第二代半导体材料是指化合物半导体材料，如砷化镓（GaAs）、锑化铟（InSb）、磷化铟（InP），以及三 元化合物半导体材料，如铝砷化镓（GaAsAl）、磷砷化镓（GaAsP）等。还有一些固溶体半导体材料，如锗硅 （Ge-Si）、砷化镓-磷化镓（GaAs-GaP）等；玻璃半导体（又称非晶态半导体）材料，如非晶硅、玻璃态氧化物 半导体等；有机半导体材料，如酞菁、酞菁铜、聚丙烯腈等。

第三代半导体材料主要是以碳化硅（SiC）、氮化镓（GaN）、氧化锌（ZnO）、金刚石、氮化铝（AlN）为 代表的宽禁带（禁带宽度 Eg>2.3eV）的半导体材料。

与第一代和第二代半导体材料相比，第三 代半导体材料具有更宽的禁带宽度、更高的击穿电场、更高的热导率、更大的电子饱和速度以及更高的抗辐射 能力，更适合制作高温、高频、抗辐射及大功率器件。

什么是第三代半导体

（一）第三代半导体的定义

按照定义，第三代半导体是指以碳化硅、氮化镓、氧化镓、氧化锌、金刚石为主要代表的宽禁带半导体。

什么是宽禁带？从专业角度来解释，一般把室温下禁带宽度（也称为带隙）大于2.3eV的半导体材料归类于宽禁带半导体。所谓禁带宽度，就是这些材料的电子从价带扩散到导带需要的能量。举例来说，硅所需能量为1.12eV（电子伏特），碳化硅所需能量为3.3eV，氮化镓所需能量为3.4eV。

看到这，很多投资者就要开始皱眉了：我想投资第三代半导体，还必须得懂这些？

的确，对于大多数投资者来说，这样的专业化概念未免太过晦涩难懂。其实，需要记住的知识点就是：对于半导体来说，禁带宽度越大，工作频率也就越大，越能耐高压、耐高温。

（二）半导体材料的发展历程

第一代半导体材料以硅(Si)、锗(Ge)为主，兴起于二十世纪50年代，用武之地十分广泛，上至航空、军工、计算机等高精尖领域，下至手机、充电器的功率器件等生活领域，都能见到它的身影。第一代半导体材料引发了以集成电路为核心的微电子领域的迅速发展。

第二代半导体材料是化合物半导体，以砷化镓(GaAs)、磷化铟(InP)为主，兴起于二十世纪90年代，被广泛用于光通讯、光显示、移动通讯等领域。第二代半导体材料助力开拓了光纤和移动通讯的新产业。

第三代半导体材料以碳化硅(SiC)、氮化镓(GaN)、氧化锌(ZnO)、金刚石(C)为代表，我国从1995年开始涉足第三代半导体材料的研究。其中，碳化硅凭借其耐高压、耐高温、低能量损耗等特性被认为是5G通信晶片中最理想的衬底，氮化镓则凭借其高临界磁场、高电子迁移率的特点被认为是超高频器件的绝佳选择。

据AIOT大数据了解，第三代半导体与第一代、第二代半导体之间并不是相互替代的关系。它们适用于不同的领域，应用范围有所交叉，但不是完全等同。第三代半导体有其擅长的领域，在特定的“舒适区”内性能确实是优于硅、锗等传统半导体材料，但在“舒适圈”之外，硅仍然占据王者地位。

 第三代半导体产业链

（一）碳化硅SiC 

SiC的生产过程主要包括【单晶制备】——【外延层制备】——【芯片生产】这三大环节。SiC器件的价值链包括【衬底】——【外延】——【前段（即设计、制造等）】——【器件】。其中，衬底所占成本最高，约占50%。衬底的高成本主要是因为单晶SiC生长速度缓慢、品质难以把控。伴随着不断的技术升级，SiC衬底和外延片未来的价格预计会下降。

（二）氮化镓GaN

GaN的生产过程，描述起来和SiC差不多，主要包括【材料/单晶制备】——【外延层制备】——【芯片生产】这三大环节。但是有所不同的是，由于技术水平限制以及成本问题，GaN材料的衬底目前还无法规模化投产，因此，GaN器件大多采用SiC、Si、蓝宝石等材料为衬底。SiC衬底一般用于射频器件；Si衬底一般用于功率器件；蓝宝石衬底一般用于制造蓝光LED。也正是因为如此，前文提到的SiC衬底价格下降也会促进GaN射频器件价格的下降。

