第三代半导体产业发展现状趋势及发展战略

1、第三代半导体产业 发展现状趋势及发展战略 第三代半导体产业技术创新战略联盟 理事长 国家半导体照明工程研发及产业联盟 秘书长 吴 玲 2017年09月23日 意义和必要性 现状及趋势 2 机遇挑战及发展战略 1 目 录 3 始于1990年代 氮化镓、碳化硅等（2eV） 材料：氮化镓、碳化硅、金刚石等。 第三代半导体特征及应用 “五高”特性 高光效 高功率 高电压 高频率 高工作温度 第一代 硅（Si）等奠定微电子产业基础； 第二代 砷化镓（GaAs）等奠定信息产业基础； 第三代半导体支撑绿色、低碳、智能社会的可持续发展。 一代材料 一代装备 一代应用 碳化硅是目前已知的可达到万伏千安等级（全球能源互联网必需的超特高压柔性直流输电） 的唯一的功率半导体材料； 氮化镓是目前能同时实现高频、高效、大功率（5G通信要求频率覆盖到40GHz以上，输出 功率几瓦到几百瓦）的唯一材料; 以氮化镓为代表的氮化物是唯一覆盖可见光到紫外波长范围的半导体发光材料体系。 5 全球能源互联网是落实“一带一路”战略的重要抓手；碳化硅材料与器件可以实现输变电的引 领发展，推动传统电网向半导体电网发展； SiC功率半

2、导体器件有望使得轨道交通变流器的电路结构和性能带来革命性变化。据西门子公司 测算，SiC的牵引系统将实现体积重量减少1025%，整车能耗将下降约12%。 发展新能源汽车是我国实现产业战略升级和低碳经济的重要途径，将SiC器件用于电机驱动等环 节将大幅提高功率密度降低整车成本，节约能耗。丰田2020年电驱系统目标：体积重量减少 80%，器件能耗减少90%，系统电能转换效率提高20%。 能源战略、绿色经济的重要抓手 传统牵引变流器 SiC牵引变流器 电力电子变压器 电力充电机 其它部件 牵引变流器 辅助电源系统 高速列车电力系统实现减积减重，降低能耗 支撑节能环保，应对能源与环境面临的严峻挑战 第三代半导体技术存储密度比普通存储高 出上千倍，可满足大数据时代的海量数据 存储要求； 可应用在机器人电能管理、物联网等领域。 一个数据中心耗能相当于一个中等城市。 降低能耗是互联网技术可持续发展面临的 最大挑战，可在能源转换过程中节能80% 以上； 支撑节能环保，应对能源与环境面临的严峻挑战 用于工业电机、消费类电子等方面的通用电源，比现有硅技术的节能 优势明显； GaN器件可在每个变电环节减少2

3、-3%的电能损耗，从电站到终端负载 可节电10-15%；2030年我国总发电量将达到10万亿度，如果GaN器 件实现30%市场替代率，可节电约3000亿度。 支撑节能环保，应对能源与环境面临的严峻挑战 来源：IMT-2020(5G) 开启万物互联，支撑智能社会发展 为移动通信、卫星通信提供峰值10Gbps以上的带宽、毫秒级时延和 超高密度连接的核心器件； 为移动终端、智能设备提供低能耗、小型化、便携式的供电系统。 提升航空航天能力，避免受制于人 一部雷达造价2亿多美元，70%为器件，使用数万个全固态X波段8W GaAs MMIC ，采用X波段16W的GaN MMIC升级，将实现精度更高、距离更远 使用高频、高可靠、长寿命、工作温度范围宽、抗辐照能力强的第三代半导体 功率器件可以有效降低航空航天电源及配电分系统的重量和体积，起到抵抗极 端环境和降低能耗的作用。 意义和必要性 现状及趋势 2 机遇挑战及发展战略 1 目 录 3 国际技术快速进步：SiC衬底、外延与器件技术 SiC衬底：4英寸、6英寸，开始研发8英寸。 SiC外延：6英寸外延片已经产业化，外延速率最高可以达到170m /h，

