第三代半导体能否走出“芯”天地？

台海网10月27日讯 据厦门日报报道 最近，“芯片”“IC”“光刻机”“三代半”等成为热门话题，在股票市场上，第三代半导体概念股也成为股市的热点。因此，我们有必要了解什么是第三代半导体？第三代半导体有哪些用途？对我国国民经济有什么意义？

半导体材料发展经历三个阶段

半导体是导电能力介于导体和绝缘体之间的一大类材料，半导体材料经历了三个发展阶段，不同阶段出现的材料被称为第一代、第二代、第三代半导体材料。

第一代半导体又称为“元素半导体”，典型如硅基和锗基半导体。20世纪50年代，锗在半导体中占主导地位，到了20世纪60年代逐渐被硅（Si）取代。目前硅的制造技术最成熟，应用最广，至今全球95%以上的半导体芯片和器件仍是用硅片生产出来的，广泛应用于信息处理和自动控制等领域。以集成电路（IC）为核心的现代微电子工业的发展，促进了全球整个IT信息产业的飞跃发展。硅材料自然界蕴藏量大，制造工艺成熟，成本低，人们对其性能最了解，在硅的表面很容易制备二氧化硅薄膜，非常适合于平面集成电路的制备，它在低压、大规模逻辑器件如CPU（电脑和手机的中央处理器）、人工智能芯片等电子和微电子领域具有较大的优势。但它工作频率不高、抗辐射性能不强、耐热和耐高压性能较差、光电性能差，因此在光电子领域和微波通信等应用方面受到局限。

20世纪80年代出现的第二代半导体是化合物半导体，包含有砷化镓（GaAs）、磷化铟（InP）以及许多其他Ⅲ-Ⅴ族化合物半导体（由元素周期表ⅢA族和ⅤA族元素组成的一类半导体材料。如砷化镓、磷化镓等），具有高频、抗辐射、低功耗的特性，主要用于制作高频微波、毫米波器件以及发光电子器件，广泛应用于移动通信、光通讯、LED发光器件、激光器、GPS导航等，它引发了光电产业、互联网和移动通信的革命。但是砷化镓、磷化铟等材料中的镓和铟属于稀缺资源，且制造工艺难度较大，大尺寸晶圆制备难，成本较高，虽然它们在高频方面有优势，但在耐高温、大电流、大功率方面性能并无优势，并且有的还带有毒性，对环境有影响，使得第二代半导体材料的应用具有一定的局限性。

21世纪初出现的第三代半导体包含氮化镓（GaN）、碳化硅（SiC）等化合物，又被称为宽禁带半导体，也被简称为“三代半”。它与前两代相比，具有更宽的禁带宽度、更高的击穿电压、更高的热导率、更高的电子饱和速率及更高的抗辐射能力，更适合于制作高温、高频、大功率及抗辐射器件，可满足现代电子技术对高功率密度、高击穿电压、高频率响应，以及耐高温、抗辐射等在恶劣环境下工作可靠性的要求，因此，被认为是最有发展前景的半导体材料。但是由于制造工艺难度大、成本高，基于三代半材料的器件品种还较少，目前占半导体市场中的份额还很小。

半导体这三个所谓的“代”，并不是像移动通信3G、4G、5G那样“后一代替代前一代”的关系，而是新一代根据其特性在某些应用领域挤占了前一代的部分市场份额，同时也拓展了新的市场。它们各有各的优势，之间的关系与其说是“代”的关系，倒不如说是“兄弟”关系。

全产业链布局第三代半导体

我国是全球最大的半导体消费国，但我国的半导体产业发展相对滞后，产品80%以上靠国外进口，特别是高端芯片产品几乎完全依赖进口。目前，加快发展半导体产业已成为我国的一项重要战略任务。相对于第一代、第二代半导体，第三代半导体目前国际上尚处于起步发展阶段，我国追赶国际先进水平机会更大。虽然目前它的市场比重还比较小，但我国随着5G基建、特高压、城际高铁和城市轨道交通、新能源 汽车 充电桩、大数据中心、人工智能、工业互联网等“新基建”的开展，未来对高频、高压、高功率密度、高能效器件的需求将加大，第三代半导体在这些方面有着无可比拟的优势。这些高端需求将带动第三代半导体技术进步和相关产品的开发，可以预见当需求拉动叠加成本降低，第三代半导体应用将迎来爆发性增长。

