半导体产业发展至今经历了三个阶段，di一代半导体材料以硅为代表，第二代半导体材料砷化镓也已经广泛应用，而以氮化镓和碳化硅、氧化锌、氧化铝、金刚石等为代表的第三代半导体材料。相较前两代产品性能优势显著，凭借其高效率、高密度、高可靠性等优势，在新能源汽车、通信以及家用电器等领域发挥重要作用，成为业内关注的新焦点。

近来随着电动车与混合动力车发展，碳化硅材料快速在新能源车领域崛起，主要应用包括车载充电器、降压转换器与逆变器。据研究机构 IHS 与 Yole预测，碳化矽晶圆的quan球电力与功率半导体市场产值，将从去年的13亿美元，扩增至 2025年的52亿美元。

看好碳化硅(SiC)等功率半导体元件，在相关市场的优势与成长性，许多IDM、硅晶圆与晶圆代工厂，均争相扩大布局；即便近来市场遭遇疫情不确定因素袭击，业者仍积极投入，盼能抢在爆发性商机来临前，先站稳脚步。

在IDM厂方面，除英飞凌(Infineon)、罗姆(ROHM)等IDM大厂积极布局外，安森美半导体(ON Semiconductor)也在本月与GTAT签订5年碳化硅材料供给协议。

3月16日消息，亿邦动力获悉，第三代半导体研发商超芯星完成天使轮融资，投资方为同创伟业、磊梅瑞斯资本。据了解，超芯星是国内ling先的第三代半导体企业，致力于6英寸碳化硅衬底的研发与产业化。

3月20日上午，嘉兴科技城与浙江博方嘉芯集成电路科技有限公司正式签约，为顺利推进氮化镓射频及功率器件产业化项目，促进第三代半导体产业在嘉兴科技城集聚发展，将共建第三代半导体产业技术研究院。

去年11月，博方嘉芯氮化镓射频及功率器件项目签约落户科技城，并于今年3月开工。该项目总投资达25亿元。

国际上一般把禁带宽度（Eg）大于或等于2.3电子伏特（eV）的半导体材料称之为第三代半导体材料，常见的第三代半导体材料包括：碳化硅（SiC）、氮化镓（GaN）、金刚石、氧化锌、氮化铝等。其中，从SiC和GaN技术发展相对成熟，已经开始产业化应用，而金刚石、氧化锌、氮化铝等材料尚处于研发起步阶段。

上世纪五十年代以来，以硅（Si）材料为代表的di一代半导体材料引发了集成电路（IC）为he心的微电子领域迅速发展。然而，由于硅材料的带隙较窄、电子迁移率和击穿电场较低，Si在光电子领域和高频高功率器件方面的应用受到诸多限制。

第三代半导体材料的兴起，则是以氮化镓（GaN）材料p型掺杂的突破为起点，以高亮度蓝光发光二极管（LED）和蓝光激光器（LD）的研制成功为标志，包括GaN、碳化硅（SiC）和氧化锌（ZnO）等宽禁带材料。

SiC与GaN相比较，前者相对GaN发展更早一些，技术成熟度也更高一些；两者有一个很大的区别是热导率，这使得在高功率应用中，SiC占据统治地位；同时由于GaN具有更高的电子迁移率，因而能够比SiC或Si具有更高的开关速度，在高频率应用领域，GaN具备优势。

1.1 SiC产业概况

（1） SiC产业概述

SiC生产过程分为SiC单晶生长、外延层生长及器件制造三大步骤，对应的是产业链衬底、外延、器件与模组三大环节。

其中SiC衬底通常用Lely法制造，国际主流产品正从4英寸向6英寸过渡，且已经开发出8英寸导电型衬底产品。

SiC外延通常用化学气相沉积（CVD）方法制造，根据不同的掺杂类型，分为n型、p型外延片。

SiC器件上，国际上600~1700VSiCSBD、MOSFET已经实现产业化，主流产品耐压水平在1200V以下，封装形式以TO封装为主。

（2）SiC 产业格局

quan球 SiC产业格局呈现美国、欧洲、日本三足鼎立态势。其中美国quan球独大，quan球SiC产量的70%~80%来自美国公司，典型公司是Cree、Ⅱ-Ⅵ；欧洲拥有完整的SiC衬底、外延、器件以及应用产业链，典型公司是英飞凌、意法半导体等；日本是设备和模块开发方面的ling先者，典型公司是罗姆半导体、三菱电机、富士电机等。