4、 100m以上的高厚度外延片缺陷密度低于0.1cm-2； SiC器件：SBD、MOSFET等均已实现量产，产品耐压范围600V-1700V，单 芯片电流超过50A，并开发出了1200V/300A、1700V/225A的全SiC功率模 块产品； 实验室开发了10000V-15000V/10A-20A的SiC MOSFET，IGBT芯片样品， 最高耐压水平已经超过20 kV量级。 国际技术快速进步：GaN技术衬底与外延 GaN衬底材料方面，住友电工、日立电线、古河机械金属和三菱化学等日本 公司已可以出售标准2-3英寸HVPE制备的GaN衬底，具备4英寸衬底（位错 密度106cm-2）的小批量供应能力； 外延材料方面，美国Nitronex，德国Azzuro和日本企业开始提供6英寸制备 600V以上电力电子器件的Si上GaN外延材料； 采用SiC衬底的GaN外延片已实现产业化。用于微波射频GaN高电子迁移率 晶体管（HEMT）。 GaN器件技术 GaN电力电子器件：650V及以下系列 Si基GaN功率器件，主要应用于服务器 电源（PFC）、车载充电、光伏逆变器等。2016年3月，美国Navit

5、as公司推 出650V单片集成GaN功率场效应晶体管（FET），以及GaN逻辑和驱动电路。 8月美国Dialog公司（由台积电代工）推出了针对电源适配器的GaN IC方案。 GaN微波射频器件：主要用于远距离信号传输和高功率级别，如雷达、移动基 站、卫星通信、电子战等。美国、日本等十几家公司均推出了GaN射频功率器 件产品。 GaN光电器件：LED光效水平达到176 lm/W以上。东芝、三星等多家公司均 推出了大尺寸Si衬底产业化大功率GaN LED芯片产品，光效达到130-140 lm/W。3.75W 蓝光和1W绿光激光器已有销售，342nm紫外激光器实现脉冲 激射。 在紫外探测器：普通非增益探测器量子效率超过60%，并可以批量应用于民用 产品，增益可见光盲GaN雪崩光电二极管（APD）已报道了单光子探测。 英飞凌2015年9月8日宣布，开发出了用于第5代 （5G）无线通信基础设施装置等的GaN（氮化镓） 功率晶体管，并已开始样品供货。 该产品采用GaN ON SiC基板，采用HEMT结构， 频率范围为1.8GHz2.2GHz和2.3GHz 2.7GHz。 与现有LDMOS功率晶体管

6、相比，效率高10%， 功率密度高5倍。 使用该产品可减小无线通信装置的体积和损耗。 示范应用取得突破 新一代移动通信 日本高铁应用： 使用SiC的转换器和逆变器后， 与现有的N700系相比，每节 车厢的逆变器的重量由约 1500kg减至约1000kg。 变压器的重量由约3600kg减至约3500kg； 马达重量由约400kg减至约350kg； 每节车厢的驱动系统重量由N700系的约58吨减至约47吨，减重约20。 示范应用取得突破 高铁 10kV/120A SiC half H-Bridge module Application: 1 MVA single phase, 4 stages solid state power substation (SSPS) using 10kV/120A SiC half H-bridge modules 示范应用取得突破 能源互联网 固态变压器 采用碳化硅功率器件的产品，其电力损耗削减60， 相同体积下的电力容量扩大了约2倍。 全球第三代半导体产业格局 电力电子领域：目前全球有超过30家公司在电力电子领域拥有对SiC、GaN相关 产品的生产、设计、

