第三代半导体，下游应用迭起及碳中和引领发展热潮

近日，意法半导体发布最新一代碳化硅(SiC)功率器件，并坚定将持续长期投资SiC市场。具备节能潜能的 SiC 功率 MOSFET，非常适合电动汽车和工业应用。新一代SiC 器件专为适用 800V驱动系统的高端汽车应用进行了设计优化，包括电动汽车动力电机逆变器、车载充电机、DC/DC变换器和电子空调压缩机，可加快充电速度、减轻电动汽车重量，并获得更长的续航里程。这款产品还适合工业应用，可提高驱动电机、可再生能源转换器和储能系统、电信电源、数据中心电源等应用的能效。

意法半导体大力投入的碳化硅材料，具备耐高压、耐高温、高频、抗辐射等优良电气特性，突破硅基半导体材料物理限制，是第三代半导体核心材料。

第三代半导体一般指禁带宽度大于 2.2eV 的半导体材料，也称为宽禁带半导体材料。

碳化硅（SiC）材料的禁带宽度大约为硅材料的三倍，且极限温度远超硅材料，这些物理特性使得碳化硅材料更好地应用于高压、高温环境。此外，相比于硅基器件，同性能的碳化硅器件尺寸更小、重量更轻、能量损耗更少。在高温、高压、高频领域，碳化硅将逐步替代硅器件，如 5G 通讯基站、轨道交通、特高压输电、新能源汽车等领域。

氮化镓（GaN）作为第三代半导体具有宽带隙（3.4 eV）、击穿场强大（3.3 MW / cm）、电子饱和漂移速度高（2.7 * 107 cm / s）等物理结构优势。在以往的半导体材料中，Si 是目前集成 电路及半导体器件的主要材料，但其带隙窄，击穿电压低，在高频高功率器件的应用上效果不佳。以 GaAs 代表的第二代半导体材料由于电子迁移速率高，抗辐射等优点在微波通信领域有着重要的应用价值，是目前通信用半导体材料的基础。而 GaN 相较前两代半导体材料具有更大的禁带宽度和击穿电压，同时化学稳定性高，能够耐高温、耐腐蚀，因此在光电器件以及高频高功率电子器件应用上具有广阔的前景。

01 下游应用迭起+绿色能源需求+后摩尔时代驱动第三代半导体大发展

下游应用迭起，第三代半导体因物理性能优异竞争力极强

新能源汽车等带动第三代半导体在大功率电力电子器件起量。快充装置、输变电 系统、轨道交通、电动汽车和充电桩等都需要大功率、高效率的电力电子器件。以新能源汽车为例，采用碳化硅器件可延长电动车的行驶里程、缩短电动车的充电时间以及扩大电池容量等，越来越多的新能源汽车企业布局碳化硅器件使用。。

AIoT 时代驱动的光电器件大发展。在 AIoT 时代，智慧化产品渗透率更加迅速提升，智能家居照明市场将迎来机遇。第三代半导体尤其在短波长光电器件方面有很明显的优势。

5G 时代驱动 GaN 射频器件快速发展。相比于砷化镓和硅等半导体材料，在微波毫米波段的第三代半导体器件工作效率和输出功率明显高，适合做射频功率器件。民用射频器件主要用在移动通信方面，包括现在的 4G、5G 和未来的 6G 通信。例如，国内新装的 4G 和 5G 移动通信的基站几乎全用氮化镓器件。尤其是 5G 基站采用 MIMO 收发体制，每个基站 64 路收发，耗电量是 4G 基站的 3 倍以上，而且基站的密集度还要高于 4G 基站，不用高效率的氮化镓器件几乎是不可能的。

保证能源安全，第三代半导体助力 “碳达峰 、碳中和 ”目标实现

第三代半导体材料和技术对于建成可循环的高效、高可靠性的能源网络起到至关重要的作用，可助力实现光伏、风电 （电能生产），直流特高压输电（电能传输），新能源汽车、工业电源、机车牵引、消费电源（电能使用）等领域的电能高效转换，推动能源绿色低碳发展。