（3）SiC功率器件市场空间

根据Yole的预测，2017~2023年，SiC功率器件市场将以每年31%的复合增长率增长，2023年将超过15亿美元；而SiC行业龙头Cree则更为乐观，其预计短期到2022年，SiC在电动车用市场空间将快速成长到24亿美元，是2017年车用SiC整体收入（700万美元）的342倍。

1.2 GaN产业概况

（1）GaN 材料特性

GaN 材料与Si/SiC 相比有独特优势。GaN与SiC同属于第三代宽禁带半导体材料，相较于已经发展十多年的SiC，GaN功率器件是后进者，它拥有类似SiC性能优势的宽禁带材料，但拥有更大的成本控制潜力。与传统Si材料相比，基于GaN材料制备的功率器件拥有更高的功率密度输出，以及更高的能量转换效率，并可以使系统小型化、轻量化，有效降低电力电子装置的体积和重量，从而极大降低系统制作及生产成本。

（2）GaN器件发展情况

基于GaN的LED自上世纪90年代开始大放异彩，目前已是LED的主流，自20世纪初以来，GaN功率器件已经逐步商业化。2010年，di一个GaN功率器件由IR投入市场，2014年以后，600V GaN HEMT已经成为GaN器件主流。2014年，行业首次在8英寸SiC上生长GaN器件。

（3）GaN 产业链概述

GaN与SiC产业链类似，GaN器件产业链各环节依次为：GaN单晶衬底（或SiC、蓝宝石、Si）→GaN材料外延→器件设计→器件制造。目前产业以IDM企业为主，但是设计与制造环节已经开始出现分工，如传统硅晶圆代工厂台积电开始提供GaN制程代工服务，国内的三安集成也有成熟的GaN制程代工服务。

GaN市场由日本厂商主导，超过85%的市场份额掌握在住友电工、三菱化学及住友化学3家日本企业手中。此外，美国的Kyma公司、法国的Lumilog公司也已实现了2英寸GaN衬底的产业化开发。GaN外延企业主要有比利时的EpiGaN、英国的IQE、日本的NTT-AT。GaN器件主要用于射频、功率器件，GaN射频器件主要以GaN on SiC为主要技术路线，quan球GaN射频器件供应商中，住友电工和Cree是行业的long头企业，市场占有率均超过30%，其次为Qorvo、MACOM、II-VI等。

GaN功率器件方面，美国拥有较为完整产业链，在外延、器件及应用环节有Transform、EPC、GaNsystem、Powerex等企业。

衬底、外延方面，SiC同质外延和Si基GaN异质外延作为应用zui广泛的两种第三代半导体材料，目前商业化的zui大尺寸为6英寸，为进一步降低器件成本，业界已经研发出8英寸产品。

器件方面，商业化的SiC肖特基二极管目前zui高耐压为3300V，zui高工作温度（100-190℃）下电流在60A以下；商业化的SiC MOSFET目前zui高耐压为1700V，zui高工作温度（100-160℃）下电流在65A 以下；商业化的Si基GaN HEMTzui高电压为650V，室温下（25℃）zui大电流为120A。商业化的RF GaN HEMT工作频率达到25GHz，zui大功率实现1800W。

2.1关键技术问题

（1）大尺寸、低缺陷衬底、外延制备技术

研发大直径衬底、外延，降低器件的成本，如：6英寸衬底相对4英寸衬底能够节省大约30%的器件制备成本。目前，SIC衬底、GaN衬底，6英寸已成为新建产能的重点，8英寸也在加速推进试生产。

随着衬底尺寸的增加往往会伴随结晶质量的下降，进而会影响后序制备器件的性能及其可靠性。如何在增加衬底尺寸的同时，控制结晶缺陷密度是一个关键问题。潜在解决方案：改善大尺寸外延生长热场分布与流场分布，控制外延初期界面形貌。

（2）硅基GaN外延技术

由于GaN同质衬底或SiC衬底价格昂贵，而Si衬底具有大尺寸、低成本的优势，因此在Si衬底上实现GaN功率器件产业化已成为技术发展重要方向。当前，GaN外延的Si衬底尺寸正逐步由6英寸向8英寸扩展；同时，在掌握外延漏电机理以及对器件动态性能影响机理的情况下，在减小外延厚度的基础上不断提高外延质量，比如650V产品的外延厚度由目前常用的5μm减薄至3μm。

（3）高质量SiC 厚外延技术

SiC的应用优势在于高压、超高压器件，目前600V、1200V、1700V SiC器件已商业化，预期未来3300V、6500V级，乃至万伏级以上的应用需求将快速提升，从而对SiC厚外延晶片产生重大需求，为了获得厚外延晶片，快速外延生长技术将成为技术发展的主流。

