国家重点研发项目超30项！我国第三代半导体产业现状及发展趋势分析

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摘要

第三代半导体具备高频、高效、高功率、耐高压、耐高温、抗辐射能力强等优越性能，契合节能减排、智能制造、信息安全等国家重大战略需求，是支撑新一代移动通信、新能源汽车、高速轨道列车、能源互联网等产业自主创新发展和转型升级的重点核心材料和电子元器件，已成为全球半导体技术和产业新的竞争焦点。我国在高速轨道交通、新能源汽车、5G应用等第三代半导体关键市场的增速位居全球前列，为第三代半导体带来巨大的发展空间和良好的市场前景，将催生上万亿元潜在市场。

一、

第三代半导体产业概述

半导体行业经过近六十年的发展，半导体材料经历了三个时期的发展迭代。第一代半导体材料主要是指硅、锗元素等单质半导体材料；第二代半导体材料主要是指化合物半导体材料，如砷化镓、锑化铟；第三代半导体材料主要分为碳化硅SiC和氮化镓GaN，相比于第一、二代半导体，其具有更高的禁带宽度、高击穿电压、电导率和热导率，在高温、高压、高功率和高频领域将替代前两代半导体材料。

在第三代半导体材料中，目前发展较为成熟的是碳化硅（SiC）和氮化镓（GaN），这两种材料是当下规模化商用最主要的选择。GaN和SiC在材料性能上各有优劣，因此在应用领域上各有侧重和互补。GaN的高频Baliga优值显著高于SiC，因此GaN的优势在高频小电力领域，集中在1000V以下，例如通信基站、毫米波等 ；SiC的Keye优值显著高于GaN，因此SiC的优势在高温和1200V以上的大电力领域，包括电力、高铁、电动车、工业电机等；在中低频、中低功率领域，GaN和SiC都可以应用，与传统Si基器件竞争。

图1 半导体材料发展历程及主要特征

数据来源：火石创造根据公开资料整理

二、

我国第三代半导体产业发展情况

1．第三代已上升到国家战略层面，发展正当时

（1）中央政策护航产业发展

国务院、发改委、商务部、财政部、工信部、税务总局等国家部委先后在产业发展、营商环境、税收政策、示范应用等方面 出台政策，进一步支持我国第三代半导体产业的发展。其中，国家级的战略《长江三角洲区域一体化发展规划纲要》明确要求长三角区域加快培育布局第三代半导体产业，推动制造业高质量发展。

表1 国家部委关于第三代半导体的产业政策

数据来源：火石创造根据公开资料整理

（2）科技计划推动研发持续攻关

“十三五”期间，国家科技部通过“国家重点研发计划”共支持了第三代半导体和半导体照明相关研发项目超过 30 项，项目实施周期 3- 5 年。通过对第三代半导体基础研究及前沿技术、重大共性关键技术、典型应用示范的全创新链支持，科技计划对技术和产业发展起到了持续助推作用。

项目部署涵盖电力电子、微波射频和光电应用多个领域，紧贴产业发展实际需求和进程。在新能源汽车应用、电网应用前沿研究、光伏逆变器、小型化电源、农业应用、健康医疗应用、光通讯、紫外应用、激光应用、智慧照明等多个热点发挥了引导作用。

表2 正在实施的第三代半导体国家重点研发计划重点专项序号

数据来源：火石创造根据公开资料整理

同时，《国家重点研发计划重点专项2020年度项目申报指南(征31求意见稿) 》已完成征求意见工作，涉及第三代半导体的项目包括功率SiC芯片和器件在移动储能装置中的应用、在设施农业中紫外LED 应用模组和系统技术应用、高性能 μLED 芯片与显示关键技术研究、智能新能源汽车车载控制基础软硬件系统关键技术研究等，主要为第三代半导体应用的高新领域。

2.第三代半导体驶入成长快车道，市场规模稳步增长

（1）第三代半导体市场规模稳速增长，市场空间巨大

受5G、新能源汽车、绿色照明、快充等新兴领域蓬勃发展及国家政策大力扶持的双重驱动，2019年，我国第三代半导体市场规模达到94.15亿元，预计未来3年中国第三代半导体市场规模仍将保持85%以上的平均增长速度，到2022年将达到623.42亿元。

