第三代半导体：重塑全球制造业的新引擎

第三代半导体：重塑全球制造业的新引擎

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前瞻网

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https://bg.qianzhan.com/report/detail/300/240426-9b088a72.html

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随着新一轮科技革命和产业变革的深入发展，新材料技术成为推动全球经济和社会发展的新引擎。其中，第三代半导体以其优异性能，在高速列车、智能电网、5G通信等领域展现出巨大潜力，正逐渐改变全球制造业格局。富士通、英飞凌、三菱等跨国公司已初步完成产业布局并开发出新一代产品，抢占了市场先机。中国也在积极布局这一领域，力求在新材料产业发展中占据一席之地。

半导体材料是现代电子产业的基石，而第三代半导体则是继硅（Si）和砷化镓（GaAs）之后，迅速发展起来的宽禁带半导体材料。主要包括碳化硅（SiC）和氮化镓（GaN），具有带隙宽度大（≥2.3eV）、击穿电场高、热导率高等特点，特别适合在高温、高压和高频环境下工作。

与传统的硅基半导体相比，第三代半导体具有显著的技术优势：

• 耐高压：击穿电场强度是硅基材料的10倍以上，适用于高压环境。
• 耐高温：极限工作温度可达600℃以上，远超硅器件的300℃。
• 高热导性：碳化硅的热导率是硅的3倍，散热性能更优。
• 高频性能：电子漂移速度是硅基材料的2倍，可实现更高的工作频率。

这些特性使得第三代半导体在多个领域展现出广阔的应用前景：

5G通信领域的革新

5G技术对射频器件提出了更高的要求，传统的横向扩散金属氧化物半导体（LDMOS）无法适应5G的高频率需求。而氮化镓（GaN）射频器件具有以下优势：

• 适应频率范围更广，可达40GHz以上
• 具有软压缩特性，更容易预失真和线性化
• 功率密度是LDMOS的4倍
• 封装尺寸仅为LDMOS的1/4到1/7

目前，GaN基高功率微波放大器件已广泛应用于5G基站。随着5G建设的推进，对GaN射频器件的需求将持续增长。预计到2025年，中国5G网络建设投资累计将达1.2万亿元，带动相关投资超过3.5万亿元。

新能源汽车的革命

在新能源汽车领域，碳化硅（SiC）电力电子器件展现出显著优势：

• 相比硅基IGBT，能量损耗减少77%-85%
• 续航里程提升5-10%
• 电池成本节省超过400美元

主要应用包括：

• 低压直流/直流转换：需要650V及以下的肖特基势垒二极管（SBD）器件
• 车载充电机（OBC）：需要1700V以下的SiC MOSFET
• 主驱系统：需要电压1200V、电流100A以上的功率模块

此外，在智能电网、光伏逆变器、轨道交通等领域，第三代半导体也展现出巨大的应用潜力。

目前，全球第三代半导体产业呈现出明显的区域和企业竞争格局：

美国：技术领先者

• 碳化硅衬底：科锐（Cree）一家公司就占据全球60%以上的市场份额
• 氮化镓射频器件：科锐在GaN-on-SiC技术方面处于领先地位

日本：产业链优势

• 设备和功率模块：富士电机、三菱电机等企业在SiC半导体设备和功率模块方面优势明显
• 射频器件：住友电工是全球率先量产氮化镓衬底的企业，也是华为GaN射频器件的主要供应商之一

欧洲：外延片和器件优势

• 衬底和外延片：瑞典Norstel、德国英飞凌等企业在SiC衬底和外延片方面具有较强实力
• 封装测试：瑞士意法半导体在相关领域具有优势

中国：全产业链布局

中国在第三代半导体领域已形成完整的产业链布局：

• 衬底材料：天岳先进、天科合达等企业可供应3-6英寸单晶衬底
• 外延生长：瀚天天成、普兴电子等企业专注于碳化硅外延生长
• 器件制造：派恩杰、基本半导体等企业在碳化硅功率器件方面有所布局
• 氮化镓单晶生长：纳威科、中镓半导体等企业专注氮化镓材料

第三代半导体的兴起正在重塑全球制造业格局：

供应链重构

• 新能源汽车产业链：碳化硅功率器件的广泛应用将推动汽车供应链的变革，从传统燃油车向电动车转型。
• 5G通信设备：GaN射频器件的普及将改变通信设备的供应链结构，推动基站设备向小型化、高效率方向发展。

产业转移

• 亚太地区崛起：作为最大的应用市场，亚太地区在第三代半导体产业链中的地位日益重要。
• 中国角色增强：中国在全产业链布局和市场规模方面的优势，使其在全球供应链中的地位不断提升。

技术创新与竞争

• 大尺寸晶圆技术：8英寸碳化硅晶圆已成为行业主流，12英寸技术正在研发中。
• 成本降低：通过技术进步和规模效应，第三代半导体器件的成本正在快速下降。

中国在第三代半导体领域已取得显著进展：

• 市场规模：2022年我国第三代半导体市场规模达141.7亿元，预计2029年将超900亿元。
• 产业链完整：从衬底、外延到器件制造，已形成完整的产业链布局。
• 政策支持：被列入“十四五”规划重点发展领域，获得国家政策的大力支持。

但同时也面临挑战：

• 核心技术仍需突破：在大尺寸晶圆、高质量外延生长等关键环节与国际先进水平仍有差距。
• 高端人才短缺：高端研发人才和产业技术人才的培养亟待加强。
• 国际竞争加剧：美、日、欧等国家和地区都在加大研发投入，竞争日益激烈。

第三代半导体作为战略性新兴产业，将对全球制造业产生深远影响。随着技术的不断进步和成本的持续下降，其应用领域将进一步拓展。中国在这一领域的发展，不仅关系到自身产业转型升级，也将影响全球制造业的格局。未来，通过持续的技术创新和国际合作，第三代半导体有望为全球经济注入新的活力。