在2016年国务院发布的《“十三五”国家 科技 创新规划》中，第三代半导体被列为国家面向2030年重大项目之一。厦门市也把第三代半导体产业列入着力培育的具有发展潜力的十大未来产业。近年来在中央和各地政府出台政策的大力支持下，以及伴随新能源、智能制造、人工智能、5G通信等现代产业兴起所带来的庞大市场需求的推动下，一大批行业龙头企业近年来纷纷展开大规模投资，以期赢得发展先机。目前国内厂商在第三代半导体有全产业链的布局，产业已呈现快速发展势头。

夯实第三代半导体产业基础

虽然第三代半导体有着诸多优异的性能，但它也不是“万用神丹”。例如，智能手机中的处理器、电脑中的CPU等，从目前看不太有可能换为第三代半导体材料，至少在相当长的时间里第三代半导体还不可能完全取代前两代。

第三代半导体是以宽禁带为标志，决定了它的制造难度不可能比前两代低，暂且不说它能否制成各种功能的替代芯片，就是生产同样功能的器件，第三代半导体对制造工艺和设备的要求也不可能更低，成本也难以更低。

第三代半导体无论是单晶生长、外延层生长还是器件制造，目前处于领先地位仍是美国、欧洲、日本。况且许多基础的半导体工艺技术是相通的，无论哪一代半导体都需要，而在这些基础方面人家比我们强，想跳过或绕过这些薄弱点弯道超车或换道超车，是不太现实且有风险的。产业的发展有其自然规律，我们可以通过政策、资金等推动加快发展，而不应是光想着跳过、绕过或其他取巧的方式。要改变我们在半导体芯片方面的被动局面，光靠第三代半导体是不够的，更不是一朝一夕就能实现的，需要上游的材料和设备，中游的芯片设计、制造和封测，下游的应用等全产业链较长时期的共同努力，补上我们在半导体基础技术、工艺、设备等方面的短板，夯实基础，才有可能实现在第三代半导体突破性发展。（厦门市老科协 供稿）

充电基础设施建设是“新基建”的重点建设方向。新基建所覆盖的领域主要包括以下七项：5G基站、人工智能、工业互联网、大数据中心、特高压、充电桩以及城际高速和轨道交通。伴随新能源车近年的高速发展，充电桩作为新能源车产业链的重要环节，有望在“新基建”发力下加速发展。

同时国网对于充电桩的布局也在加码，2020重点工作任务中多次提到充电行业。重点工作任务中强调：“大力拓展专用车充电市场，积极推广智能有序充电，车联网平台接入充电桩100万个，覆盖80%以上市场和用户。

近日从国网电商平台获悉，国网电动 汽车 2020年第二次充电桩设备采购项目已开标。这是国网电动 汽车 有限公司今年第二次招标，此前一次招标为2020年建设施工框架采购项目。国网系统内部人士表示，由于此前充电桩行业存在无序建设的情况，建设和运营情况均不甚理想，今年国网公司下了非常大的决心去主导这一轮充电桩建设布局，下一阶段预计还将公布更多的计划。

伴随新能源 汽车 市场发展，充电桩市场快速增长。2014-2019年，中国充电桩数量经历了从3万个到121.9万个的爆发式增长，CAGR 110%；其中，直流充电桩占比约为16.2%，对应公共直流充电桩数量累计值达到28.3万个。

充电基础设施作为新能源 汽车 行业发展的重要基础，长期滞后必将阻碍新能源 汽车 行业的成长。在确认为新基建的重要组成部分后，充电桩的建设量将快速提升，目前车桩比约为6:1，按照发改委和交通部的规划，充电桩目前仍存在200万根左右的缺口。

充电桩建设的大规模重启，将成为新能源 汽车 市场进一步发展的重要基础，推动新能源 汽车 行业整体持续快速发展。

根据功能划分，充电桩产业链从建设到运营涉及充电设备制造商、充电建设运营商、以及整体解决方案商，国内充电产业链上的这几类从业者往往身份重合、同时涉足多个功能领域，一些硬件制造商目前也开始涉及建桩运营业务。其中，国电南瑞、许继集团、特锐德、奥特迅等设备制造商，以及比亚迪、特斯拉等电动 汽车 制造商是推动充电技术进步的主体。

2014年民间资本涌入充电桩行业后，尽管一些业务模式暂未为企业带来稳定的收入、或者停留在实验和理论探讨阶段，但未来得益于电动 汽车 的快速放量，这些带有互联网思维的经营理念最终有可能迎来爆发，从而拓展充电桩行业的盈利模式和空间。

