芯片前沿技术瞭望1：第三代半导体技术

芯片前沿技术瞭望系列文章是对我的新书《芯片通识课》的内容扩展，大家可以先阅读一下这本书，以便更好理解瞭望系列文章的内涵。该书的内容在我前面的文章中介绍过。

关于第三代半导体技术，我的新书《芯片通识课》的第2章第15节有专题介绍。之所以在芯片前沿技术瞭望系列文章中还要提及它，因为相对于第一代和第二代半导体材料来说，第三代半导体材料的开发和应用时间较晚，近年它一直是全球芯片技术研究和开发的热点，所以它也是一种芯片前沿技术。

第三代半导体材料主要是以碳化硅（SiC）、氮化镓（GaN）、氧化锌（ZnO）、氧化镓（GaO）、氮化铝（AlN）、金刚石（C）为代表的具有宽禁带（Eg＞2.3eV）特性的半导体材料，它们也被称为宽禁带半导体材料，其相关产业就是第三代半导体产业，简称第三代半导体。

经过近二十年的产业培育，第三代半导体材料已可用于制作超高压、超高频、超大功率的电子器件，这些器件在半导体照明、5G通信、卫星通信、光通信、高铁、电力电子、电动汽车、航空航天等尖端工业领域发挥着重要作用。

随着我国高铁、电动汽车、智能电网等行业的快速发展，第三代半导体器件和产品在国内具有广阔的应用市场和应用创新优势。通过大力发展第三代半导体技术，我们具有赶超国际先进水平的潜力。所以近年来，第三代半导体技术和产业受到我国政府、产业界和投资界的高度重视。

第三代半导体产业链由单晶片和外延片的制造、器件的设计和制造、封装和测试等环节构成。其关键技术是单晶片和外延片的制造技术，在这些方面国外公司技术领先，企业的规模也较大。

单晶片通过外延方法在其上再生长一层单晶后，单晶片就变成了外延片，生长的这层单晶材料可以与衬底材料相同，也可以不同。例如硅基碳化硅（SiC/ Si）外延片、硅基氮化镓（GaN/ Si）外延片、碳化硅基氮化镓（GaN /SiC）外延片、碳化硅基碳化硅（SiC /SiC）等。

SiC和GaN单晶片和外延片的制造难度较大。SiC单晶片生长条件苛刻，生长速度慢，外延层生长难度，所以导致SiC器件成本居高不下。GaN单晶片制备工艺复杂，生产成本高，缺陷难控制。这些都是制约产业发展的关键环节。

在单晶片制造方面，国外企业起步较早，技术实力强，市场占有率很高。例如根据2021年的统计数据，美国Wolfspeed公司的市占率高达62%，美国II-VI集团的市占率为14%，国内天科合达的市占率仅为2%，如图8-1所示。

图1 全球碳化硅（SiC）单晶片生产商的市场占有率统计图

国内第三代半导体企业约有60多家，但规模普遍偏小。这些企业在单晶片和外延片的制造、器件的设计和制造方面均有布局。因为贴近应用市场，国内第三代半导体企业在器件设计和应用创新方面具有优势，器件设计企业数量较多。根据行业媒体报道，2018年到2022年国内第三代半导体市场复合增长率达到43%。2022年国内第三代半导体市场规模约为111.79亿元，同比增长39.2%。其中， GaN产品市场规模约为62.58亿元，SiC产品市场规模约为43.45亿元，其它化合物半导体产品市场规模约为5.76亿元。第三代半导体市场规模还无法与数千亿级别的硅基芯片相比，它的规模很小，但增速较快。