7、制造与销售能力，但市场上能够批量稳定提供SiC、GaN产 品的不超过1/3。呈现美国、欧洲、日本三足鼎立态势。 美国：在SiC领域全球独大，拥有Cree、II-VI、道康宁等具有很强竞争力的 企业，并且占有全球SiC 70-80%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、Sicrystal、Ascatronl、IBS、ABB等优秀半导体制造商 日本：是设备和模块开发方面的绝对领先者，主要有罗姆、三菱电机、富士 电机、松下、东芝、日立等企业。 韩国：SiC粉末公司有LG Innotek，晶体企业有POSCO、Sapphire Technology、LG、OCI和SKC，外延企业有RIST、POSCO和LG，但SiC器 件的企业不多，主要推动者是三星。 2016年SiC电力电子市场规模在2.1-2.4亿美元之间，GaN电力电子市场规模在 2000万-3000万之间。预计全球SiC市场2016-2021年的复合增长率将达到 19%，GaN功率器件在未来五年复合年增率将达到86%； GaN射频器件市场在未来五年里将扩大至目前的2倍，市场复合年增长率

8、将达到 4% ，据此推算，2025年GaN市场射频器件市场额将有望超过30亿美元； 在光电领域，2015年LED器件营收约147亿美元，照明仍是主流应用，约占 30%以上，预计2020年超过180亿美元。 国际市场规模及前景 全球LED器件市场规模及预测 20152021年SiC器件市场规模 功率器件技术的发展趋势 预测到2019年： 电动汽车/混合电动汽车的份额占50%； （目前，挪威、荷兰、挪威已经决定从2025年起禁售燃油车，德国2030年禁售传统 内燃机汽车，英国和法国的过渡时间则较长一些,全面停售汽油车和柴油车的时间点 推迟到了2040年）； 光伏逆变器约占20%。 据初步统计，2016年我国第三代半导体产业的整体规模约为5228亿元，其中电 力电子产值规模0.72亿元，微波射频产值规模10.9亿元，光电（主要为半导体 照明）产业规模超过5200亿元； 2016年，我国第三代半导体电力电子器件的市场规模约为1.6亿元，目前市场 90%为进口产品所占有； 2016年，我国半导体照明产业产值达到5216亿元，今年有望突破6000亿。 我国市场规模及前景 0.00% 10.00%

9、20.00% 30.00% 40.00% 50.00% 0 1000 2000 3000 4000 5000 上游外延芯片（亿元） 中游封装（亿元） 下游应用（亿元） 总增长率（%） 我国半导体照明产业各环节产业规模及增长率 2016年我国SiC、GaN电力电子产业和微波射频产业产值（万元） 济南 郑州 合肥 南京 上海 台北 福州 南昌 杭州 广州 长沙 南宁 贵阳 昆明 武汉 重庆 成都 兰州 银川 呼和浩特 西宁 拉萨 乌鲁木齐 西安 太原 石家庄 北京 沈阳 长春 天津 哈尔滨 香港 澳门 海口 京津冀研发力量全国最强，超 越照明已经开始布局具有完整 的SiC产业链条，应用资源集 中，装备研发制造能力强 长三角智能照明集 中，GaN链条比较完 备 珠三角半导体照明通用 照明集中、消费及工业 电子产业市场最大 我国第三代半导体产业发展现状 国家电网：启动SiC中试线建设 中车：启动SiC中试线建设 十三所：微波射频器件已用于国防 中兴、华为：在4G系统中采用GaN微波 射频器件 西部地区：如成都等城市的企业和科研院 所也开始布局 投资热潮初现 据初步统计，2015年下半年至2016年底 已经立项（已经环评公示）的第三代半导 体相关项目达18项，总投资金额近180亿 元，共涉及投资主体企业15家，2017年 青铜剑等5家公司加大了投资的力度； 从投产时间来看，绝大部分SiC、GaN项 目尚在建设中，加上设备调试和技术磨合 时间，预计产能真正发挥作用将要到2018 年，届时产业发展速度将显著提速。 美国：2014年奥巴马宣布成立 下一代电力电子技术国家制造 业创新中心，将第三代半导体 产业做为重振美国能源经济的 重要抓手。 第三代半导体材料及应用已进入爆发式增长期，将深刻改变全球半导体产 业格局，美、日、欧、韩高度重视，部署国家计

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