第三代半導(dǎo)體是中國“芯”崛起的希望嗎？

繼“集成電路產(chǎn)業(yè)”帶動中國在半導(dǎo)體行業(yè)的投資熱潮后，三代半導(dǎo)體如今逐步進(jìn)入人們的視線。今天我(作者)就以一個在三代半導(dǎo)體行業(yè)浸淫近15載的江湖中人角度給大家聊一聊，三代半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)在中國乃至世界的發(fā)展，以及這個行業(yè)的特點(diǎn)。

三代半導(dǎo)體材料的發(fā)展歷程

先掃掃盲吧。

首先要給大家聲明一下“半導(dǎo)體”可不是收音機(jī)和隨身聽的簡稱，以后隔壁老王你要是再敢提著你的破收音機(jī)來我家，讓我給你修理，當(dāng)心我把你好好修理一下，我這暴脾氣......。

從最初應(yīng)用算起，半導(dǎo)體材料已經(jīng)發(fā)展了三代，第一代是四五十年代開始以鍺、硅為代表的IV族半導(dǎo)體材料逐步發(fā)展起來，推動人類進(jìn)入電子時代晶體管收音機(jī)就是那個時代的產(chǎn)物，老王你明白了吧?

到了上個世紀(jì)六七十年代，III-V族半導(dǎo)體的發(fā)展開辟了光電和微波應(yīng)用，與第一代半導(dǎo)體一起，將人類推進(jìn)了信息時代。八十年代開始，以碳化硅SiC、氮化鎵GaN為代表的第三代半導(dǎo)體材料的出現(xiàn)，開辟了人類資源和能源節(jié)約型社會的新發(fā)展，催生了新型照明、顯示、光生物等等新的應(yīng)用需求和產(chǎn)業(yè)。

其實(shí)這些東西的真正應(yīng)用大約都經(jīng)歷了十幾年乃至二十年的培育期，所以大家對于半導(dǎo)體材料首先要有耐心，沒有耐心的人看到這里就可以去追劇了，不必在這里浪費(fèi)生命了。但是我要提醒你，你將失去參與改變?nèi)祟悮v史的機(jī)會!雖然你的離開從某種程度上也是改變了歷史，呵呵。

這里要特別說明一下氮化鎵GaN材料。

鎵是地球上存在的一種貴金屬材料，大約排名第十左右，中國儲量全球第一。作為三代半導(dǎo)體材料當(dāng)家花旦的氮化鎵，近二十年來，由于LED照明產(chǎn)業(yè)的發(fā)展推動，已成為三代半導(dǎo)體材料中的核心材料，在光電子方向LED從無到有，快速發(fā)展，直至現(xiàn)在發(fā)展到千億美元的規(guī)模，是一個新材料開發(fā)推動社會變革的典范。

另一個有實(shí)力的材料碳化硅材料的開發(fā)早在七十年代就有了，最近二十年，在材料質(zhì)量和制備方法上有了突破，逐步進(jìn)入了市場。在2001年，碳化硅二極管被開發(fā)出來之后，材料質(zhì)量逐步完善，器件性能和可靠性也在逐步改善。到目前為止，碳化硅的二極管以其優(yōu)異的性能和使用過程中展現(xiàn)的可靠性，已經(jīng)廣泛應(yīng)用在很多場合。

氮化鎵GaN和碳化硅同屬于第三代半導(dǎo)體材料。為了區(qū)別于氮化鎵已經(jīng)形成的LED產(chǎn)業(yè)，在產(chǎn)業(yè)中有人用第三代半導(dǎo)體指代除LED之外的第三代半導(dǎo)體材料應(yīng)用(可憐的LED被第三代半導(dǎo)體除名了，誰讓你總是光芒四射呢，當(dāng)然我們也可以理解為人家自立門戶去了，反正當(dāng)今LED主要的產(chǎn)業(yè)聚集在中國，世界LED聯(lián)盟的主席是中國人)。除了氮化鎵和碳化硅，第三代半導(dǎo)體材料還包含ZnO，GaO氧化鎵等。

既然LED已經(jīng)離三代半導(dǎo)體陣營而去了，我們在這里就不再敘述了，如果哪天大家有興趣，我可以抽時間把中國近15年的發(fā)展史給大家專門奉上。那其中的諸侯紛爭絕對可以做一本中國半導(dǎo)體照明戰(zhàn)爭史。

第三代半導(dǎo)體能做啥?