当前能源技术革命已经从电力高端装备的发展逐步向由材料革命的发展来带动和引领，第三代半导体有望成为绿色经济的中流砥柱。实现“碳达峰、碳中和”的关键在于加快推进能源开发清洁替代和能源消费电能替代。

SiC 助力汽车降低 5 倍能力损耗。以第三代半导体的典型应用场景 —— 新能源汽车为例，据福特汽车公开信息，相比于传统硅芯片（如 IGBT）驱动的新能源汽车，由第三代半导体材料制成芯片驱动的新能源汽车，可以将能量损耗降低 5 倍左右。

SiC 提高电机逆变器效率 4%，整车续航里程约 7%。碳化硅技术的应用与整车续航里程的提升有着紧密的联系，第三代半导体材料在提高能效、电源系统小型化、提高耐压等方面的性能已经达到了硅器件无法企及的高度。小鹏汽车动力总成中心 IPU 硬件高级专家陈宏表示，采用碳化硅技术后，电机逆变器效率能够提升约 4%，整车续航里程将增加约 7%。

SiC 赋能光伏发电，增加太阳能转换效率。碳化硅具备的材料优势与硅器件相比，可以以更高的电压、频率和电流来开关，同时更高效地管理热量累积，在功率升压电路中使太阳能转换的效率更高。据国际能源署 IEA 估计，如果到 2024 年，假如仅 2% 的分布式太阳能光伏系统部署了碳化硅，其额外可产生的发电量将多达 10GW。

GaN 和 SiC 是太阳能逆变器的关键。据 Lux Research 研究，由氮化镓和碳化硅制成的分布式电力电子系统可以将太阳能微型和串状逆变器的效率提高 98%以上，二极管的能量增益超过 1.5%，而晶体管的能量增益超过 4%。氮化镓和碳化硅还可以通过降低无源元件的故障率、减少占地面积和节省安装成本等方式间接节约成本。此外，他们优异的热导率减少了逆变器中散热器的尺寸，进而降低材料成本。

超高压 SiC 器件在智能电网固态变压器中的应用有利于智能电网的进一步发展。在电力网络中，碳化硅器件因其耐高压和耐高温的物理特性，可以更好地适应于智能电网的固态变压器的材料需求，简化固态变压器的电路结构，减小散热器空间，并通过提升开关频率来提高单位功率密度。

GaN FET 在汽车和工业领域独具优势, 助力减少碳排放。GaN FET 有较高功率密度和效率，并可以大幅减少电源磁性器件的尺寸、延长电池续航、提升系统可靠性、降低设计成本。

GaN 功率器件在数据中心的应用可以大幅降低数据中心的能耗，帮助减少 30-40%的能源浪费。据元拓高科官网，若全球采用硅芯片器件的数据中心都升级为氮化镓功率芯片器件，那么全球的数据中心将减少 30-40%的能源浪费，相当于节省了 100 兆瓦时太阳 能和减少 1.25 亿吨二氧化碳排放量。

后摩尔时代来临，第三代半导体为代表的核心材料是芯片性能提升的基石

后摩尔时代来临，新材料新架构的创新支撑各类新应用蓬勃发展。以 SiC、GaN 为代表的宽禁带半导体材料工艺成为芯片研发的主旋律。SiC、GaN 拥有高的击穿电场强度、高工作温度、低器件导通电阻、高电子密度等优势，在后摩尔时代极具潜力。同时，化合物半导体与硅器件高度结合，在硅衬底上生长化合物，是后摩尔时代的一个非常有意义、极具发展潜力的领域。

第三代半导体制备成本与传统产品价差持续缩小，产业链龙头效应初显

第三代半导体衬底成本相对较高，SiC 功率器件用外延片主要生长在 SiC 单晶衬底上，制备技术门槛较高；而GaN 器件根据其应用领域，采用不同衬底材料，主要在包括蓝宝石、GaN、Si、SiC等衬底上生长 GaN 厚膜，价格较为昂贵，但综合成本优势大于传统硅基，与传统产品价差持续缩小。未来随着全球半导体厂商加速研发及扩产，产线良率将逐步提高，从而提高晶圆利用率，将会有效降低器件成本。