从第三代半导体衬底材料市场规模来看，2019年，我国第三代半导体衬底材料市场规模达到7.86亿元，同比增长31.7%。《2020“新基建”风口下第三代半导体应用发展与投资价值白皮书》认为，受下游应用释放及国家政策大力扶持推动，我国第三代半导体衬底材料市场继续保持高速增长。预计未来3年中国第三代半导体衬底材料市场规模仍将保持20%以上的平均增长速度，到2022年将达到15.21亿元。

图2 2017-2022年中国第三代半导体衬底及器件市场规模及预测（单位：亿元）

数据来源：火石创造根据公开资料整理

图3 2017-2022年中国第三代半导体衬底及器件市场增长率及预测

数据来源：火石创造根据公开资料整理

SiC/GaN衬底材料方面，2019年氮化镓衬底已实现2-3英寸衬底小批量产业化，4英寸可提供样品；用于电力电子器件的硅基氮化镓外延基本实现6英寸产业化和8英寸材料的样品研发。碳化硅衬底4英寸导电和半绝缘衬底已实现产业化，6英寸导电衬底小批量供货，已经研制出8英寸衬底；碳化硅同质外延目前商业化的尺寸为4-6英寸等。

从第三代半导体器件市场规模来看，2019年，我国第三代半导体器件市场规模达到86.29亿元，增长率达到99.7%。至2022年，第三代半导体器件市场规模将达到608.21亿元，增长率达到78.4%。未来三年，SiC材料将成为IGBT和MOSFET等大功率高频功率半导体器件的基础材料，被广泛用于交流电机、变频器、照明电路、牵引传动领域，预计到2022年SiC衬底市场规模将达到9.54亿元。未来随着5G商用的扩大，现行厂商将进一步由原先的4G设备更新至5G。5G基地台的布建密度更甚4G，而基地台内部使用的材料为GaN材料，预计到2022年GaN衬底市场规模将达到5.67亿元。

（2）国内第三代半导体产业版图初现

从第三代半导体产业区域布局来看，近年来全国各地布局发展第三代半导体，第三代半导体产业发展初步形成了京津冀鲁、长三角、珠三角、闽三角、中西部等五大重点发展区域。北京、河北、山东、浙江、江苏、广东、福建、重庆、成都、陕西等省市均着手布局，并发展起多个产业集聚区，有序推动第三代半导体产业发展，包括北京顺义第三代半导体创新产业集聚区、山东济南宽禁带半导体产业小镇、深圳坪山第三代半导体产业集聚区等。

在5G、新能源汽车、能源互联网、轨道交通、国防装备等下游应用领域快速发展带动下，从2015 年下半年至2019年底，已披露的第三代半导体项目投资总额来看，五大地区的投资额占比分别为长三角区域（43%）、中西部区域（25%）、京津冀鲁区域（12%）、闽三角区域（11%）、珠三角区域（3%）。长三角地区第三代半导体产业集聚能力凸显，投资总额 715亿元，其中，2019年投资总额超过107亿元。SiC 功率器件投资方向主要集中在新能源汽车领域。GaN 外延及器件投资方向主要集中在UV LED、Micro LED、5G 射频器件等领域。

图4 2015 年下半年-2019 年各区域项目投资分布情况

数据来源：火石创造根据公开资料整理

三、

第三代半导体产业竞争格局

1. 国际巨头加速布局，竞争格局雏形

2019年全球半导体产业整体处于低迷期，但第三代半导体技术、产品、市场、投资均呈现较高增长态势。各巨头的战略行动导致竞争格局逐步成型。据报道，安森美、罗姆、英飞凌、意法半导体、科锐等国际企业纷纷加强在第三代半导体领域的布局，通过调整业务领域，扩大产能供给，整合并购，增强竞争能力。全球迎来扩产热潮，碳化硅成为巨头布局热点，产能大幅增加。中游企业开始提前锁定上游材料货源，科锐与除罗姆之外的主要半导体器件厂商都签订了长期供货协议。车企牵头，第三代半导体产品逐渐进入各汽车集团的主流供应链。产品供应上量，价差持续缩小，碳化硅、氮化镓产品性价比开始凸显，部分产品与硅产品的价差已经缩小。