我們今天主要說說三代半導(dǎo)體簡稱三代半(可不是3.5代哦)到底能干啥?首先要告訴大家的是三代半并不是二代半和一代半導(dǎo)體的掘墓人，他只是在某些領(lǐng)域擁有比硅器件更有益的性能。所以并不是說一代新人換舊人，而是江湖輩有新人出。

如果把我們所認(rèn)知的半導(dǎo)體世界做一個簡單分類的話，目前可以分為邏輯類器件和功率器件。一個電子產(chǎn)品的核心部分有計算部分(比如CPU之類的)、存儲部分(比如內(nèi)存、硬盤之類的)還有就是提供電力輸送和控制的模塊。

形象的比喻的話，就是硅器件做的CPU和存儲就如同人的大腦，電源和電池就好比是人的心臟。而功率器件就好比是人的血液和神經(jīng)系統(tǒng)。而三代半導(dǎo)體就是在這個領(lǐng)域在未來取代部分的硅器件，為整個系統(tǒng)提供更加優(yōu)良的解決方案的核心材料。

經(jīng)過幾十年的發(fā)展，硅材料已經(jīng)接近完美晶體，對于硅材料的研究也非常透徹?；诠璨牧仙掀骷脑O(shè)計和開發(fā)也經(jīng)過了許多代的結(jié)構(gòu)和工藝優(yōu)化和更新，正在逐漸接近硅材料的極限，基于硅材料的器件性能提高的潛力愈來愈小。

以氮化鎵、碳化硅為代表的第三代半導(dǎo)體具備優(yōu)異的材料物理特性，為進(jìn)一步提升電力電子器件的性能提供了更大的空間。

下圖是Si、GaN、SiC以及GaAs材料基本物理性質(zhì)、以及多坐標(biāo)對比。如果你看不懂沒關(guān)系，這只是給大家分享一點(diǎn)直觀的數(shù)據(jù)。

表1， 三代四種半導(dǎo)體材料的基本物理參數(shù)

Si, GaAs和GaN三代半導(dǎo)體材料的多坐標(biāo)物理性能對比。

Si與GaN器件的電源系統(tǒng)效率比較。

看了上面的介紹，現(xiàn)在要講到關(guān)鍵問題了，就是這玩意兒到底用在哪里?有什么優(yōu)勢呢?為什么政府、科研、產(chǎn)業(yè)、資本都對它趨之若鶩。

套用業(yè)界一位大咖的話說，不論你們看重的是什么，政府首先看重的是節(jié)能。沒想到吧，似乎也只提高了3%-5%的效率，能節(jié)多少能呢?不過其實(shí)那只是一次轉(zhuǎn)換中節(jié)約比例。

設(shè)想我們?nèi)魏我粋€電子設(shè)備到最終實(shí)現(xiàn)功能，要經(jīng)過多少次這樣的轉(zhuǎn)化呢?“我覺得十次八次總要的吧。”“需要嗎?”“不需要嗎?”“需要嗎?”“不需要嗎?!”“我隨便說出來大家探討而已……需要嗎?”這么算出來，估計只要你的體育老師的數(shù)學(xué)水平還可以的話，你應(yīng)該可以大概知道系統(tǒng)節(jié)能比例可以高達(dá)15%以上。

然后才是高頻特性、高溫特性、高耐壓、高功率、小體積這些特性。每一個特性又對應(yīng)這無數(shù)種的應(yīng)用和排列組合方式。

下面該談應(yīng)用了。以下我講述的應(yīng)用僅僅是三代半導(dǎo)體應(yīng)用中能夠吸引眼球的的幾個方面，如果要全面的應(yīng)用介紹，麻煩大家自己百度一下類似的科普類好文，里面會有分類介紹。我這里講的全都是你心目中耳熟能詳而又高大尚的東西。

詳細(xì)應(yīng)用領(lǐng)域

我們先介紹體系，三代半可以應(yīng)用的領(lǐng)域可以分為射頻器件和電力電子器件兩類。說白了就是一個是搞微波(不是微博哦)通訊類的，一個搞供電模塊的。我們按照這個分類給大家介紹幾個明星應(yīng)用：

(1)相控陣?yán)走_(dá)