事实上，许多材料都有更大的带隙，但量子力学的独特性意味着，几乎所有这些材料都不能用作半导体。不过，透明导电氧化物氧化镓（Ga2O3）是一个特例。这种晶体的带隙近5电子伏特，如果说氮化镓（3.4eV）与它的差距为1英里，那么硅（1.1eV）与它的差距则好比一个马拉松。金刚石和氮化铝的带隙更大，但它们不具备氧化镓所具备的幸运特性，氧化镓有助于制造价格低廉但功能强大的器件。

一种材料仅仅有宽带隙是不够的。所有的电介质和陶瓷都有宽带隙，否则它们就不会被用作绝缘体了，而氧化镓有一组独特的特性，它可以作为功率切换和射频电子器件的半导体从而发挥巨大作用。

它的特点之一是，通过掺杂的方法，可以在氧化镓中加入电荷载流子，使其更具导电性。掺杂包括向晶体添加一定量的杂质，以控制半导体中载流子的浓度。对于硅，可以使用离子注入法，然后退火处理，在晶体中掺杂磷（以添加自由电子）或硼（以减去自由电子），从而使电荷能够自由移动。对于氧化镓，可以用同样的方法在晶体中掺杂硅来添加电子。如果在任何其他宽带隙氧化物中这样做，结果可能是破碎的晶体和晶格斑点，这样的话电荷会被卡住。

氧化镓能够适应通过“离子注入”标准工艺添加以及外延生长（沉积额外的晶体）过程中添加的掺杂剂，因此我们能够借用各种各样的既有商业光刻和加工技术。借助这些方法，精确定义几十纳米的晶体管尺寸和产生各种各样的器件拓扑结构变得相对简单。其他宽带隙的半导体材料不具备这种难以置信的有用特性，甚至氮化镓也不例外。

氧化镓的另一个优点是，实际上很容易根据需要制造氧化镓晶体大晶圆。虽然氧化镓晶体有几种类型，但最稳定的是β，其次是ε和α。其中，有关β-氧化镓的综合性质的研究最多，这主要得益于日本筑波的日本国家材料科学研究所和柏林莱布尼茨晶体研究所的开拓性工作。β-氧化镓特别有趣的一点是，它具备良好的热稳定性，因此可以使用大量的商业技术来制造，包括用于制造硅片的提拉法。此外，也可以使用“边缘定义、薄膜馈电晶体生长”技术来生产β-氧化镓晶圆，杂货店结账用的条形码扫描仪上的蓝宝石窗口就是这样制造的。如今，甚至可以使用可高度扩展的垂直坩埚下降（Bridgman-Stockbarger）技术生长晶体。

除碳化硅（SiC）以外，其他所有新兴宽带隙半导体根本没有大尺寸半导体基底可供生长大晶体。这意味着它们必须生长在另一种材料盘中，而这是有代价的。例如，氮化镓通常依靠复杂的工艺在硅、碳化硅或蓝宝石基底上生长。不过，这些基底的晶体结构明显不同于氮化镓的晶体结构，这种差异会造成基底和氮化镓之间的“晶格失配”，从而产生大量缺陷。这些缺陷会给生产的设备带来一系列问题。氧化镓由于作为自己的基底，所以不存在不匹配的情况，也就没有缺陷。日本埼玉的诺维晶科技术公司已经开发出150毫米的β-氧化镓晶圆。

日本国家信息与通信技术研究所（NICT，位于东京）的东胁正高（Masataka Higashiwaki）是第一个发现β-氧化镓在电源开关中的潜力的人。2012年，他的团队报告了首个单晶β-氧化镓晶体管，震惊了整个半导体器件界。这是一种名为“金属半导体场效应晶体管”的器件。它有多好呢？击穿电压是功率晶体管的关键指标之一，达到这个临界点，半导体阻止电流流动的能力就会崩溃。东胁研究的开创性晶体管的击穿电压大于250伏。相比之下，氮化镓花了近20年的时间才达到这一水平。

在东胁的开创性研究中，他还介绍了由于使用高临界电场强度的材料而大幅降低功率损耗的情况。电场强度以Ec表示，是氧化镓真正的超能力。简单地说，如果在两个导体之间放置一种材料，把电压调高，那么Ec就是该材料开始导电的电场，而且导电能力很强，有时会带来灾难性后果。硅的临界电场强度通常为每厘米几百千伏，而氧化镓的临界电场强度为每厘米8兆伏。

