2022年第三代半导体行业发展现状及前景分析1、什么是第三代半导体技术？1.1 三代半导体衬底材料改变引领半导体新时代半导体材料是半导体产业链上游中的重要组成部分。半导体材料分为制造材料 和封装材料，其中制造材料主要是制造硅晶圆半导体、砷化镓（GaAs）、碳化硅（SiC） 等化合物半导体的芯片过程中所需的各类材料，在集成电路、分立器件等半导体产 品生产制造中起到关键性的作用。半导体制造材料包括硅材料和砷化镓（GaAs）、碳 化硅（SiC）、氮化镓（GaN）等化合物半导体材料。硅衬底占据主要市场，三代半导体有望掀起底层材料端革命。硅（Si）是目前技术 最成熟、使用范围最广、市场占比最大的衬底材料，近年来硅材料的潜力已经开发殆尽， 在高压、高频、高温领域以碳化硅和氮化镓为代表的第三代半导体衬底材料市场规模有 望迎来快速发展。半导体衬底材料发展至今经历了三个阶段：1）第一阶段（代表材料：Si，Ge）：20 世纪 50 年代开始，以硅（Si）、锗（Ge）为 代表的第一代半导体材料制成的二极管和晶体管取代了电子管，引发以集成电路为核心 的微电子产业的迅速发展，主要应用于低压、低频、低功率的部分功率器件、集成电路 中。

硅基半导体材料是目前产量最大、应用最广的半导体材料，90%以上的半导体产品是 用硅基材料制作的。2）第二阶段（代表材料：GaAs，InP）：20 世纪 90 年代开始，随着半导体产业的发 展，硅材料的物理瓶颈日益突出，以砷化镓（GaAs）、磷化铟（InP）、锑化铟（InSb）、 部分三元化合物半导体等为代表的第二代化合物半导体材料崭露头角。砷化镓材料的电 子迁移率约是硅的 6 倍，具有直接带隙，故其器件相对硅基器件具有高频、高速的光电 性能，因此被广泛应用于光电子和微电子领域，是制作半导体发光二极管和通信器件的 关键衬底材料。3）第三阶段（代表材料：SiC、GaN）：近年来，以碳化硅（SiC）、氮化镓（GaN）、 氧化锌（ZnO）、金刚石、氮化铝（AlN）为代表的宽禁带（禁带宽度大于 2.2eV）第三代 半导体材料逐渐兴起，其介电常数、导热率及最高工作温度等等关键参数方面具有显著 优势，可以满足电力电子技术对高温、高功率、高压、高频及抗辐射等恶劣工作条件的 新要求，从而成为半导体材料领域最具前景的材料之一。目前，5G 通信、新能源汽车、 光伏等领域头部企业逐步开始使用第三代半导体，待成本下降后，第三代半导体有望实 现对硅基材料的全面替代。

就功率和频率两个维度而言，第一代半导体材料的代表硅，功率在 100Wz 左右，频 率只有大约 3GHz；第二代的代表砷化镓，功率不足 100W，但频率却能达到 。因 此前两代半导体材料更多是互为补充的关系。而第三代半导体的代表氮化镓和碳化硅， 功率可以在 1000W 以上，频率也可以接近 ，优势非常明显，因此未来有可能是取 代前两代半导体材料的存在。1.2 主流制备工艺：SiC 采用物理气相传输法，GaN 采用氢化 物气相外延法1.2.1 SiC 制备工艺：PVT 优势显著，系商业化首选PVT 成本低，系商业化主流路线。SiC 制备方法主要有三种：物理气相传输法（PVT）、 顶部籽晶溶液生长法（TSSG）及高温化学气相沉积法（HT-CVD）。顶部籽晶溶液生长法主要用于实验室生长较小尺寸晶体，而物理气相传输法与高温化学气相沉积法主要用于商 业生产。其中 PVT 法制备 SiC 所需设备简单且价格低，操作控制相对容易故为商业生产 主流方法。 PVT 原理：将高纯度碳粉与硅粉，按特定比例混合，形成高纯度 SiC 微粉与籽晶分 别放置生长炉内坩埚下部，顶部后，温度升高至 2000℃以上，通过控制坩埚下部温度略 高于顶部，形成温度差。