沒錯!就是這個老美引以為豪的東東，薩德我就不說了，來氣。相控陣?yán)走_(dá)中大量應(yīng)用了氮化鎵的射頻器件。軍工領(lǐng)域?qū)τ谌雽?dǎo)體的應(yīng)用層出不窮。包括氮化鎵和碳化硅的功率器件，未來也會發(fā)揮重要作用，這里面我就不多說了，“國家機(jī)密，以人民的名義”。

(2)5G通訊

硅材料作為通訊材料的老大哥，干到現(xiàn)在，真是有些干不動了，即便使出洪荒之力，也沒有辦法承擔(dān)5G通訊這么高的帶寬速度的重壓了。所以只有靠氮化鎵來完成了。美國Qorvo就是這個產(chǎn)業(yè)的先行者。

另外，目前國內(nèi)無論是華為、中興這樣的通訊企業(yè)，還是在這個行業(yè)蹲守苦干多年的專業(yè)射頻器件生產(chǎn)企業(yè)都盯住了這塊市場，可以預(yù)料在不久的未來，里面的廝殺將會達(dá)到白熱化，而市場利潤空間很大，但巨頭、寡頭也很多。小伙伴們你們準(zhǔn)備好了嗎?順便弱弱的問一句各位業(yè)界的CEO們：“如果華為準(zhǔn)備干這個器件，你怎么辦?”

(3)物聯(lián)網(wǎng)

馬云說過：未來互聯(lián)網(wǎng)會消失，物聯(lián)網(wǎng)會取而代之。真的是他說的嗎?管他呢!反正物聯(lián)網(wǎng)是一個未來的熱點(diǎn)，正在向我們走來，這里面，將充斥著三代半導(dǎo)體的射頻和功率器件。

(4)電動汽車

未來電動汽車的動力全要靠三代半導(dǎo)體的功率器件了，碳化硅、氮化鎵都會在電動汽車?yán)镉泻艽蟮氖袌觥H功率器件一項(xiàng)，每輛車就會增加大約300美元的需求。

(5)機(jī)器人

我的天，你是要把未來世界都劃進(jìn)來嗎?可是事實(shí)就是未來的機(jī)器人必然需要節(jié)能、小型化、大功率、高反應(yīng)速度的三代半器件。無論工業(yè)機(jī)器人、家用機(jī)器人、還是無人機(jī)。都孕育著巨大的市場機(jī)會。

(6)白色家電

雖然不是很高大上，但是白色家電的市場規(guī)模卻不容忽視，未來隨著智能家居技術(shù)的發(fā)展，白色家電和物聯(lián)網(wǎng)互聯(lián)網(wǎng)以及可穿戴設(shè)備的融合，使得這個行業(yè)充滿了新的機(jī)會。

(7)互聯(lián)網(wǎng)

終于說到互聯(lián)網(wǎng)了，這個時代如果一個產(chǎn)品不能和互聯(lián)網(wǎng)聯(lián)系在一起似乎就是一個沒有前途的產(chǎn)品。但是你有沒有想過互聯(lián)網(wǎng)是靠什么維持的呢?云計算、大數(shù)據(jù)如果沒有了三代半導(dǎo)體功率器件的支撐他們還能存在嗎?你知道在谷歌上搜索一個關(guān)鍵詞要花費(fèi)多少電力嗎?這些電力是被哪些器件供給那些有計算能力的機(jī)器的呢?

(8)新能源

各種新能源逆變器和輔助設(shè)備。

(9)高鐵

央視報道的IGBT，號稱高鐵的中國芯。未來隨著三代半導(dǎo)體技術(shù)的發(fā)展，硅的IGBT被替代的日子應(yīng)該不遠(yuǎn)了。

總之，三代半導(dǎo)體器件如同建筑行業(yè)的鋼筋水泥一樣，遍布在這個電力電子產(chǎn)品充斥的社會的每一個角落。嚴(yán)格的講，不是互聯(lián)網(wǎng)改變了世界，而是半導(dǎo)體改變了世界近幾十年的發(fā)展。但是這個產(chǎn)業(yè)的是否如同互聯(lián)網(wǎng)一樣光鮮亮麗呢?提到半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)，多數(shù)人都會表示：比較沉重。