▲图5    GaN/SiC 不同衬底应用情况

SiC 产业链主要包含粉体、单晶材料、外延材料、芯片制备、功率器件、模块封装和应用等环节。从产业链格局来看，美国仅科锐一家公司的 SiC 晶圆产量就占据全球 60%以上，日本和欧洲紧随其后。日本在 SiC 半导体设备和功率模块方面优势较大，比较典型的企业包括富士电机、三菱电机、昭和电工、罗姆半导体等。欧洲在 SiC 衬底、外延片等方面优势较大，典型的公司包括瑞典的 Norstel、德国的英飞凌和瑞士的意法半导体。与国外企业相比，国内企业整体竞争力较弱，但在全产业链上都有所布局，且近年来的进步十分迅速。

GaN 产业链包括上游衬底、中游外延片、下游器件模块等环节。全球 GaN 射频器件领域，住友电工和科锐是龙头企业，市场占有率均超过 30%，其次为 Qorvo 和 MACOM。

02 产业链各环节产能增长，但供给仍然不足

我国产线陆续开通，第三代半导体领域 6 英寸 、8 英寸的晶圆渐成主流。截至 2020 年底，国内约有 8 条 SiC 制造产线，10 条正在建设；7 条 GaNon-Si 产线，4 条正在建设。

供给侧：我国 2020 年 SiC 导电型衬底产能（折 合 6 英寸）约 18 万片，外延 22 万片，Si 基 GaN 外延约 28 万片。需求侧：预计 2025 年我国仅新能源汽车板块就需 75 万片等效 SiC 6 寸晶圆，快充市场需要 67 万片 GaN 相关晶圆，现有产能与需求差距较大，如不在 2025 年前加速扩产，供给会持续紧缺。

当前新能源汽车、 PD 快充、 5G 等下游应用市场增长超预期，国内现有产品商业化供给无法满足市场需求，尤其是 SiC 电力电子和 GaN 存在较大缺口。我国第三代半导体各环节国产化率较低，超过八成的产品依赖进口。在这种情况下，希望国内有实力的企业在谋划扩产、增加产能供给的同时，还要加强技术攻关，提升产品性能、良率和可靠性，并加速降低成本。

物理性能优势+节能减排需求，SiC 应用多点开花

• SiC 在新能源汽车领域备受青睐，未来五年带动 60 亿美元市场

• SiC 在充电基础设施市场空间广阔，将在直流充电桩带动下实现突破

• SiC 在光伏发电领域优势显著，为系统的小型高效带来可能

光电+射频+电力电子起量，GaN 应用场景广阔

• 2022 年，预计GaN 下游市场超十亿美元，电力电子、射频、光电领域起量前夕

• GaN 在光电子领域占据主要市场，是制造 Micro-LED 芯片的优选

• GaN 在电力电子市场深受认可，消费快充+汽车电子增长空间广阔

• GaN 在射频领域市场潜能可观，为 5G 时代功率放大器核心

• GaN 异质外延方面产品线持续扩充完善，Si 基 GaN、SiC 基 GaN 前景广阔

03 产业竞争格局：美日欧三足鼎立，我国渐行渐近

随着市场需求增强，美日欧龙头企业展开全面战略部署，不断扩大产能，占第三代半导体战略制高点

2019 年，Cree 宣布投资 10 亿 美元扩大 SiC 产能，建造一座采用最先进技术的自动化 200mm SiC 生产工厂和一座材料超级工厂，实现 SiC 晶圆制造产能和 SiC 材料生产的 30 倍增长，以满足 2024 年之前的 预期市场增长。近日，科锐首席执行官也再次确认，其位于纽约州马西镇的碳化硅（SiC） 晶圆厂有望在 2022 年初投产，该厂于 2019 年开始建设，为“世界上最大”的碳化硅晶 圆厂，将聚焦车规级产品，是科锐 10 亿美元扩大碳化硅产能计划的一部分，也是该公司有史以来最大手笔的投资。同时，科锐宣布与意法半导体（ST）扩大现有的多年长期碳 化硅（SiC）晶圆供应协议。根据新的供应协议，科锐在未来几年将向意法半导体提供 150 毫米碳化硅裸片和外延片。