SiC 微粉升华成气态 Si2C、SiC2、Si 等，后由于温度差在温度 较低籽晶处形成 SiC 晶锭。1.2.2 GaN 制备工艺：HVPE 工艺简单，系生产主流方式HVPE 工艺简单，生长速率快，系生产主流路线。氮化镓制备主要分气相法及熔体法， 其中气相法细分为氢化物气相外延法（HVPE）、气相传输法。熔体法细分为高压氮气溶液 法（HNPSG）、助溶剂法/溶盐法、氨热法、提拉法。相较而言，HVPE 法厚膜质量及生长速 率更高，系主流生方式。 HVPE 原理：整个过程在一个多层次温区热壁反应系统的完成，在温度为 850 度温区 内放入金属 Ga，呈液态，后从热璧上层注入 HCl 气体，形成 GaCl 气体，后将 CaCl 气体 传送至衬底，在 1000 度-1100 度温度下与氨气（NH3）反应，最终生成 GaN 晶体。2、第三代半导体发展前景如何？2.1 市场端：整体产值超 7100 亿元，2023 年渗透率接近 5%第三代半导体材料渗透率逐年提升，2023 年有望接近 5%。根据 Yole 数据显示，Si 仍是半导体材料主流，占比 95%。第三代半导体渗透率逐年上升，SiC 渗透率在 2023 年 有望达到 3.75%，GaN 渗透率在 2023 年达到 1.0%，第三代半导体渗透率总计 4.75%。

2020 年，我国第三代半导体整体产值超过 7100 亿，电力电子及微波射频持续增长。 根据 CASA 数据，我国第三代半导体整体产值超过 7100 亿。其中，半导体照明整体产值 预计 7013 亿元，受新冠疫情影响较 2019 年下降 7.1%；SiC、GaN 电力电子产值规模达 44.7 亿元，同比增长 54%；GaN 微波射频产值达到 60.8 亿元，同比增长 80.3%。2.2 性能端：高压、高频领域或将实现对硅基的全面替代SiC 主攻高压领域，GaN 主攻高频领域。依据功率、频率两个维 度，我们对主流功率器件的物理特性和适用场合进行了梳理：Si-IGBT 在高压领域有 优势但无法胜任高频领域的要求，Si- 能胜任高频领域但对电压有所限制， 完美得解决了高压和高频在硅基上难以兼得的问题，在兼容高压中频的基础上 SiC- 并凭借其高效率、小体积的特性成为电动汽车、充电桩、光伏逆变等领域 的最佳解决方案（不考虑成本），GaN- 凭借其超高频率的特性在 5G 射频领域大 有可为，当前主要为 5G 基站 PA 未来有望拓宽到终端设备射频（手机等），此外 在 1000V 以下的中低压领域比如快充、电动汽车有较大的应用潜力。

第三代半导体节能效益显现。在消费电子领域节能 40%以上；工业机电领域节能 30%- 50%；在高铁方面，更高的功率密度，减少动铁系统体积的同时节能 20%；在光伏逆变器 领域，降低 25%以上的光电转换损失；智能电网领域提高 40%以上供电效率并降低 60%的 电力损失。SiC 主要应用于白色家电、电动汽车及工业应用领域。在白色家电中主要应用于家 电/个人电脑、不间断电源等；在电动汽车领域主要应用于 DC/AC 逆变器、DC/DC 转换器 等；在工业领域中主要应用于电力配送、铁路运输、光伏产业、电机控制、风电涡轮机 等。GaN 主要用于光电子、射频电子及电子电力领域。在光电子领域住用应用于激光显 示、LED 照明等；在射频电子领域主要应用于卫星通讯、移动终端、国防军工、无线通信 基站等；在电力电子领域中主要应用于电源转化系统、新能源汽车与数据中心、工业电 机及智能电网等。2.3 政策及科研端：政策持续加码第三代半导体，科技创新如 火如荼国家陆续出台相关

可见，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，居于领导地位，占有全球SiC产量的70%~80%；欧洲拥有完整的SiC衬底、外延、器件以及应用产业链，在全球电力电子市场拥有强大的话语权；日本则是设备和模块开发方面的绝对领先者。