（4） 高可靠封装技术

封装模块在器件和系统之间扮演着重要的角色。当前，第三代半导体器件的封装技术和模块形式基本与硅基一致。但是，随着第三代半导体器件的日益普及和广泛应用，第三代半导体封装和模块将向着低损耗、低感量、高功率密度、高散热性能、高集成度、多功能等方向发展，未来将衍生出与硅基封装技术和产品形式不同的发展路线。如：基板材料，有机基板还是应用主流，但比重会逐步下降；绝缘金属基板、陶瓷基板等适用于大功率、大电流、高电压的基板，应用会逐渐增多。封装形式会逐渐由二维平面封装逐渐向三维立体封装发展，相应的三维封装工艺也会取得较大的发展。

第三代半导体材料的应用前景十分广阔，主要应用领域包括半导体照明、电力电子器件、激光器和探测器、以及水制氢、生物传感等其他前沿领域。

3.1 电力电子器件

在微波器件方面，GaN射频器件主要应用于国防、无线基站、卫星通信、民用雷达和航电、射频能量等领域。据Yole统计，2018年quan球GaN射频器件市场规模为6.32亿美元，预计到2024年市场规模将达到20.2亿美元，年复合增长率超过21%。其中国防、5G基站是两个zui大应用领域，2018年两者市场规模分别为3.31亿、2.39亿美元，市场占比52.4%、37.8%，预计到2024年，国防、无线基站领域GaN射频器件的市场规模将分别达到10.53亿、7.16亿美元。

在功率器件方面，Si基GaN功率器件主要的应用领域为中低压（200～1200V），如笔记本、高性能服务器、基站的开关电源；而SiC功率器件集中在高压领域（＞1200V），如太阳能发电、新能源汽车、风电、高铁运输、智能电网的逆变器等。目前，SiC功率器件zui大的应用领域为功率因数校正（PFC）和光伏应用，而随着新能源汽车发展，汽车功率模块有望成为增长zui快的领域。

quan球领头厂商均已开始布局车规级SiC。2018年国际上已有20多家汽车厂商在车载充电机（OBC）中使用SiC SBD或SiC MOSFET；此外，特斯拉Model3的逆变器还采用了意法半导体生产的全SiC功率模块，而几乎所有汽车制造商都计划于未来几年在主逆变器中应用SiC电力电子器件。根据Yole预测，到2023年quan球SiC功率市场总值将超过14亿美元，2017年至2023年的复合年增长率（CAGR）将达到29%。

3.2 激光器和探测器

GaN基激光器可以覆盖到很宽的频谱范围，实现蓝、绿、紫外激光器和紫外探测的制造。紫色激光器可用于制造大容量光盘，其数据存储盘空间比蓝光光盘高出20倍。紫色激光器还可用于医疗消毒、荧光激励光源等应用，总计市场容量为12亿美元。蓝色激光器可以和现有的红色激光器、倍频全固化绿色激光器一起，实现全真彩显示，推动激光电视实现广泛应用。GaN基紫外探测器可用于导弹预警、卫星秘密通信、各种环境监测、化学生物探测等领域，但尚未实现产业化。

在前沿研究领域，宽禁带半导体可用于太阳能电池、生物传感器、水制氢媒介等新兴应用领域，但目前这些热点领域还处于实验室研发阶段。

由于第三代半导体材料及其制作的各种器件的优越性能，其已成为quan球半导体技术研究前沿和各国产业竞争的新焦点，如：美国提出电力美国（Power America），欧盟提出“5G GaN2”等研究计划，英国组建化合物半导体应用创新中心等，促进第三代半导体材料及器件研发。

我国在第三代半导体研发、产业领域有一定的基础，总体与国际ling先水平差距不大，未来，第三代半导体也将成为我国半导体产业提升的重要突破口。

虽然受限成本与技术门槛较高、产品良率不高等因素，使碳化硅晶圆短期内难普及，但随着既有厂商与新进者相继扩增产能布局，且在电动车、5G 等需求持续驱动下，可望加速碳化硅晶圆产业发展。

就目前来说，SiC 和氮化镓 GaN 都属于宽禁带半导体，SiC 功率器件具有高品质的外延晶片以及比 GaN 更成熟的工艺技术，所以其在高压应用中更具吸引力。在大型硅晶片上异质外延生长的 GaN 基横向开关器件在相对低电压的应用中显示出很大的前景。当然，两者以及 Si 的发展还需要基于其生产设备以及工艺技术来评估。