体产业链中的典型企业

经过多年发展研究，各国在第三代半导体领域取得了丰硕的成果，拥有了很多优秀企业。其中，美国在SiC领域全球独大，拥有Cree、II-VI、道康宁等强竞争力企业，并且占有全球SiC70-80%的产量。欧洲拥有完整的SiC衬底、外延、器件、应用产业链，拥有英飞凌、意法半导体、ABB、IBS等优秀半导体制造商。日本是设备和模块开发方面的领先者，主要产商有罗姆、松下、东芝、日立等。在韩国涉及SiC的企业不多，主要是三星在推动。我过的企业主要包括天科合达、山东天岳、三安光电、中电13所、55所等。

图3：SiCh产业链和GaN产业链国内外公司对比

（一）碳化硅：美欧日主导竞争，国产化进程加速

目前，美、欧、日厂商在全球碳化硅产业中较为领先，其中美国厂商占据主导地位。随着中美贸易战的不断升级，半导体芯片领域成为中美必争之地，伴随着中兴、华为事件，国家越来越重视芯片，高端装备等领域的国产化。此外，SiC材料和器件在军工国防领域的重要作用，也越来越突出。SiC外延设备在推动产业链国产化进程中，意义尤为重大。

（1）国外行业龙头：Cree是全球SiC晶片市场主导厂商

碳化硅是全球最先进的第三代半导体材料，是卫星通讯、高压输变电、轨道交通、电动汽车、通讯基站等重要领域的核心材料，还被认为是5G通信晶片中最理想的衬底。目前，SiC晶片（包括照明用SiC）市场主要由美、欧、日主导，其中Cree在2018年占比超过62%，加上II-VI、Si-Crystal后市场份额达到90%。

（2）国内行业龙头：天科合达在国内SiC衬底晶片市场领先

天科合达，全称北京天科合达半导体股份有限公司 (TanKeBlue Semiconductor Co., Ltd.)，有限公司成立于2006年9月，并于2015年11月成立股份公司。注册资本18,384万元，于2020年7月在科创板申请上市。

公司专注于第三代半导体碳化硅晶片的研发、生产和销售，实际控制人为第八师国资委。公司在国内行业保持领先地位。

表2：天科合达研发进展一览

（二）氮化镓：产业链各环节多点竞争

图4：GaN器件产业链各环节及主要企业

GaN器件产业链各环节依次为：GaN单晶衬底（或SiC、蓝宝石、Si）→GaN材料外延→器件设计→器件制造。目前产业以IDM企业（垂直整合制造）为主，但是设计与制造环节已经开始出现分工，如传统硅晶圆代工厂台积电开始提供GaN制程代工服务，国内的三安集成也有成熟的GaN制程代工服务。 

全球范围内，氮化镓专利申请量排名前四的国家及地区是日本、中国大陆、美国、韩国、中国台湾，其中中国专利量占全球的23%。虽然在专利方面国内有一定有一定优势，但从目前的技术发展状况来说，仍以欧美日企业为主。这和GaN布局早晚有一定的联系，美国和欧洲分别于2002年和2007年启动了氮化镓功率半导体推动计划，我国的GaN研究始于2013年。

GaN衬底主要由日本公司主导，日本住友电工的市场份额达到90%以上。国内已经小批量生产2英寸衬底，具备4英寸衬底生产能力，并开发出6英寸衬底样品，国内可提供相关产品的企业有：纳维科技、中镓半导体。

GaN外延片相关企业主要有比利时的EpiGaN、英国的IQE、日本的NTT-AT。中国厂商有苏州晶湛、苏州能华和世纪金光，苏州晶湛2014年就已研发出8英寸硅基外延片，现阶段已能批量生产，2018年12月聚能晶源成功研制了8英寸硅基氮化镓（GaN-on-Si）外延晶圆。

GaN器件设计厂商方面，有美国的EPC、MACOM、Transphom、Navitas，德国的Dialog，国内有被中资收购的安谱隆（Ampleon）等。

全球 GaN 射频器件独立设计生产供应商（IDM）中，住友电工和 Cree 是行业的龙头企业，市场占有率均超过 30%，其次为 Qorvo 和 MACOM。住友电工在无线通信领域市场份额较大，其已成为华为核心供应商，为华为GaN射频器件最大供应商。此外，还有法国Exagan、荷兰NXP、德国英飞凌、日本三菱电机、美国Ⅱ-Ⅵ等。

（1）国外龙头厂商：Macom

Macom 是硅基 GaN 的引领者，公司在北美、欧洲和亚洲拥有多个研发中心，具备超过 65 年的射频微波器件生产历史。公司产品线广泛，从射频到光器件都有所涉及，下游客户主要包括数据中心，电信以及工业和国防等。Macom 的硅基GaN器件主要用于基站，目标是替代 LDMOS以及 SiC 基 GaN。

（2）国内龙头厂商：苏州能讯

苏州能讯创立于 2007 年，是国内一家 GaN 电子器件生产企业，主要聚焦于 GaN 在微波射频与电力电子领域。公司采用 IDM 模式，自主开发了GaN材料生长、芯片设计、晶圆工艺、封装测试、可靠性与应用电路技术。2009 年公司生产出第一个 2000V 高压开关功率器件产品，并在 2010 年完成了中国第一个通讯基站用 120W 氮化镓功放芯片的开发，2014 年全球发布业界领先的量产氮化镓射频微波器件。

苏州能讯在江苏昆山国家高新区建成了中国第一家氮化镓（GaN）电子器件工厂，厂区占地 55 亩，累计投资 10 亿元。首期产能为3寸 GaN晶圆 6000片，2018 年生产线通过升级改造达到年处理4寸GaN晶圆5万片的能力。