美日欧均推进第三代半导体技术的研发项目，抢占技术制高点。2014 年初，美国宣布成立“下一代功率电子技术国家制造业创新中心”，期望通过加强第三代半导体技术的研发和产业化，使美国占领下一代功率电子产业这个正出现的规模最大、发展最快的新兴市场，并为美国创造出一大批高收入就业岗位。

日本建立了“下一代功率半导体封装技术开发联盟”，由大阪大学牵头，协同罗姆、三菱电机、松下电器等 18 家从事 SiC 和 GaN 材料、器件以及应用技术开发及产业化的知名企业、大学和研究中心，共同开发适应 SiC 和 GaN 等下一代功率半导体特点的先进封装技术。

欧洲启动了产学研项目“LAST POWER”，由意法半导体公司牵头，协同来自意大利、德国等六个欧洲国家的企业、大学和公共研究中心，联合攻关 SiC 和 GaN 的关键技术。项目通过研发高性价比且高可靠性的 SiC 和 GaN 功率电子技术，使欧洲跻身于世界高能效功率芯片研究与商用的最前沿。

SiC 美国优势显著，欧洲产业链完备，日本在设备和模块技术方面领先目前，碳化硅晶片产业格局呈现美国全球独大的特点。以导电型产品为例， 2018 年美国占有全球碳化硅晶片产量的 70%以上，仅 CREE 公司就占据一半以上市场份额，剩余份额大部分被日本和欧洲的其他碳化硅企业占据。欧洲拥有完整的 SiC 衬底、外延、器件、应用产业链，日本是设备和模块开发方面的绝对领先者。

GaN 国际产业格局初定，美日欧三足鼎立

当前全球 GaN 产业处于由海外主导的寡头市场。在电力电子领域，美国拥有较完整的 产业链，欧盟主要聚焦在外延环节，日本信越和富士电机等在衬底和外延占优。在微波射频领域，目前全球约有超过 30 家企业已经从事 GaN 的研发生产，其中 10 家左右已实现 GaN 的量产化和商业化。

海外群雄争霸，占尽先导优势

1）CREE：宽禁带半导体龙头

SiC 领域最强者，8 英寸产线成功研发投建。CREE 公司成立于 1987 年，是集化合物半导体材料、功率器件、微波射频器件、LED 照明解决方案于一体的知名制造商，研发并生产碳化硅、氮化镓等第三代半导体衬底与器件。

4英寸、6 英寸 SiC 晶圆量产，8 寸晶圆成功投建。CREE 在碳化硅晶片制造产业中拥有晶圆尺寸的代际优势，不仅具备成熟的 6 英寸晶片制备技术及规模化产能，并成功研制并投资建设 8 英寸晶片产线。

2）英飞凌：SiC 领域领军人，GaN 已投入量产

碳化硅领域领军人，深耕行业 20 年。英飞凌 1992 年开始研发 SiC 功率器件，1998 年建立 2 英寸生产线，2001 年推出第一个 SiC 产品。20 年来公司的碳化硅技术在不断进步，2006 年发布采用 MPS 技术的二极管，解决耐冲击电流的痛点；2013 年推出第五代薄晶圆技术二极管，2014 — 2017 年先后发布 SiC JFET，第五代 1200V 二极管，6 英寸技术和 SiC 沟槽栅 MOSFET。2019 年以来，英飞凌推出 CoolSiC™ MOSFET 系列，CoolSiC™ 单管产品采用 TO 和 SMD 封装，电压等级为 650 V、1200 V 和 1700 V，额定导通电阻为 27 mΩ-1000 mΩ，适用于硬开关和谐振开关拓扑，即使桥接拓扑中关断电压为零时，出色的寄生导通抗扰度也可在低动态损耗方面树立基准，优化开关性能。