非常高的Ec对理想的功率开关晶体管而言至关重要。理想情况下，设备会在两种状态之间即时切换：一直导通，在没有电阻的情况下导电；一直断开，处于完全不导电的状态。这两种不可能的极端意味着两种截然不同的器件几何结构。对于关断状态，晶体管的源极和漏极之间需要有一个较厚的材料区域，以防止导通和阻止大电压。对于导通状态，则需要一个无限薄的区域，使之没有电阻。

当然，两者不可兼得。材料的临界电场强度决定了在关闭状态下，这个区域到底能有多薄。

“巴利加优值”是低频功率开关半导体的关键指标，它以IEEE荣誉勋章获得者B.贾扬特•巴利加（B.Jayant Baliga）的名字命名。本质上，它表示的是器件的输出在高电压下对输入信号细节的再现程度。对于在千赫兹范围的频率下作为开关工作的晶体管而言，这是一个非常重要的特性。这类器件多见于多千伏级变电站设备、医学成像用的高能光子发生器以及电动汽车和工业电机驱动器的功率逆变器中。

在这类应用中，氧化镓有一个天然优势。在这些频率下，优值与临界电场强度的立方成正比。所以，Ec高意味着优值好。数学运算背后的事实是：这种开关大部分时间里要么处于完全接通的状态，要么完全关闭，很少会在两者之间切换。因此，大部分功率损耗仅仅来自设备开启时的电流阻力。Ec值高，则可以使用更薄的器件，这意味着阻力更小。

东胁的研究传达出的信息很简单：可以使用强力高电场强度来实现低频时损耗很少的高压开关。其他团队很快就明白了这一点。2013年，研究人员研发了击穿电压为370伏的金属氧化物半导体场效应晶体管（MOSFET）。2016年，当时在NICT东胁团队工作的王文海（Man Hoi Wong，音）利用一种名为“场镀”（field plating）的附加结构将击穿电压提高到了750伏。在这些器件中，氧化镓实现高工作电压相对容易，这一成绩相当显著；仅仅几年，这种材料的研究就取得了长足进步，而氮化镓的研究则花了几十年的时间。

不过，在更快的开关电源应用中，氧化镓是否有用？Ec在这里也很重要，这可能会给氧化镓带来很大的优势。在更高的频率下，比如100千赫兹到1兆赫，与接通或关闭状态相比，器件花费在切换上的时间将成比例地增加。开关过程中的损耗等于器件的电阻与开关切换时晶体管栅极上所需积聚电荷的乘积。从数学计算来看，这意味着损耗与临界电场强度的平方成正比，而不是与立方成正比（就像低频时一样）。

从手机充电器这种简单物件中，我们就可以看到更快的供电切换速度的好处。开关电源的工作原理是首先将墙上插头的交流电压进行整流，然后将其斩波为高频信号。变压器将电压降至所需水平，最后对信号进行整流和滤波。该系统中最庞大的部分是变压器和其他无源元件，只有提高频率才能使用更小的元件。如果需要更高的频率，那么带隙更宽和临界电场更高的半导体有助于更有效地实现目标，同时还能简化散热。

例如，一个1200伏的硅逆变器在20千赫的频率下切换的功率约为3千瓦。在150千赫的频率下切换时，相同功率的碳化硅逆变器可以在更高的温度下在尺寸仅为1/3的封装中工作。基于氧化镓的类似逆变器能够以接近兆赫的频率在相同的高温下工作，并且尺寸还可以再小一半（虽然需要尚未发明的磁性元件）。

因此，氧化镓等材料的真正电子性能来自于充分利用其临界电场强度，但这个临界电场强度值到底是多少呢？直到2015年，尚无团队给出这种材料可实现场强的真实数字。和其他器件一样，初步结果远未达到理论极限。

在俄亥俄州莱特帕特森空军基地的美国空军研究实验室（AFRL）工作时，我和我的同事接受了这个挑战。我们遇到的第一个问题是，任何使用具有如此高场强的材料制成的器件，都有可能超过可用测试设备的极限。原则上，2微米的材料可以阻挡1.5千伏以上！因此，我们建造了一个简单的MOSFET，缩小了它的几何结构，以适合更低的电压；栅极和漏极之间的间隙（电场最高的位置）只有600纳米。这样做，部分是为了更便捷地测量Ec的峰值，也因为我们希望能在射频频率下测试器件（因为更大型的高压设计不允许这样做）。

