第三代半導(dǎo)體技術(shù)、應(yīng)用、市場全解析

　　寬禁帶半導(dǎo)體(WBS)是自第一代元素半導(dǎo)體材料(Si)和第二代化合物半導(dǎo)體材料(GaAs、GaP、InP等)之后發(fā)展起來的第三代半導(dǎo)體材料，禁帶寬度大于2eV，這類材料主要包括SiC(碳化硅)、C-BN(立方氮化硼)、GaN(氮化鎵、)AlN(氮化鋁)、ZnSe(硒化鋅)以及金剛石等。

　　發(fā)展較好的寬禁帶半導(dǎo)體主要是SiC和GaN，其中SiC的發(fā)展更早一些，碳化硅SiC、氮化鎵GaN、硅Si以及砷化鎵GaAs的一些參數(shù)如下圖所示：

　　寬禁帶半導(dǎo)體材料(第一代~第三代)的重要參數(shù)對比

　　SiC和GaN的禁帶寬度遠(yuǎn)大于Si和GaAs，相應(yīng)的本征載流子濃度小于Si和GaAs，寬禁帶半導(dǎo)體的最高工作溫度要高于第一、第二代半導(dǎo)體材料。擊穿場強(qiáng)和飽和熱導(dǎo)率也遠(yuǎn)大于Si和GaAs。

　　第三代寬禁帶半導(dǎo)體應(yīng)用

　　根據(jù)第三代半導(dǎo)體的發(fā)展情況，其主要應(yīng)用為半導(dǎo)體照明、電力電子器件、激光器和探測器、以及其他4個(gè)領(lǐng)域，每個(gè)領(lǐng)域產(chǎn)業(yè)成熟度各不相同。在前沿研究領(lǐng)域，寬禁帶半導(dǎo)體還處于實(shí)驗(yàn)室研發(fā)階段。

　　第三代寬禁帶半導(dǎo)體材料應(yīng)用領(lǐng)域

　　半導(dǎo)體照明

　　藍(lán)光LED在用襯底材料來劃分技術(shù)路線。GaN基半導(dǎo)體，襯底材料的選擇就只剩下藍(lán)寶石((Al2O3)、SiC、Si、GaN以及AlN。后兩者產(chǎn)業(yè)化為時(shí)尚遠(yuǎn)，我們討論下前三者。總的來說，三種材料各有千秋。藍(lán)寶石應(yīng)用最廣，成本較低，不過導(dǎo)電性差、熱導(dǎo)率低;單晶硅襯底尺寸最大、成本最低，但先天巨大的晶格失配與熱失配;碳化硅性能優(yōu)越，但襯底本身的制備技術(shù)拉后腿。

　　LED三種襯底

　　全球LED襯底市場分析：普萊西、晶能光電和三星主要使用硅襯底，但是技術(shù)起步晚，目前產(chǎn)業(yè)規(guī)模較小，市場占有率低;Cree公司主要采用碳化硅襯底，但是由于其成本問題，加上專利壟斷，幾乎沒有其他企業(yè)涉足。中村修二領(lǐng)導(dǎo)的Soraa公司據(jù)知正在采用氮化鎵(GaN)襯底，這是良好的LED襯底材料，但是比藍(lán)寶石更昂貴，并且生產(chǎn)尺寸也受到限制，也不能夠被大量采用。因此，藍(lán)寶石襯底得以迅速發(fā)展，占據(jù)主流市場。

　　根據(jù)IHS最新研究情報(bào)顯示，在2015年全球96.3%的LED生產(chǎn)均采用藍(lán)寶石襯底，預(yù)計(jì)到2020年該數(shù)據(jù)將會(huì)上升到96.7%。2015年主要得益于價(jià)格下跌，藍(lán)寶石應(yīng)用市場才得以提振。尤其是4英寸晶圓在2015年占據(jù)了55%的市場份額，其中9.9%是被三星、首爾半導(dǎo)體、晶元光電等大廠分割;6英寸晶圓產(chǎn)能也持續(xù)增長，主要以歐司朗、Lumileds公司、LG化學(xué)和科銳等廠商為首選。