电源管理及射频技术助英飞凌抢占新兴市场先机。英飞凌作为全球领先的半导体科技公司，在电源管理及射频领域不断革新，开发高性能产品来满足市场对高能效的需求。在整个功率器件（Power Device）市场，目前公司的硅产品包括低压 MOS、高压 MOS，以及 IGBT 等。英飞凌产品的优势包括：具备更高功率密度，可实现更加小巧、轻便的设计， 从而降低系统总成本和运行成本，以及减少资本支出。

英飞凌 GaN 解决方案已投入量产。英飞凌推出的 GaN 解决方案 CoolGaN600V 增强型 HEMT 和 GaN 开关管专用驱动 IC（GaN EiceDRIVER IC）产品具有优越性。CoolGaN600V 增强型 HEMT 采用可靠的常闭概念，经过专门优化，可实现快速开通和关断。它们可在开关模式电源（SMPS）中实现高能效和高功率密度，其优值系数（FOM）在当前市场上的所有 600Ｖ器件中首屈一指，非常适用于服务器和电信设备中使用的开关电源产品。

3）意法半导体：与终端应用企业形成强绑定，完善产业布局

意法半导体通过战略收购并购加速布局 SiC 业务，提高产品良率和产品竞争力。2019 年 12 月 2 日，意法半导体完成对瑞典碳化硅晶圆制造商 Norstel AB 的整体收购，即拥有了第三代半导体的全球研发和制造能力，后期将继续发展 150mm 碳化硅裸片和外延片生产业务，研发 200mm 晶圆以及更广泛的宽禁带材料。在全球碳化硅产能受限的大环境下，整体并购 Norstel 将有助于增强 ST 内部的 SiC 生态系统，提高生产灵活性，使 ST 能够更好地控制晶片的良率和质量改进，并为碳化硅长远规划。

首批 200mm 碳化硅晶圆落地，意法半导体占据 8 寸 SiC 晶圆领先地位。2021 年 7 月 27 日，意法半导体宣布，ST 瑞典北雪平工厂制造出首批 200mm (8寸)碳化硅晶圆片，这些晶圆将用于生产下一代电力电子芯片的产品原型。SiC 晶圆升级到 200mm 标志着 ST 面向汽车和工业客户的扩产计划取得重要的阶段性成功，巩固了 ST 在这一开创性技术领域的领导地位，提高了电力电子芯片的轻量化和能效。
2020 年 1 月 16 日，意法半导体与罗姆集团旗下的 SiCrystal 公司签署了一份碳化硅（SiC）晶圆长期供应协议， SiCrystal 将向意法半导体提供总价超过 1.2 亿美元的先进的 150mm 碳化硅晶片，满足时下市场对碳化硅功率器件日益增长的需求，补充内部产能缺口。

终端应用企业合作趋势明显，完善产业布局。2019 年 9 月 10 日，意法半导体被雷诺-日产-三菱联盟指定为高能效碳化硅技术合作伙伴，为联盟即将推出的新一代电动汽车的先进车载充电器（OBC）提供功率电子器件，并计划于 2021 年投入量产。

推出高性能 GaN 系列 面向汽车应用、可靠性更高。2021 年 5 月，意法半导体宣布推出其新系列、智能集成的氮化镓（GaN）解决方案 STi2GaN。随着汽车行业不断转向电气化平台，STi2GaN 将采用创新独特方式将电力与智能相结合，推出汽车行业所需的紧凑、高性能解决方案。该 STi2GaN 系列将单片功率级、GaN 技术的驱动器和保护器以及用于特定应用程序 IC（集成电路）与附加的处理和控制电路相结合，并通过新型无粘结封装技术提供高鲁棒性、可靠性和性能。