國外的知名玩家

最后還是要介紹一下這個行業(yè)的生態(tài)浮世繪，都誰在玩呢?傳統(tǒng)的功率器件國際上的巨頭是英飛凌。當(dāng)中也不乏各種日本企業(yè)和美國企業(yè)，大家有興趣可以看看下面的圖，不過2015年起這個行業(yè)開始各種并購，這張圖已經(jīng)完全不能夠適應(yīng)當(dāng)今時代的發(fā)展了。關(guān)于這個行業(yè)并購的內(nèi)幕和重要事件，我會找時間從投行的專業(yè)角度再給大家介紹。

但是三代半導(dǎo)體也是有自己的朋友圈的，由于國際巨頭對于硅器件市場的保護(hù)，這些大家伙們往往采用的技術(shù)上緊鑼密鼓，產(chǎn)品上按兵不動的思路。誰也不想用自己的刀割自己的把啊!況且，由于他們對于化合物半導(dǎo)體材料的技術(shù)儲備也不處于多么大的優(yōu)勢，所以三代半導(dǎo)體行業(yè)還涌現(xiàn)出了一些后起之秀。其中也不乏來自中國的企業(yè)。

三代半導(dǎo)體的氮化鎵功率器件國際浮世繪是這樣的：

三代半導(dǎo)體碳化硅的國際浮世繪沒有找到，我也就不費(fèi)勁畫了，抱歉。三代半導(dǎo)體的射頻器件由于比較敏感，我也不敢在這里多說了。但正如前面所說，由RFMD和超群合并而成的美國Qorvo等公司，正是當(dāng)中的先行者。

國產(chǎn)的缺失

沉重的來源在于我們在第一代和第二代半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)中，始終是一個小學(xué)生，落后世界先進(jìn)水平20年之多。雖然我們在努力趕上，但目前看來，也許我們可以成為這個行業(yè)的制造大國，卻很難成為這個行業(yè)的強(qiáng)國。動輒幾百億的投資，也讓整個行業(yè)喘不過氣來。

三代半導(dǎo)體的出現(xiàn)，似乎給了我們一個可以在國際半導(dǎo)體領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)彎道超車的機(jī)會，主要有以下幾個事實(shí)：

1.三代半導(dǎo)體出現(xiàn)于改革開放初期，中國剛剛走向那新時代。我們唱著東方紅，改革開放富起來。中國的科研力量開始回復(fù)正常，所以我們并沒有像第一和第二代半導(dǎo)體一樣，由于某些大家熟知的原因，我們起個大早趕了個晚集。

2.LED的發(fā)展使得中國具備了發(fā)展三代半導(dǎo)體，特別是氮化鎵的產(chǎn)業(yè)基礎(chǔ)。雖然LED和功率半導(dǎo)體隔著行，但是畢竟中國在這個領(lǐng)域里取得了驕人的戰(zhàn)績。全球主要的制造設(shè)備，產(chǎn)業(yè)鏈配套、技術(shù)人員都云集在中國。

3.中國在微電子硅領(lǐng)域已經(jīng)進(jìn)行了二十多年的產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程，雖然我們在微電子方面離世界水平還有一段距離，但三代半功率器件恰恰用的是微電子的6英寸、8英寸線的工藝。對于加工精度的要求在微電子領(lǐng)域是小兒科的技術(shù)。這為中國發(fā)展三代半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)提供了相對強(qiáng)大的產(chǎn)業(yè)能力。

4.中國是世界上最大的器件市場，強(qiáng)大的市場拉動，使得全球任何一家第三代半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)公司都把中國列為重要的市場。也為中國企業(yè)發(fā)展這個產(chǎn)業(yè)創(chuàng)造了近水樓臺的機(jī)會。

最后談下與錢相關(guān)的吧，這個行業(yè)的市場規(guī)模估計有也就幾百億美元吧，如果打“一億漂十億”的小麻將估計一晚上都支持不下來。但是如果按照產(chǎn)業(yè)拉動來算的話，未來大約會形成5000-10000億美金的市場規(guī)模。簡而言之，就是天花板很高，大家都有飯吃。目前，投入這個行業(yè)里的資金多說也就十億美金吧。投資規(guī)模還趕不上一個硅的12寸線。所以，這里是一個充滿機(jī)會的藍(lán)海，但是風(fēng)浪也很大，沒有有經(jīng)驗(yàn)的水手，光有錢是不行的。

希望國內(nèi)各位入局第三代半導(dǎo)體的廠商能夠幫助國產(chǎn)半導(dǎo)體沖出一片新天地。