中国由于在LED方面已经接近国际先进水平，为第三代半导体在其它方面的技术研发和产业应用打下了一定的基础。

中国发展状况

中国开展SiC、GaN材料和器件方面的研究工作比较晚，与国外相比水平较低，阻碍国内第三代半导体研究进展的重要因素是原始创新问题。国内新材料领域的科研院所和相关生产企业大都急功近利，难以容忍长期“只投入，不产出”的现状。因此，以第三代半导体材料为代表的新材料原始创新举步维艰。

中国半导体材料处于中低端领域

半导体行业的产业链上游支撑产业、中游制造产业以及下游应用产业构成，其中上游支撑产业主要有半导体材料和设备构成。半导体材料是指电导率介于金属和绝缘体之间的材料，半导体材料是制作晶体管、集成电路、光电子器件的重要材料。半导体材料主要应用在晶圆制造和芯片封测阶段。在半导体材料市场构成方面，大硅片占比最大，占比为32.9%，其次为气体，占比为14.1%，光掩膜排名第三，占比为12.6%，其后分别为抛光液和抛光垫、光刻胶配套试剂、光刻胶、湿化学品、建设靶材，占比分别为7.2%、6.9%、6.1%、4%和3%。

由于半导体材料领域高端产品技术壁垒高，而中国企业长期研发和累计不足，中国半导体材料在国际中处于中低端领域。中国大部分产品的自给率较低，主要是技术壁垒较低的封装材料，而晶圆制造材料主要依靠进口。目前，中国半导体材料企业集中在6英寸以下的生产线，少量企业开始打入8英寸、12英寸生产线。

全球最大半导体消费市场

近年来，随着全球集成电路市场逐渐步入成熟发展阶段，全球产业增速有所放缓，伴随着我国经济的高速发展，中国智能手机、平板电脑、汽车电子、智能家居等物联网市场快速发展，尤其智能手机和平板电脑市场快速增长，对各类集成电路产品需求不断增长，2017年中国半导体消费市场规模在全球市场中所占比已达 32%。

目前，中国半导体产业仍处于初级发展阶段，发展程度低于国际先进水平。在中国半导体产业的大规模引进、消化、吸收以及产业的重点建设，中国已成为全球半导体市场最大的市场。数据显示，2017年中国半导体市场实际销售额为7200.8亿元，同比增长13.7%。预计2018年中国半导体产业销售额将进一步增长，达到8295.3亿元，增长率为12.9%。

随着半导体行业的快速发展，应用场景不断扩展，嵌入到从汽车等各类产品中，同时伴随着人工智能、虚拟现实和物联网等新兴技术的出现，半导体的市场需求不断扩大。数据显示，2017年中国半导体市场规模为16860亿元，同比增长11.4%。伴随着中国集成电路设计、制造、封装等产业在国家政策支持下持续增长，预计2018年中国半导体市场规模将达到18951亿元，增长率为12.4%。

半导体进出口情况

中国是全球最大集成电路进口市场，作为电子信息产业的核心，“中国芯”的进口依赖严重影响我国信息产业安全，我国芯片的国产化需求强烈。2017年，中国半导体销售额占全球市场销售额比重约为30%，其中集成电路销售额达5411.3亿元，中国已然成为全世界最大的半导体下游市场。数据显示，2017年我国集成电路进口金额明显增长，2017年我国集成电路进口金额为，同比增长14.6%。2018年上半年我国集成电路进口金额为百万美元，同比增长13%。 在出口方面，中国出口集成电路金额达38541.2百万美元，同比增长31.1%。

半导体设备依赖进口

半导体设备作为半导体产业链的支持行业，主要应用于IC制造、IC封测。其中，IC制造包括晶圆制造和晶圆加工设备；IC封测主要用封测产进行采购，包括拣选、测试、贴片、键合等环节。目前，中国半导体设备国产化低于20%，国内市场被国外巨头垄断。半导体设备行业具有较高的技术壁垒，市场壁垒和客户认知壁垒，中国半导体设备行业整体起步较晚，目前，国产规模仍较小，依赖进口问题严重。数据显示，2017年中国大量进口半导体设备占比情况中，化学气相沉积设备占比最大，占比为23%，其次为等离子体干法刻蚀机，占比为18%，排名第三的是引线键合机，占比为12%，其后分别为氧化扩散炉、分步重复光刻机、物理气相沉积设备、离子注入机、化学机械抛光机。

