以第三代半导体材料为基础的新兴技术正迅速崛起，其技术及应用的突破成为全球半导体产业新的战略高地。以碳化硅、氮化镓宽禁带化合物为代表的第三代半导体材料凭借其高频、高效、高功率、耐高压、耐高温、抗辐射能力强等优越性能，展现巨大的市场前景，正成为全球半导体市场争夺的焦点，国内外第三代半导体技术、产品、市场、投资均呈现较高增长态势。
安世半导体全球研发副总裁、I&M事业部总经理Jayson Jiang
2021年12月，在由第三代半导体产业技术创新战略联盟、中关村半导体照明工程研发及产业联盟主办的“2021第三代半导体创新发展峰会”上，高效功率氮化镓（GaN）和碳化硅（SiC）供应商安世半导体全球研发副总裁、I&M事业部总经理Jayson Jiang，带来了“国际第三代半导体发展现状及趋势”的主题报告，详细分享了当前国际第三代半导体市场与技术的最新发展态势与展望。
“危”与“机”并存 国际第三代半导体市场角力进行时
当前，国内第三代半导体产业发展面临复杂的内外部环境，过去一两年中，伴随着新冠疫情蔓延，世界经济衰退，中美贸易战导致逆全球化产生，国际上第三代半导体企业纷纷进行产能扩张，建立技术壁垒。不过，随着新能源汽车、 5G等产品市场爆发，下游企业考量供应链安全、国家政策支持和资本市场活跃也为第三代半导体发展提供了很好的机遇。
从全球来看，2020年底SiC与GaN市场规模已达8.5亿美元，2029年将达51亿美元，其中SiC占据超过70%份额。应用领域层面，新能源汽车需求持续增长，至2029年市场规模将超21亿美元，占比大于40%。
国际企业大力完善产业布局，强化竞争优势以抢夺日渐增长的市场份额。其中，Wolfspeed出售LED照明业务，专注SiC电力电子和GaN射频；收了Infineon的射频（RF）功率业务，巩固射频市场优势地位；在北卡罗来纳州总部建设超级材料工厂（8英寸SiC衬底），在纽约州建设8英寸SiC电力电子和GaN射频产线。2024年前，共投资10亿美元，产能扩充30倍。
ROHM于2009年收购SiCrystal，延伸至上游SiC衬底；2018年在筑后工厂新建6英寸SiC晶圆产线，2020年投产，产能约15万片/年；2024财年前将进行约600亿日元投资，产能扩充16倍，预计2025年在SiC功率半导体市场将能获得30%左右的市场份额。其它跨国公司包括ST、Infineon等都在进行收并购、产业链上下游整合等一系列举措，安世半导体也通过收购英国晶圆厂Newport Wafer Fab提升了在第三代半导体产品领域的IDM能力，2022年安世半导体的SiC、GaN等产品都将逐步量产。
“你追我赶” 国际SiC和GaN技术持续提升
跨国企业纷纷加快布局，持续提升技术水平。SiC衬底和外延方面，部分器件企业选择延伸切入该领域，以增强整体服务能力，安世半导体汉堡晶圆厂已部署Aixtron MOCVD设备，采用G5 WWC技术进行SiC外延批量生产。技术进展方面，8英寸是未来发展方向。6英寸SiC衬底产品实现商用化，几大主流厂商均推出8英寸衬底样品，微管密度达到0.6cm-2，预计5年内8英寸将全面商用。SiC外延6英寸产品实现商用化，已经研制出8英寸产品，可满足中低压、高压、超高压功率器件制备要求。
SiC器件方面，SiC二极管的挑战和难度在不断增加。国际上有超过20家公司量产SiC二极管系列产品，击穿电压主要分布在600V-3300V，单芯片导通电流最高达109A（Littelfuse，1200V/109A）。2020年共有约800款SiC SBD产品在售，中高压商业化产品逐年增多。2021年第四届进博会上，安世半导体推出首款工业级650V/10A SiC肖特基二极管，并计划持续扩充SiC二极管产品组合，预计推出总共72款在650V和1200V电压、6-20A电流范围下工作的工业级部件和车规级部件。
SiC晶体管方面，国际企业密集推出新一代的SiC MOSFET。Wolfspeed、ROHM、Infineon等均已推出车规级SiC MOSFET产品，与国内产品相比，其元胞尺寸更小、比导通电阻更低、阈值电压更高。
SiC功率模块方面，代表企业有Wolfspeed、Infineon、ROHM、安森美、三菱电机、富士电机、日立、Semikron等。目前SiC功率模块最大电流容量达到1200A，最高工作温度达到250℃。企业通过新技术（纳米铜，银烧结，铜烧结，etc）、新材料（BN, AMB）、新型封装形式（STPAK etc）等多方面技术创新来提高模块性能。
GaN单晶衬底方面，美、日、欧均已量产2英寸GaN单晶衬底，日本成功研制了4英寸GaN衬底，并突破了6英寸关键技术，代表企业有住友电工、三菱化学、古河机械等。
