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第三代半导体材料的“心里话”

第三代半导体材料及应用产业(简称:三代半)成为近年国内产业界的热点,专家和市场分析师推波助澜,使它在投资界和金融市场人气爆棚,三代半似乎成了我们摆脱集成电路(芯片)被动局面,实现芯片技术追赶和超车的良机。弯道超车、换道超车、把前辈全面取代、将开启芯片新时代等词语在网文中频频出现,让人热血沸腾。各地三代半项目落地、政策出台、基地规划也层出不穷。专家认为已有低端项目重复,市场泡沫膨胀的迹象。三代半材料性能优异、未来应用广泛不假,但站在半导体和芯片大家庭的全局看,它是只是王的一部分疆土,我们要补上芯片短板,需要各疆域的科技和产业界人士不懈努力。
 
本文以虚幻的形式,请来第三代半导体材料这个三弟“说说”他的心里“话”。
 
我叫第三代半导体产业材料,用我可以制造高性能的电子器件和芯片,并广泛应用在许多重要领域,相关产业称之为第三代半导体材料产业,也可简称为第三代半导体产业,更甚者可简称为三代半(不是3.5代,别想歪了!)。下文我自称为三弟,因为我们家族还有二个哥哥。
 
实话告诉您,第三代半导体这种叫法在国内外学术界少有采用,严谨一点叫做宽禁带半导体。国内投资界和金融市场的分析师喜欢叫第三代半导体,三弟的想法是,这样可能更容易使股民产生像3G、4G、5G通信一样更新换代的联想,让投资者对投资前途充满想象空间和赚钱希望,呵呵!忽悠,继续忽悠!
 
一、首先我对我们三兄弟做个介绍吧
我大哥大约出生和实用于20世纪50年代,他叫第一代半导体材料,主要是指锗(Ge)和硅(Si)半导体材料,主要用于分立器件和芯片制造,在信息技术、航空航天、国防军工、硅光伏等领域应用极其广泛。当时,为了改善晶体管特性,提高其稳定性,半导体材料的制备技术得到了迅速发展。50年代Ge在半导体中占主导地位,直到60年代后期,它逐渐被Si基器件所取代。Si材料自然界蕴藏量大,大尺寸晶圆制备技术、芯片制造工艺成熟。使Si基芯片产业沿着摩尔定律快速发展,产业规模巨大。

 

 
图1. 硅(Si)材料制作的大规模逻辑芯片
 
我二哥大约出生并实用于20世纪80年代,他叫第二代半导体材料,主要是指化合物半导体材料,如砷化镓(GaAS)、锑化铟(InSb)。小众的材料还有三元化合物半导体材料,如GaASAl、DaAsP;固溶体半导体材料,如Ge-Si、GaAs-GaP等。在我被发现和利用之前,二哥也是因为相较于Si材料具有禁带宽度大、载流子浓度低、光电特性好、以及有耐热、抗辐射性能好等特性,主要用于制作高速、高频、大功率以及发光电子器件,也是制作高性能微波、毫米波器件的优良材料,广泛应用在微波通信、光通信、卫星通信、光电器件、激光器和卫星导航等领域。但是GaAS、InSb材料资源稀缺,深能级缺陷、大尺寸晶圆制备难、价格贵,并且还有毒性,污染环境,这些缺点使二哥的应用受到一定局限。
 

 

图2. 砷化镓(GaAS)材料制作的电子器件和芯片
 
三弟我大约出生并实用于本世纪初年,我是第三代半导体材料,主要是以碳化硅(SiC)、氮化镓(GaN)、氧化锌(ZnO)、氧化镓(GaO)、氮化铝(AlN)、金刚石为代表的具有宽禁带(Eg>2.3eV)特性的半导体材料,因此也被成为宽禁带半导体材料。经历了二十年的培育期后,才广泛用于制作高温、高频、大功率和抗辐射电子器件,应用于半导体照明、5G通信、卫星通信、光通信、电力电子、航空航天等领域。三弟已被认为是当今电子产业发展的新动力。
 

 

图3. 氮化镓(GaN)、碳化硅(SiC)材料制作的电子器件和芯片
 
大哥虽然出生早,几乎和国外洋娃娃同年代、同水平,新中国半导体产业布局和起步也很不错。但由于众所周知的十年动乱耽误,大哥和二哥后来都经历了开放以来最艰难的岁月——受国外高性能芯片的冲击。国内自己做芯片既辛苦,性能也不好,还死贵死贵。有价廉物美的芯片可买,人们为什么不用呢?所以,最后造成大量材料、设备和芯片相关的研究所和工厂转行或者关闭,人才流失严重,国外对中国芯片业的冲击可想而知。现在中国芯片业遭受美国“卡脖子”,有些人发问“为什么以前第一代、第二代没有搞好”?国外冲击和“有用即安”的现实就是答案。中国用庞大的市场培养了国外芯片技术的进步和成长,自己则远远落后了。
 
但是塞翁失马,焉知非福,也有人认为:改革开放以来,中国大量采用国外芯片和先进技术,短时间内大幅提升了科技水平和综合国力,培育了广阔的信息消费市场,使移动互联网、电子商务、移动支付等走在世界前列。如果闭关自守,这个进程可能要晚很多年,而且不会领先于西方(来源:浅黑科技qianheikeji的博文)。这样想来,三弟也觉得挺有道理,心情就释然了。这可稍稍安慰一下因大哥二哥落后于国外,三弟我忐忑不安的小心脏!
 
