第三代半导体是指禁带宽度大于2.2电子伏特的半导体材料，官方称为宽禁带半导体。半导体发展经历了第一代硅基、锗基半导体，第二代砷化镓半导体，以及目前的以碳化硅（SiC）和氮化镓（GaN）为主的第三代半导体三个阶段。按照产业上的观点，“第三代”并不代表先进性，三代半导体在下游的应用场景中相互补充，而不是相互替代。

第一代硅基半导体工艺最成熟，已经形成了庞大市场规模，摩尔定律驱动下的纳米级工艺升级，12寸、18寸及越来越大的大硅片，使得整体使用成本越来越低。但是硅基半导体不适应高频、大功率的应用场景，目前多是采用IGBT的替代方案。

第二代半导体以GaAs为代表。砷化镓具有宽禁带，高频，高压，抗辐射、耐高温及发光效率高等特性（相对），被广泛应用于移动通信（智能手机等）、无线通信（基站）、光纤通信、LED、光伏、卫星导航等领域。最主要的应用是4G、5G基站和手机的射频器件。

第三代半导体材料，以氮化镓（GaN）和碳化硅（SiC）为代表。材料性能优异，概念新颖、下游主要对应新能源（光伏、特高压、新能源汽车）、5G等新兴产业，代表着未来趋势，是当下资本市场追逐的焦点。

相对Si、GaAs而言，SiC和GaN等宽禁带材料具有高击穿电压、低导通抗阻、耐高温、导热性能强、电子饱和漂移速度高、开关频率高等物理特性，能够使半导体器件有更高的能量转换效率，能耗更小，更小的器件尺寸，是高温、高频、抗辐射、大功率应用场合下极为理想的半导体材料。因此以SiC、GaN为代表的第三代半导体大功率电力电子器件是目前在电力电子领域发展最快的功率半导体器件之一。

碳化硅器件被誉为带动“新能源革命”的“绿色能源器件”，下游正迎来爆发

碳化硅最大的下游应该是能源汽车。根据福特汽车公开的信息，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。同时采用碳化硅技术后，电机逆变器效率能够提升约4%，整车续航里程将增加约7%。

根据意法半导体相关预测，2020年约有40%以上的纯电动汽车采用SiC技术，而到2025 年，SiC的普及率将提高至70%。目前，SiC已实现了车规级应用，主要应用于大于600V 的高压系统，如纯电动汽车的驱动电机逆变器。

光伏并网发电是SiC另外一个较大的应用市场。并网光伏逆变器是光伏电站的核心功率转换设备，在光伏电站中，并网光伏逆变器损耗占系统损耗的50%以上，采用SiC功率器件后，其开关频率可以比 Si器件的提高数倍，可以大大降量转换损耗。

除此之外，在5千伏以上的高压应用领域，碳化硅半导体功率器件最大可减少92%的开关损耗。碳化硅在快充领域，对于降低充电时间，减少损耗也有良好性能。因此碳化硅器件也被誉为带动“新能源革命”的“绿色能源器件”。在国家双碳战略的推动下，下游需求将迎来爆发。

GaN 做半导体材料具有更高的宽带隙、击穿场强大、电子饱和漂移速度高等物理结构，化学稳定性高，耐高温，耐腐蚀，散热好，因此GaN 在高频下具有较高的功率输出和较小的面积，能够支持更快的下载速度和更低的能耗需求，是5G 基站端的功率放大器的理想材料。根据Yole Development的数据，在基站功率放大器材料上，硅基与氮化镓将呈现出此消彼长的关系。2025年，硅基占比将下降到15%，氮化镓占比将上升到45%，砷化镓占比约为40%。

尽管目前5G整体推进进度不及预期，但是物联网、车联网、自动驾驶、VR等应用场景都需要高速低延迟的网络，5G或者6G、7G等可能会迟到，但不会缺席。根据前瞻产业研究院关于5G 基站建设预测数据，未来 5 年中国 5G 基站建设将迎来高峰，每年投资金额为3000亿—5000 亿元，5 年总投资超过 2 万亿元。

除了5G应用，采用碳化硅作为衬底，氮化镓做外延的的LED期间亮度更高、能耗更低寿命更长、单位芯片面积更小，在大功率LED方面具有非常大的优势。

总体上，相比较而言，碳化硅下游的需求增量更大，确定性要更高一些。

第三代半导体的产业链

第三代半导体产业链环节包括单晶衬底、外延片、器件设计、器件制造、封装测试、整机终端。与 Si 材料不同，SiC和GaN 器件不能直接制作在单晶衬底上，必须在衬底上生长高质量外延材料，在外延层上制造各类器件。

SiC功率器件用外延片主要生长在SiC单晶衬底上。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，美国科锐SiC 晶圆产量占据全球 60%以上市场份额，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。在 SiC 衬底方面，山东天岳、天科合达可以供应3 -6 英寸的单晶衬底，产能亦在不断提升；在SiC 外延方面，东莞天域和瀚天天成均能够供应3 -6 英寸的SiC外延，凤凰光学收购国盛电子和普兴电子也具备SiC外延片供应能力；SiC 器件方面，以三安光电、中电科55所和中车时代为代表的国内企业在芯片设计与制造、模块封装等方面均已有深厚的积累。

GaN 器件根据其应用领域不同衬底材料主要包括蓝宝石、GaN、Si、SiC。产业链包括上游衬底、中游外延片、下游器件模块等环节。

GaN产业，住友电工和科锐是全球GaN 射频器件领域的龙头企业，市场占有率均超过30%，其次为 Qorvo 和MACOM。

苏州纳维科技：是国内唯一一家，国际上少有的几家能批量生产2英寸GaN 的企业；

东莞中镓：建成国内首家专业氮化镓衬底生产线，可以制备出1100m 的自支撑GaN 衬底；苏州晶湛、聚能晶源：均可以生产8英寸硅基氮化镓外延片；

世纪金光：是涵盖 SiC、GaN 单晶、外延、器件、模块研发设计生产销售一体的公司；

华润微电子：收购中航微电子，拥有8英寸硅基氮化镓生产线和国内首个600V/10A GaN 器件产品；

士兰微：拥有6英寸硅基氮化镓功率器件生产线。

（来源：菠萝研报的财富号 2021-11-19 09:08） [点击查看原文]