一代文说明三代半导体
发布时间：2021.08.14
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一、产业概述
1.1 半导体硅（Si）材料的限制
上世纪五十年代以来，以硅（Si）材料为代表的第一代半导体材料引发了集成电路（IC）为核心的微电子领域迅速发展。然而，由于硅材料的带隙较窄、电子迁移率和击穿电场较低，Si 在光电子领域和高频高功率器件方面的应用受到诸多限制。
1.2 半导体材料性能对比
随着Si材料的瓶颈日益突出，以砷化镓（GaAs）为代表的第二代半导体材料开始崭露头角，使半导体材料的应用进入光电子领域，尤其是在红外激光器和高亮度的红光二极管等方面。第三代半导体材料的兴起，则是以氮化镓（GaN）材料p型掺杂的突破为起点，以高亮度蓝光发光二极管（LED）和蓝光激光器（LD）的研制成功为标志，包括GaN、碳化硅（SiC）和氧化锌（ZnO）等宽禁带材料。
1.3 三代半导体材料应用情况
第三代半导体（以SiC和GaN为主）又称宽禁带半导体，禁带宽度在2.2eV以上，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，逐步受到重视。SiC与GaN相比较，前者相对GaN发展更早一些，技术成熟度也更高一些；两者有一个很大的区别是热导率，这使得在高功率应用中，SiC占据统治地位；同时由于GaN具有更高的电子迁移率，因而能够比SiC或Si具有更高的开关速度，在高频率应用领域，GaN具备优势。
二、SIC产业概况
2.1 SiC产业概述
SiC生产过程分为SiC单晶生长、外延层生长及器件制造三大步骤，对应的是产业链衬底、外延、器件与模组三大环节。
其中SiC衬底通常用Lely法制造，国际主流产品正从4英寸向6英寸过渡，且已经开发出8英寸导电型衬底产品。
SiC外延通常用化学气相沉积（CVD）方法制造，根据不同的掺杂类型，分为n型、p型外延片。
SiC器件上，国际上600~1700VSiCSBD、MOSFET已经实现产业化，主流产品耐压水平在1200V以下，封装形式以TO封装为主。
2.2 SiC 产业格局
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，全球SiC产量的70%~80%来自美国公司，典型公司是Cree、Ⅱ-Ⅵ；欧洲拥有完整的SiC衬底、外延、器件以及应用产业链，典型公司是英飞凌、意法半导体等；日本是设备和模块开发方面的领先者，典型公司是罗姆半导体、三菱电机、富士电机等。
2.3 SiC功率器件市场空间
根据Yole的预测，2017~2023年，SiC功率器件市场将以每年31%的复合增长率增长，2023年将超过15亿美元；而SiC行业龙头Cree则更为乐观，其预计短期到2022年，SiC在电动车用市场空间将快速成长到24亿美元，是2017年车用SiC整体收入（700万美元）的342倍。
2.4 SiC典型公司--Cree
Cree旗下的Wolfspeed是生产SiC肖特基二极管、SiCMOSFET元件以及模块，以及GaN器件的先驱公司，在SiC/GaN材料方面具有30年经验，在SiC功率市场与GaN射频器件市场具有领导地位。
在SiC功率器件市场，Wolfspeed占据市场最大的份额，是行业第一家商用SiCMOSFET的企业，服务上千家客户；在SiC材料市场，Wolfspeed是第一家提供商业化SiC晶圆产品的企业（1991年），且在其后的30年发展中引领了SiC晶圆尺寸的有小变大（目前为8寸），是名副其实的市场引领者。
三、GaN产业概况
3.1 GaN 材料特性
GaN 材料与Si/SiC 相比有独特优势。GaN与SiC同属于第三代宽禁带半导体材料，相较于已经发展十多年的SiC，GaN功率器件是后进者，它拥有类似SiC性能优势的宽禁带材料，但拥有更大的成本控制潜力。与传统Si材料相比，基于GaN材料制备的功率器件拥有更高的功率密度输出，以及更高的能量转换效率，并可以使系统小型化、轻量化，有效降低电力电子装置的体积和重量，从而极大降低系统制作及生产成本。
3.2 GaN器件发展情况
基于GaN的LED自上世纪90年代开始大放异彩，目前已是LED的主流，自20世纪初以来，GaN功率器件已经逐步商业化。2010年，第一个GaN功率器件由IR投入市场，2014年以后，600V GaN HEMT已经成为GaN器件主流。2014年，行业首次在8英寸SiC上生长GaN器件。
3.3 GaN应用场景
GaN与SiC、Si材料各有其优势领域，但是也有重叠的地方。GaN材料电子饱和漂移速率最高，适合高频率应用场景，但是在高压高功率场景不如SiC；随着成本的下降，GaN有望在中低功率领域替代二极管、IGBT、MOSFET等硅基功率器件。以电压来分，0~300V是Si材料占据优势，600V以上是SiC占据优势，300V~600V之间则是GaN材料的优势领域。
3.4 GaN 产业链概述
GaN与SiC产业链类似，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。各环节相关企业来看，基本以欧美企业为主，中国企业已经有所涉足。
3.5 GaN典型公司--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。
3.6 GaN典型公司--Transphorm
Transphorm创立于2007年，覆盖GaN完整产业链，从EPI到设计、制造，是业内领先的GaN器件供应商。公司能生产业内唯一符合JEDEC认证、AEC-Q101认证的GaN产品，能够满足汽车行业的高标准要求。从2014年发布第一代产品开始，至今已经到第三代，产品线逐步完善。公司于2015年获得KKR7000万美元投资，于2017年获得1500万美元投资。
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