目前，随着互联网企业、 科技 公司、初创公司、以及诸多 社会 资本的介入，我国的充电桩行业已经形成了国有、民营、混合所有制并存的产业格局。

在上一轮洗牌下剩下的运营商2019年开始加速充电桩建设。公共充电桩运营领域，特锐德、星星充电和国家电网市场份额位居行业前三。截止2019年10月，全国规模化运营厂商（充电桩保有量≥1000个）22家，占充电桩保有量99.5%。前三大分别为特来电、星星充电和国家电网，保有量33.3万个，占比69.6%，前十大保有量44.4万个，占比93.0%。其中特来电（特锐德子公司）是国内最大的充电桩运营公司，市占率领先于同行，公共桩占比29%。

根据充电桩设备收入来计算，目前市场份额占比较高的公司包括国电南瑞、特锐德、易事特、万马股份等，国网充电桩建设大规模开启后，头部企业将率先受益。

从区域上来看，充电桩保有量基本与新能源 汽车 的销量和保有量呈现正相关的关系。排名最靠前的省份是广东、江苏、北京等，保有量均在5万以上。

充电桩是为电动 汽车 充电的专用电力设备，由桩体、电气模块、计量模块等部分组成，一般具有电能计量、计费、通信、控制等功能。充电桩主要安装于公共建筑（公共楼宇、商场、公共停车场等）、居民小区停车场或充电站内，输入端与交流电网直接连接，输出端都装有充电插头用于为电动 汽车 充电。

按充电方式分，可分为直流桩和交流桩两类。交流桩：俗称慢充桩，需通过车载充电机为电动 汽车 充电，功率小，充电速度较慢，但成本低，多用于小区充电桩。直流桩：俗称快充桩，直接为电动 汽车 充电，功率大，充电速度快，但成本较高。

根据GGII数据，直流充电桩平成本为0.8元/W，以目前市场主流的60kW直流充电桩为例，其成本约5万元/个；其中，IGBT成本占比约为20%， 历史 充电桩统计中直流桩占比约为15%~18%，对应中国充电桩行业2019年市场规模约为10.5亿元；根据中国充电联盟预测值测算，预计2020年市场规模有望达到6.8亿元。

充电桩主要零部件包括充电模块、主控制器、绝级检测模块、智能电表、刷卡模块、通信模模块、空气开关、主继电器和辅助电源开关等。

充电模块门槛较高，参与充电桩制造的上市公司中，以配电、UPS、电源系统等制造商为主，这些产品的特点是都涉及到了交直流转换和电能质量的控制，这与直流充电模块的核心技术本质上是相同的。

充电模块制造商，实际上都具有直流充电桩制造的核心优势。各个企业之间产品的主要差距，在于充电模块的转换效率。目前转换效率主要为94%-97%，均处于较高水平。各个企业之间的技术水平稍有差距，但是总体上看差距不大。

充电桩也是对功率半导体增长的驱动力之一。根据英飞凌的统计，一个100kW的充电桩需要的功率器件价值量在200-300美元。目前 汽车 充电桩的核心功率模块有两种：一种是采用IGBT芯片；另一种为采用MOSFET芯片。

国家能源局在《电动 汽车 充电基础设施建设规划》草案中提出，到2020年国内充换电站数量将达到1.2万个，充电桩达到450万个。中国产业信息研究院数据预计到2020年国内充电桩功率器件市场规模有望超过35亿元。

充电桩高功率快充是趋势。当前慢充功率7kW/14kW，单价在千元级；快充30kW/60kW，单价在万元级；未来TeslaV2功率120KW，V3功率250KW。慢充体系更多由主机厂、4S店、运营场景资源等组成。普通快充存在运营壁垒，未来能提供智能解决方案的公司比例会提升。

超高功率快充有技术壁垒，目前全球掌握该技术的有特斯拉和onity，后者是保时捷、BBA等车企的供应商。

2019年，特斯拉已在全球建立1604座超级充电站，14081个超级充电桩，而2017年只有约800座超级充电站，5000多个充电桩，两年时间数量接近翻倍。中国地区，Tesla的充电网络已经覆盖了130多座城市，超充电桩数量已累计突破1700个，搭配超过2100个目的地充电桩。

受益于我国电动 汽车 充电桩规划、政府补助以及新能源 汽车 应用的快速增长，我国新能源 汽车 充电设施行业面临巨大的发展空间。随着新基建加速落地，充电桩的招标和建设主体回归国网，市场份额将进一步向头部企业集中。后续地也有望延续或加强前期充电桩补贴，充电桩行业景气度在政策扶持下正逐步提升。

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