整体来看，2019 年以科锐巨幅扩产为标志，国际半导体巨头纷纷在该领域加速，一方面将推动 SiC、GaN 等材料在市场渗透加速，另一方面可以初步窥见未来几年第三代半导体领域的竞争格局雏形。

2. 国内企业竞相卡位，第三代半导体产业跑出加速度

在新基建的加持下，国内龙头企业纷纷加强在第三代半导体领域的布局，通过调整业务领域，扩大产能供给，整合并购，增强竞争能力。

2020年3月，浙江博方嘉芯集成电路科技有限公司氮化镓射频及功率器件项目参与浙江嘉兴南湖区一季度重大项目集中开竣工活动，4月10日正式桩基开工。该项目总投资25亿元，将引进6英寸晶圆生产线兼容4英寸氮化镓生产线设备，项目分两期实施，预计一期明年投产；6月16日，三安光电公告宣布，将在长沙投资建设包括但不限于碳化硅等化合物第三代半导体的研发及产业化项目，包括长晶—衬底制作—外延生长—芯片制备—封装产业链，投资总额160亿元。7月20日，长沙三安第三代半导体项目开工。三安光电160亿项目刚落地，又一个百亿项目随后而至。8月9日，露笑科技宣布，将与合肥市长丰县人民政府在合肥市长丰县共同投资建设第三代功率半导体（碳化硅）产业园，包括但不限于碳化硅等第三代半导体的研发及产业化项目，包括碳化硅晶体生长、衬底制作、外延生长等的研发生产，项目投资总规模预计100亿元；8月17日，天科合达第三代半导体碳化硅衬底产业化基地建设项目正式开工。该项目是天科合达自筹资金建设的用于碳化硅晶体衬底研发及生产的项目，总投资约9.5亿元，总建筑面积5.5万平方米，新建一条400台/套碳化硅单晶生长炉及其配套切、磨、抛加工设备的碳化硅衬底生产线，计划于2022年年初完工投产，建成后可年产碳化硅衬底12万片。

还有华润微、赛微电子、闻泰科技、士兰微、扬杰科技、亚光科技、聚灿光电等一众知名上市公司亦正在布局第三代半导体产业。如华润微正在进行氮化镓与碳化硅器件的研发与生产，2020年7月华润微宣布正式向市场投放1200V和650V工业级SiC肖特基二极管功率器件产品系列，同时其6英寸商用SiC晶圆生产线正式量产。

四、

第三代半导体产业发展前景与展望

中国经济发展面临的内外部环境更趋复杂，经济下行压力持续增大。2020年年初开始的新型冠状 病毒肺炎疫情蔓延，加大了中国经济面临的不确定性，2020年的经济总体判断“谨慎乐观”，中国银行预测中国经济GDP增幅很可能会低于 6%。在此背景下，对于2020~2023年的第三代半导体产业我们总体判断是整体向好。从终端情况看，受5G新机发布、换机需求拉动，预计2020~2023年将是消费电子大年；从云端来看，云厂商资本支出回暖，2020年数据中心等硬件业绩展望相对乐观。此外，汽车电子、物联网领域需求有望快速成长，带动半导体行业重回增长轨道。未来，随着政策、技术、产品、企业、市场各要素持续大量投入，第三代半导体产业进入快速发展期。

2020 年是“十三五”和“十四五”承上启下的关键时期，第三代半导体机遇与挑战并存，尽管与国际巨头仍有差距，但中国作为全球最大的半导体消费市场，在市场风口到来、产业火热加码布局等利好因素加持下，国内第三代半导体产业正在进击前行。随着相关企业持续扩增产能、降低生产成本、提高产品可靠性，国产第三代半导体器件在下游应用市场的渗透率将日渐提升，进一步推动国产替代进程。到2030年，我国全产业链达到国际先进水平，在光电子、电力电子和微波射频等领域全面得到规模化应用，第三代半导体器件国产化率超过70%。

—END—

     作者 | 黄芳

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