4）住友电工：全球第三代半导体射频领域引领者

通过开发独有技术和对新业务的挑战，确立 5 大事业领域。在第三代半导体射频领域具有压倒性占市率。公司也是日本国内唯一 GaAs 晶圆制造业者，目前除了已在美国产线量产之外，千叶县产线也量产在即。

我国政策和市场双轮推动，国产第三代半导体产业发展前景光明

我国第三代半导体产业起步较晚，在 GaN 单晶等基础材料制备方面还存在一定代差。未来在大尺寸、 高质量籽晶方面还需要进一步破解。

国家政策持续向好，扶持力度不断增强。近年来，国务院及工信部、科技部等多部门出台了一系列扶持第三代半导体材料产业发展的利好政策。多地区也已下发相关政策，大力扶持第三代半导体材料产业快速发展。

目前，我国碳化硅产业研发实力提升，与先进水平差距缩小，形成以 4 英寸主体、6 英寸为骨干、8 英寸为后继的 SiC 衬底发展局面。多家国内公司不断推动创新，中国第三代半导体产业发展正当时。

三安光电通过设立厦门三安光电全资子公司发力化合物半导体市场，研发生产砷化镓半导体芯片及氮化镓高功率半导体芯片产品，包含第二代（砷化镓（GaAs）和磷化铟（InP））、第三代（碳化硅 （SiC）和氮化镓（GaN））。在微波射频领域，当前已推出具有国际竞争 力的 GaAs HBT、pHEMT 等面向射频应用的先进制程工艺，已建成专业化、规模化的 4 吋、6 吋化合物晶圆制造产线；在电力电子领域，推出高可靠性、高功率密度的 SiC 功率二极管及硅基氮化镓功率器件；在光通讯领域，已具备生产 DFB、VCSEL、 PD APD 等数通产品的能力，并面向 3D sensing，红外 LiDAR 等消费应用领域开发出高功率可见波段，红外波段 VCSEL、及端面发光激光器（EEL）等产品。

闻泰科技积极布局第三代半导体，氮化镓已通过车规认证测试并实现量产。子公司安世半导体在行业推出性能领先的第三代半导体氮化镓功率器件 (GaN FET)，目标市场包括电动汽车、数据中心、电信设备、工业自动化和高端电源，特别是在插电式混合动力汽车或纯电动汽车中，氮化镓技术是其使用的牵引逆变器的首选技术。

斯达半导以 IGBT 技术为基础，不断突破和积累下一代以 SiC、GaN 器件为代表的宽禁带功率半导体器件的关键技术，大力发展车规级功率器件加码布局碳化硅功率芯片，加速国产替代提升核心竞争力。

华润微旗下国内首条 6 英寸商用 SiC 晶圆生产线量产，充分利用 IDM 模式优势和在功率器件领域长期的技术积累开展 SiC 功率器件研发，推出第一代 SiC 工业级肖特基二极管(1200V、650V)系列产品。

还有很多公司积极布局第三代半导体，如立昂微的 GaN 芯片产能爬坡，规模化生产在即；士兰微SiC 中试线实现通线；扬杰科技不断强化 SiC 功率器件等研发力度，力图打造半导体功率器件全系列产品的一站式供应奠；赛微电子的 SiC、GaN 外延技术领先，正由小规模试产转向量产；捷捷微电与科研院所合作研发第三代半导体相关技术，不断拓宽应用领域。

宽禁带半导体器件将是未来电力电子技术的重要价值增长点，政策扶持、应用推进、资本追捧，以 SiC、GaN 为代表的第三代半导体产业前景广阔。但我国在产业化方面进度还较缓慢，技术亟待突破。当前，第三代半导体在电力电子和射频器件领域面临重要窗口期，国际半导体产业巨头尚未对行业标准和技术形成完全垄断，在政策和市场双重推动下，中国第三代半导体产业发展正当时。