在这个早期研究中，晶体管能够承受230伏电压，这是射频测试设备的极限。由此产生的平均电场至少为每厘米3.8兆伏，而模拟表明内部电场峰值至少为每厘米5.3兆伏。相较于完整的每厘米8兆伏，第一次尝试的时候就测到了如此大的一部分，对此我们感到很惊讶！这是首次通过试验证明氧化镓的Ec值大于氮化镓的理论值（约为每厘米3.3兆伏）。客观来说，一个额定电压为600伏的类似氮化镓功率晶体管的栅极-漏极间隙通常为15到20微米，而我们的是600纳米。

取得这个结果之后，功率开关晶体管的研究开始以惊人的速度发展。2017年，我们制造了击穿电压大于600伏的MOSFET。2018年初，采用不同几何结构的MOSFET实现了达到或超过硅的理论极限的高频损耗值。此外，我们现在有了明确的方向，可以在未来几年内达到或超过最先进的氮化镓值。

2015年，在测量功率开关的Ec时，我们还推测，同样地在更小的器件中允许更高的电场，氧化镓可能会在射频电路中取得类似成功。不过那时我们缺少一个关键信息，即还没有关于材料中的电子速度与电场的函数关系的公开数据。

在用于放大射频信号的晶体管中，电子速度尤其重要。对射频技术来说，高功率输出和高频率是目标，约翰逊优值（JFOM）对此进行了总结。约翰逊优值表明，射频晶体管的功率和频率的乘积与半导体材料中载流子的最大速度和Ec的乘积直接成正比。其中的关键在于，在射频晶体管中，只有当载流子能够在射频波形的极性转换之前从源极一路到达漏极，才能实现放大。发生这种情况的最高频率称为“统一电流增益频率”（fT）。此处，氧化镓的高临界电场再次发挥作用，因为你可以缩小临界距离，同时仍然提供强大的电场来加速电子使其达到最高速度。

2017年，我们在美国空军研究实验室成功研发了首款亚微米级的氧化镓射频MOSFET。这些器件一开始的数据就令人印象深刻，虽然这些数据与氮化镓的数据不是一个级别。它们的统一电流增益频率为3千兆赫，最大振荡频率为13千兆赫；800兆赫时，输出功率密度为每毫米230毫瓦。之后，美国空军研究实验室还展示了1千兆赫时，脉冲射频功率输出密度超过每毫米500毫瓦的情况，最大振荡频率接近20千兆赫。更令人鼓舞的是，大约在同一时期，布法罗大学的克里什内杜•戈什（Krishnendu Ghosh）和乌塔姆•辛吉塞蒂（Uttam Singisetti）发表了理论计算结果，表明氧化镓的JFOM明显优于氮化镓。

自2017年首次展示其射频性能以来，射频氧化镓技术取得的最显著的进步是斯里拉姆•里希纳穆尔蒂（Sriram Krishnamoorthy）以及他与俄亥俄州立大学的希达思•拉詹（Siddharth Rajan）团队研发的新型掺杂技术和经过改进的掺杂技术。这些技术借鉴了硅技术，在使用这些技术生产的半导体中，发生导电的材料片中的电阻非常低，大约为每平方300欧姆（这就是正确的单位）。这和氮化镓器件中的水平相当。得到这一结果后不久，拉詹和加州大学圣芭芭拉分校的研究人员独立研发了类似高电子迁移率晶体管（HEMT）的氧化镓。

这类器件通常由砷化镓（GaAs）或氮化镓制成，是手机和卫星电视接收器的重要射频支柱。这类器件不是通过体半导体的掺杂沟道导电，而是通过在两个带隙不同的半导体之间的尖锐界面上形成的二维电子气来导电。这种情况中的半导体是氧化铝镓和氧化镓，与智能手机中的商用砷化铝镓/砷化镓HEMT技术完全相似。这些关键突破有利于射频器件的纵向和横向扩展。