　　功率器件

　　SiC和GaN商業(yè)化功率器件發(fā)展歷程

　　許多公司開始研發(fā)SiC MOSFET，包括科銳(Cree)旗下Wolfspeed(被Infineon收購)、羅姆、意法半導(dǎo)體、三菱和通用電氣。與此相反，進(jìn)入GaN市場中的玩家較少，起步較晚。

　　SiC半導(dǎo)體材料及器件的發(fā)展過程

　　2015年，SiC功率半導(dǎo)體市場(包括二極管和晶體管)規(guī)模約為2億美元，到2021年，其市場規(guī)模預(yù)計(jì)將超過5.5億美元，這期間的復(fù)合年均增長率預(yù)計(jì)將達(dá)19%。毫無懸念，消耗大量二極管的功率因素校正(PFC)電源市場，仍將是SiC功率半導(dǎo)體最主要的應(yīng)用。

　　SiC器件市場發(fā)展趨勢

　　目前市場上主要GaN產(chǎn)品是應(yīng)用于高功率密度DC/DC電源的40-200伏增強(qiáng)性高電子遷移率異質(zhì)節(jié)晶體管(HEMT)和600伏HEMT混合串聯(lián)開關(guān)，國外廠商主要有EPC、IR、Transphorm、Panasonic、ExaGaN、GaN Systems等公司。中國GaN相關(guān)企業(yè)有IDM公司中航微電子、蘇州能訊，材料廠商中稼半導(dǎo)體、三安光電、杭州士蘭微等公司。

　　GaN基功率器件的發(fā)展歷程

　　微波器件

　　微波器件方面，GaN高頻大功率微波器件已開始用于軍用雷達(dá)、智能武器和通信系統(tǒng)等方面。在未來，GaN微波器件有望用于4G～5G移動(dòng)通訊基站等民用領(lǐng)域。

　　市調(diào)公司預(yù)測，2016～2020年GaN射頻器件市場將擴(kuò)大至目前的2倍，市場復(fù)合年增長率(CAGR)將達(dá)到4%;2020年末，市場規(guī)模將擴(kuò)大至目前的2.5倍。

　　GaN在國防領(lǐng)域的應(yīng)用主要包括IED干擾器、軍事通訊、雷達(dá)、電子對抗等。GaN將在越來越多的國防產(chǎn)品中得到應(yīng)用，充分體現(xiàn)其在提高功率、縮小體積和簡化設(shè)計(jì)方面的巨大優(yōu)勢。

　　國際上涉及GaN微波器件的主要廠商：

　　全球GaN微波器件主要廠商

　　激光器和探測器

　　在激光器和探測器應(yīng)用領(lǐng)域，GaN激光器已經(jīng)成功用于藍(lán)光DVD，藍(lán)光和綠色的激光將來巨大的市場空間在微型投影、激光3D投影等投影顯示領(lǐng)域，藍(lán)色激光器和綠光激光器產(chǎn)值約為2億美元，如果技術(shù)瓶頸得到突破，潛在產(chǎn)值將達(dá)到500億美元。2014年諾貝爾獎(jiǎng)獲得者中村修二認(rèn)為下一代照明技術(shù)應(yīng)該是基于GaN激光器的“激光照明”，有望將照明和顯示融合發(fā)展。目前，只有國外的日本日亞公司(Nichia)、和德國的歐司朗(Osram)等公司能夠提供商品化的GaN基激光器。

　　由于氮化鎵優(yōu)異的光電特性和耐輻射性能，還可以用作高能射線探測器。GaN基紫外探測器可用于導(dǎo)彈預(yù)警、衛(wèi)星秘密通信、各種環(huán)境監(jiān)測、化學(xué)生物探測等領(lǐng)域，例如核輻射探測器，X射線成像儀等，但尚未實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化。

　　近年來相關(guān)收購事件

　　涉及第三代半導(dǎo)體廠商相關(guān)收購事件