当年也有人预计二哥前途无量,大有取代大哥而独霸芯片界的潜能,但后来这种事情没有发生。后来,他的疆土到是有些被我慢慢蚕食(有点对不住……)。
 
 
 
图4. 三代半导体材料性能和应用领域对比(来源:中国知网CNKI)
 
二、三“代”不是三世同堂,我们是好兄弟一家人 
 
我们三兄弟的名字很长,特别是有一代、二代、三代之称谓,所以,人们以为我们是三代世家,我是孙子辈,第一代是爷爷,呸呸呸!我才不想当孙子。其实,大家看看我后边的“话”,就会明白这里的“代”没有下一代替换上一代的意思,因为性能不同,大家可以差异化发展。我们是好兄弟一家亲,不像移动通信1G、2G、3G、4G、5G五代家族那样,代代竞争改朝换代,总是后浪把前浪拍死在沙滩上。我们三兄弟因性能和性格不同,在各自领域享受着自己海风徐徐吹、阳光暖暖照的那一片蓝海。
 
如果把我们家族三兄弟发展看做是三赛道行车,其实三人是各行其道,只是起点不同。我们没有与国外洋娃娃弯道超车一说,更没有换道超车一说。事实上,你跑人家也跑,重要的是看谁资金投入更大,爆发力更强。没有这两个条件,单凭聪明和机巧,遇到弯道就想超车,说起了容易做起来难!
 

 

图5. 三代半导体材料各行其道,差异化发展
 
图5表示,老二未出生之前,大哥独挡一面,当时人们把大而易坏的电子管换掉时,觉得锗(Ge)和硅(Si)材料太好了,在所有应用领域都想尝试着使用他,所以大约在上世纪80年代之前,三条赛道上都有大哥的身影。只有在二哥诞生之后,二哥的优越性能更适合应用在高频、高速和低功耗微波器件和电路中。因此,在这些应用领域中,大哥被挤了出去。
 
相同的事情也在上世纪80年代到本世纪初上演,在特高压、特高频和特高温和抗辐射要求很高的应用中,我挤出了去了二哥。但在要求不太高的应用领域,经济性是第一考虑要素,这部分应用领域自然还由二哥占据。
 
所以,从2018年的时点上来看,我们三兄弟形成的产业销售额分别约为3500亿元、238亿元和64亿元。三弟我还是个小弟弟。我得意自己是块好钢,要用在刀刃上!例如在5G基站、相控阵雷大、电动汽车、高铁、智慧能源网、物联网、航天器等,都要用到基于我研制的高性能电子器件和芯片。
 
三、三兄弟都走在自己的大路上 
关于大哥目前情况,全球95%以上的半导体芯片和器件是用硅(Si)片作为基础功能材料而生产的。硅片占整个半导体材料市场的35%左右,市场空间约为80亿美元(来源:半导体行业观察ID:icbank),硅基芯片市场规模高达4000多亿美元。大哥的步子似乎变慢了,因为快走到了摩尔定律(Moore's Law)的尽头。但吉人自有天相,没准有一天人类又会发明类似FinFET的技术,可以拯救使他沿着摩尔定律继续向前发展。
 
二哥砷化镓(GaAS)制造厂商市场份额较大的五家公司分别是Skyworks、Triquint、RFMD、Avago、穏懋,约占全球总额的65%。而在GaAS原材料领域,IQE、全新、Kopin三家公司占据市场67.3%的份额。2012-2018年,中国GaAS元件市场经历了快速增长期。2018年,中国GaAS元件市场规模达到238.36亿元,同比增长3.72%。(来源:前瞻产业研究院)。 
 
三弟我更适合制作高压、高温、高频、高抗辐射及大功率器件,在新能源汽车、新能源发电、轨道交通、航天航空、国防军工等极端环境应用有着不可替代的优势(洋洋得意……)。我也有缺点, 碳化硅(SiC)晶体生长难度很大,虽然经过了数十年的研究发展,到目前为止仍只有美国的Cree公司、德国的SiCrystal公司和日本的新日铁公司等少数几家公司掌握了SiC的生长技术,能够生产出较好的产品,但离真正的大规模产业化应用也还有距离。中国三代半产业特点是市场需求大,应用走在前面,产业制约瓶颈是原材料。材料质量、制备亟待破解,设备依赖进口局面急需打破。
 
2019年是5G的元年,氮化镓(GaN)是实现5G的关键材料,在射频器件领域GaN占比超过30%,GaN市场规模约5.6亿美元。未来10年全球GaN市场将有望超过30亿美元。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,占了全球产量的70%~80%。2019年全球SiC市场规模约5.4亿美元。(来源:中国电子报、电子信息产业网)。国内SiC、GaN电力电子产业产值26亿元,5G商用与军工应用的带动,GaN微波射频产业产值38亿元(来源:第三代半导体产业发展报告(2019年))。
 
四、小结
虽然三弟我的势头正劲,有人认为我可以取代前面的大哥和二哥,独霸芯片王国,我认为在相当长的时间都是行不通的。大哥的优势是低压、微功耗、超大规模的逻辑芯片,例如CPU、GPU、AI、Memory、FPGA等。硅元素储量大,硅晶圆制备容易,这是他无可比拟的优势。他的市场规模达到4000多亿美元量级,我是望尘莫及呀。二哥的地盘,我可能会慢慢挤占一步分,不过他的产业基础营造了好多年,体量也比我大,如果没有价格优势,人们会说爱你不容易,(爱情)不是说换就能换。三弟我的优势是高压、高频、高温、高抗辐射,但材料相对较贵,主要用于研制高性能的器件,好钢要用在刀刃上(得意……)。所以,我们三兄弟应该错位发展,团结一致向前看,甩开袖子加油干,共同迎接中国芯片产业大发展的春天。
 
今天向各位看官说了我们家族“芯”事,希望能帮助大家对第三代半导体、集成电路(芯片)有个全面的了解。说的不对的地方,敬请请批评指正。
 
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