2018年半导体制造设备全球销售额预计达到627.3亿美元，同比增长10.8%，超过2017年创下的566亿美元的历史新高。2017年中国半导体制造设备销售额为82.3亿美元，预计2018年将达到118.1亿美元。值得一提的是，2018年中国半导体制造设备排名将上升，首次位居第二，中国将以43.5%的增长率领先。

总的来说，近年来中国半导体产业通过大规模的引进、消化、吸收以及产业的重点建设，中国或需较长时间才能出现世界一流半导体设备企业，但边际上的成长和进步正在不断出现，应用场景的拓展，中国半导体产业规模将进一步发展。

专业就业状况及趋势

应用物理学专业的毕业生主要在物理学或相关的科学技术领域中从事科研、教学、技术开发和相关的管理工作。科研工作包括物理前沿问题的研究和应用，技术开 发工作包括新特性物理应用材料如半导体等，应用仪器的研制如医学仪器、生物仪器、科研仪器等。应用物理专业的就业范围涵盖了整个物理和工程领域，融物理理 论和实践于一体，并与多门学科相互渗透。

应用物理学专业的学生如具有扎实的物理理论的功底和应用方面的经验，能够在很多工程技术领域成为专家。我国每年培养本科应用物理专业人才约12000人。和该专业存在交叉的专业包括物理专业，工程物理专业，半导体和材料专业等。人才需求方面，我国对应用物理专业的人才需求仍旧是供不应求。

应用物理学专业的人才也存在一些问题，该专业的人才虽然就业面比较广，但是往往竞争力不够强，例如虽然 他们可能也对半导体材料有一些研究，但是研究的深度比起半导体专业的人才又有一些差距。因此，往往在竞争最好公司的研发部门中，处于下风。也正因如此，人 们认为学习应用物理，找到的工作环境一般不会太好，不过这在一定程度上有些夸大其实。有很多IT产业的公司如IBM、朗讯等，对应用物理行业的人才仍旧独 有垂青。改革开放以来，我国东部沿海地区的经济中的某些行业，正在逐渐从劳动密集型向技术密集型和资金密集型发展，他们对基础技术的需求越来越大，这些技 术虽然大部分从国外进口，但是掌握这些技术，操作这些技术载体的仪器，仍旧需要大量的应用物理专业的人才。这些技术密集型的企业现在大多集中于我国的东部 沿海地区，随着新一轮的技术革命，将促进应用物理专业的研究继续向纵深方向发展。

目前，很多应用物理研究的课题仍旧是基础性的，往往需要大量 的政府的政策性投入，难以实现产业化，这对于打算毕业后从事应用物理研究的人员来说，是应该做好思想准备的。但是近年来，随着科学发展速度的增快，很多应 用物理行业研究出的前沿技术很快便得到了应用，例如中微子通信，就是目前热门课题之一。随着现在学科交叉与学科细分现象的日益明显，知识的更新程度非常 快。像应用物理这样基础性专业的人才，由于其可塑性强，基础知识扎实，反而越来越能得到各个行业的重视。

作为一门基础学科的应用科学，近年来 我国在应用物理学研究领域内取得了很大的发展，在很多领域内对其它学科也起到很好的促进作用，其中包括信息科学、材料科学、生命科学、能源与环境科学等。 单晶硅技术的研究，为我国硬件产业的赶超提供了很好的支持。物理学研究材料的手段，如材料的电磁性能，光性能等，成为材料研究的基础。这些使得应用物理专 业的人才在从事具体的科研工作时得心应手。目前，大部分应用物理专业的人才主要集中于以上所述高新技术开发部门，而作为物理的基础教育领域，则少有人问 津，我国实际上急需一批应用物理专业的人才从事我国基础物理教育事业。那些有报负的应用物理专业学生，也应该敢于投身于基础教育领域，充分发挥自身的特长。

很多学科脱胎于物理技术的应用，现在又反过来为应用物理的研究创造了更好的条件，计算机技术目前正在逐渐渗入应用物理领域，计算机模拟物理实验，节省了大量的人力物力，这将为应用物理在新世纪迅速发展插翅添翼。