尽管这些发展很有前景，但氧化镓不太可能挑战砷化镓或氮化镓在所有射频应用中的地位。了解到它本质上是一款很好的开关后，我们希望它在开关模式放大器（如D类、E类，或F类）中具备优势。在这些放大器中，该器件运行时的导通电阻非常低，并且可以利用低电流、高击穿电压特性来实现非常高的效率。另一方面，要求低阻抗和高电流的器件应用将青睐氮化镓，主要是因为其载流子迁移率和载流子密度较高。

那么，氧化镓有什么缺点？这种材料的致命弱点在于它的导热性不佳。事实上，在所有可用于射频放大或功率切换的半导体中，它的导热性最差。氧化镓的热导率只有金刚石的1/60，碳化硅（高性能射频氮化镓的基底）的1/10，约为硅的1/5。（有趣的是，它可以媲美主要射频材料砷化镓。）低热导率意味着晶体管中产生的热量可能会停留，有可能极大地限制器件的寿命。

不过，在放弃它之前，需要考虑以下问题：由于材料会对器件产生影响，因此要得到有关其热导率的真实同类比较结果，我们需要将它标准化为材料处理功率的能力。换言之，要除以Ec才能准确比较实际器件中的预期热问题。由此我们会发现，每种带隙比硅大的半导体（甚至是金刚石）在充分发挥其潜能时，都有散热问题。虽然这一事实对氧化镓而言于事无补，但它能推动我们努力寻找更好的散热方法。

例如，日本国家信息与通信技术研究所东京实验室的研究人员将p型多晶碳化硅粘合到了薄约10微米的氧化镓晶圆的背面，大大提高了器件的热阻。美国空军研究实验室的研究人员发现，在某些器件的拓扑结构中，几乎所有的热量都是在材料顶部1微米处产生的，因此他们模拟了接触电极和使用介质填料将热量分流到散热器的效果，并取得了较好的结果。这也是目前商用砷化镓异质结双极晶体管中使用的办法。因此，尽管氧化镓存在热量方面的挑战，但聪明的工程设计能够克服该问题。

另一个更基本的问题是，我们只能让氧化镓传导电子而不能实现空穴导电。从来没有人能用氧化镓制造良好的p 型导体。此外，令人沮丧的是，这种材料的基本电子特性使其在这方面希望渺茫。特别是，这种材料的能带结构的价带部分不具有空穴传导的形状。因此，即使有一种掺杂剂能使受体处于正确能级，所产生的空穴也会在它帮助传导之前困住自己。理论和数据如此一致时，很难找到办法解决这个问题。

虽然这一弱点确实带来了更多挑战，但它并非阻碍。许多所谓的仅限于大多数运营商的设备也取得了商业成功，比如USB-C壁式充电器。

氧化镓器件技术的研究阶段刚刚开始达到临界规模，我们正在规划快速开关、多千伏级功率晶体管和射频器件的应用空间。如今，经常有新的千伏级器件被研发出来。几十纳米临界尺寸的射频晶体管即将问世。我非常希望随着这项技术的发展，我们能够实现以前在任何其他材料中都无法实现的器件拓扑结构。

当然，在发展的道路上我们会打破一些东西（主要是电介质），但这就是颠覆性技术的定义。我们用已知的东西来换取潜在的性能，而目前，氧化镓的性能潜力远远大于其问题。

SiC：极限功率器件的理想材料 

1、 SiC：极限功率器件的理想的材料

SiC 是由硅和碳组成的化合物半导体材料，在热、化学、机械方面都非常稳定。C 原子和 Si 原子不同的结合方式使 SiC 拥有多种晶格结构，如4H、6H、3C 等等。4H-SiC 因为其较高的载流子迁移率，能够提供较高的电流密度，常被用来做功率器件。

▲三种不同的 SiC 结构

SiC 从上个世纪 70 年代开始研发，2001 年 SiC SBD 商用，2010 年 SiCMOSFET 商用，SiC IGBT 还在研发当中。随着 6 英寸 SiC 单晶衬底和外延晶片的缺陷降低和质量提高，使得 SiC 器件制备能够在目前现有 6英寸Si基功率器件生长线上进行，这将进一步降低SiC材料和器件成本，推进 SiC 器件和模块的普及。

▲SiC 功率器件的发展历史

SiC 器件相对于 Si 器件的优势主要来自三个方面：降低电能转换过程中的能量损耗、更容易实现小型化、更耐高温高压。

降低能量损耗。SiC 材料开关损耗极低，全 SiC 功率模块的开关损耗大大低于同等IGBT模块的开关损耗，而且开关频率越高，与IGBT模块之间的损耗差越大，这就意味着对于 IGBT 模块不擅长的高速开关工作，全 SiC 功率模块不仅可以大幅降低损耗还可以实现高速开关。