GaN外延各技术路线均有较大进展，关键驱动因素是技术稳定性和成本。GaN电力电子应用方面，Si基GaN外延片主流尺寸为6英寸；蓝宝石基GaN外延片尺寸为4英寸；GaN基GaN外延片主流尺寸2英寸，NexGen Power Systems和Odyssey Semiconductor已经推出了商业化外延产品以及沟槽型电力电子器件。
GaN射频应用方面，SiC基GaN外延片4英寸和6英寸并存，6英寸代表企业有Wolfspeed、Qorvo、NXP，4英寸代表企业为住友电工；Si基GaN射频应用属于非主流路线，但其成本优势在未来有较大竞争力，外延尺寸4英寸和6英寸并存。
GaN光电子应用方面，LED照明市场以及紫外LED用蓝宝石基GaN外延片主流尺寸为4英寸；Mini/Micro-LED市场主推Si基GaN技术，实现8英寸外延产品的产业化；蓝/绿光激光器GaN基GaN外延片主流尺寸2英寸，代表企业有日本日亚化学、德国欧司朗等。
GaN电力电子器件方面，已经形成批量的GaN电力电子产品供货能力。国际上6英寸工艺产线成熟，有超过10家公司量产GaN电力电子产品，其中安世半导体在推出了650V工业级的GaN产品后，也将GaN芯片引入散热更好、寄生电感更低的新型封装，打造完全符合车规要求的产品。在2021年第四届进博会上，安世半导体展示了大批GaN产品，包括如采用安世35千瓦GaN功率组件的新能源汽车电机控制器、50千瓦动力系统逆变器、3千瓦GaN DCDC车载充电器、4千瓦GaN无桥图腾柱PFC等。其中，采用安世35千瓦氮化镓GaN功率组件的新能源汽车电机控制器由上海汽车电驱动和安世半导体联合研制，是中国首款满足量产级的新能源汽车GaN电机控制器。Mouser数据显示，约150款GaN HEMT系列产品在售。
GaN射频器件/模块方面，产品线持续扩充完善，各类技术并行发展。截至2020年底，在售GaN射频器件和功率放大器共计519款，GaN射频器件最高工作频率18GHz（Wolfspeed），输出功率最高达到1862W（1.0-1.1GHz，Qorvo）；GaN功率放大器最大功率达到800W，最大工作频率为38GHz。
SiC基GaN器件是射频市场主流产品和技术解决方案。国际主流尺寸4-6英寸，4英寸产线代表企业为日本住友（Sumitomo）和台湾稳懋，在6GHz以内各频段都有标准产品。6英寸产线主要集中在美国，代表企业Wolfspeed、Qorvo和NXP，在0.5GHz-6GHz工作频段内输出功率为10W-1400W。
Si基GaN射频器件并非主流方案，但考虑其成本优势，也有不少企业在布局，产线主要为4英寸/6英寸。代表性国际企业为美国MACOM公司，有4、6、8英寸Si基射频GaN器件工艺，其0.5?m工艺提供DC到6GHz分立器件与放大器模块，5W 6GHz的分立器件，效率>50% @ 5.8GHz。
GaN光电器件方面，国际上Mini/Micro-LED技术取得了较快速的进展。巨量转移效率不断提升，产品持续创新，市场发展迅速。其中，ALLOS开发出200mm及300mm的GaN-on-Si Micro-LED晶圆；闻泰科技基于安世ITEC全球领先的巨量转移技术和闻泰产品集成能力，成功开发出Mini/Micro LED直显和背光产品，目前首批样品已提供给多个汽车客户测试，反馈情况非常好；X-Display与Daktronics合作，加速巨量转移及显示应用技术开发；Plessey与Facebook合作打造Micro-LED, AR/VR显示应用，联手Compound Photonics开发0.26英寸Micro-LED显示器等等。
但当前Micro-LED要实现产业化仍有一些距离，需要解决高度一致性的外延技术、微米级的芯片制造工艺、超高效的巨量转移技术、全彩实现技术、TFT、驱动及背板设计、高效的坏点检测修复技术等难点。
小结：从全球第三代半导体产业格局来看，全球第三代半导体仍然由美日欧企业为主导:Wolfspeed、ROHM、Infineon、Mitsubishi和ST五家企业合计占有SiC功率半导体80%的市场份额;PI、Navitas、EPC、Transphorm、GaN systems、Infineon六家企业合计占有GaN功率半导体90%的市场份额;住友电工、Wolfspeed和Qorvo三家企业合计占有GaN射频85%的市场份额。
总体上，国际龙头企业大力完善产业布局，强化竞争优势，沿产业链上下游延伸趋势日益明显，全产业链布局进一步提升了其竞争优势。在这种形势下，国内企业如何破局是需要国内产业界必须思考和面对的问题。