低阻值使得更易实现小型化。SiC 材料具备更低的通态电阻，阻值相同的情况下可以缩小芯片的面积，SiC 功率模块的尺寸可达到仅为 Si 的 1/10 左右。

更耐高温。SiC 的禁带宽度 3.23ev，相应的本征温度可高达 800 摄氏度，承受的温度相对 Si 更高；SiC 材料拥有 3.7W/cm/K 的热导率，而硅材料的热导率仅有 1.5W/cm/K，更高的热导率可以带来功率密度的显著提升，同时散热系统的设计更简单，或者直接采用自然冷却。

▲SiC 能大大降低功率转换中的开关损耗

▲SiC 更容易实现模块的小型化、更耐高温

2、 SiC 产业链：欧美占据关键位置

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。

SiC 衬底：SiC 晶体通常用 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，国内衬底以4 英寸为主。由于现有的 6 英寸的硅晶圆产线可以升级改造用于生产 SiC 器件，所以 6 英寸 SiC 衬底的高市占率将维持较长时间。

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。国内瀚天天成、东莞天域已能提供 4 寸/6 寸 SiC 外延片。

SiC 器件：国际上 600~1700V SiC SBD、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。价格方面，国际上的 SiC 产品价格是对应 Si 产品的 5~6 倍，正以每年 10%的速度下降，随着上游材料器件纷纷扩产上线，未来 2~3年后市场供应加大，价格将进一步下降，预计价格达到对应 Si 产品2~3 倍时，由系统成本减少和性能提升带来的优势将推动 SiC 逐步占领 Si 器件的市场空间。

▲SiC 器件生产流程

▲SiC 产业链及主要工序

据AIOT大数据了解，全球 SiC 产业格局呈现美国、欧洲、日本三足鼎立态势。其中美国全球独大，全球 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领先者，典型公司是罗姆半导体、三菱电机、富士电机等。

▲SiC 产业链各环节公司

3、SiC 市场：汽车是最大驱动力

SiC 器件正在广泛地被应用在电力电子领域中，典型市场包括轨交、功率因数校正电源（PFC）、风电（wind）、光伏（PV）、新能源汽车（EV/HEV）、充电桩、不间断电源（UPS）等。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。

▲SiC 器件应用领域广泛

▲2022 年 SiC 在电动车市场规模达到 24 亿美金

SiC 是制作高温、高频、大功率、高压器件的理想材料之一，技术也已经趋于成熟，令其成为实现新能源汽车最佳性能的理想选择。据AIOT大数据了解，与传统解决方案相比，基于 SiC 的解决方案使系统效率更高、重量更轻及结构更加紧凑。目前 SiC 器件在 EV/HEV 上应用主要是功率控制单元、逆变器、DC-DC 转换器、车载充电器等方面。

▲SiC 器件在四个关键领域提升电动汽车的系统效率

新能源车的功率控制单元（PCU）。PCU 是汽车电驱系统的中枢神经，管理电池中的电能与电机之间的流向、传递速度。传统 PCU 使用硅基材料半导体制成，强电流与高压电穿过硅制晶体管和二极管的时的电能损耗是混合动力车最主要的电能损耗来源。而使用 SiC 则大大降低了这一过程中能量损失，将传统 PCU 配备的 Si 二极管置换成 SiC 二极管，Si IGBT 置换成 SiC MOSFET，就可以降低 10%的总能量损耗，同时也可以大幅降低器件尺寸，使得车辆更为紧凑。据AIOT大数据了解，丰田中央研发实验室（CRDL）和电装公司从 1980 年代就开始合作开发 SiC 半导体材料，2014 年双方正式发布了基于 SiC 半导体器件的新能源汽车 PCU，是这一领域的典型代表。

▲采用 SiC 的 PCU 尺寸大大减小

▲罗姆的 SiC 赛车用逆变器明显降低重量及尺寸

车用逆变器。SiC 用在车用逆变器上，能够大幅度降低逆变器尺寸及重量，做到轻量化与节能。在相同功率等级下，全 SiC 模块的封装尺寸显著小于 Si模块，同时也可以使开关损耗降低75％（芯片温度为 150° C）；

在相同封装下，全 SiC 模块具备更高电流输出能力，支持逆变器达到更高功率。据AIOT大数据了解，特斯拉 Model 3 采用了意法半导体（后来增加了英飞凌）生产的SiC逆变器，是第一家在主逆变器中集成全SiC功率模块的车企。2017年 12 月 2 日，ROHM 为 VENTURI 车队在电动汽车全球顶级赛事“FIAFormula E” 锦标赛第四赛季中提供了采用全 SiC 功率模块制造的逆变器，使得相对于第二赛季的逆变器尺寸下降 43%，重量轻了 6kg。

车载充电器。SiC 功率器件正在加速其在车载充电器领域的应用趋势，在今年的功率器件展 PCIM Europe 2018（2018 年 6 月 5~7 日在德国纽伦堡举行）上，多家厂商推出了面向 HEV/EV 等电动汽车充电器的 SiC功率器件产品。据 Yole 统计，截至 2018 年有超过 20 家汽车厂商在自家车载充电器中采用 SiC SBD 或 SiC MOSFET 器件，且这一市场在2023 年之前保持 44%的增长。

▲超过 20 家汽车制造商在车载充电器中采用 SiC

高频转换专家:氮化镓（GaN）

氮化镓优异特性：

资料来源：品利基金

氮化镓被誉为最新一代的半导体材料，发展和应用的潜力巨大。氮化镓比硅禁带宽度大3倍，击穿场强高10倍，饱和电子迁移速度大3倍，热导率高2倍。这些性能提升带来的一些优势就是氮化镓比硅更适合做大功率高频的功率器件，同时体积还更小，功率密度还更大。

随着氮化镓（GaN）应用的不断广泛，其特点也逐渐显现，具体如下：

而氮化镓（GaN）应用领域有：

氮化镓产业链

氮化镓产业链包括衬底、外延、芯片设计、芯片制造、封测、下游应用等垂直分布环节。

氮化镓器件产业链及主要企业：

资料来源：国海证券

氮化镓产业链上游：衬底

虽然GaN自支撑衬底缺陷密度较低，但由于成本高居不下，因此业界常以蓝宝石、碳化硅、硅作为衬底。

硅基GaN市场快速增长：

资料来源：Yole

目前主流氮化镓器件公司都采用碳化硅衬底，因为基于碳化硅衬底的氮化镓器件比硅衬底氮化镓器件性能更好，良率更高，更能体现氮化镓材料优势。

碳化硅衬底虽然和GaN匹配更好，但是碳化硅衬底成本高昂，与硅衬底相比，氮化硅衬底的GaN器件成本高100倍，衬底处理时间相差200-300倍，因此众多厂商在积极推进GaN onSi布局。

据AIOT大数据了解，目前，GaN自支撑衬底仍以2-4英寸小尺寸晶圆为主。随着硅晶圆不断向大尺寸扩展，预计硅基GaN器件成本将降低30%-50%。

由于GaN衬底单价较高，主要面向科研、激光显示、射频、电力电子等高端市场。

GaN不同衬底路径布局概览图:

图表来源：Yole

从全球GaN衬底市场格局来看，日本厂商在GaN衬底占据领先位置，包括住友电工、三菱化学、住友化学等，三家日商合计市场份额超过85%。

我国GaN核心材料、器件原始创新能力相对薄弱，主要研发仍集中于军工方面。

外延生长

GaN材料的外延正常主要分为MOCVD法、HVPE法、MBE法、Na Flux法、氨热法、高压溶液法等。其中MOCVD法成品率最高、质量最好，例如，全新光电采用 MOCVD，英特磊采用 MBE 技术法。

作为一种半导体，GaN具有高电子移动性和高带隙基准源的特性，它非常坚固，并且可以通过分层和外延生长（绝缘体技术半导体）在多种技术中实现应用。其中就包括碳化硅GaN（GaN-on-SiC）、硅GaN（GaN-On-Si）、GaN-On-GaN，甚至是钻石GaN。这些各种各样的绝缘基底展示出一系列性能、可靠性、功率密度，也显示出价格和其他制造/设计问题。因此，GaN技术能够满足大量应用的需求。

据AIOT大数据了解，到目前为止，GaN在射频技术中最常见的应用就是作为功率放大器（PA）。然而，一些公司也开发出了GaN低噪音放大器、混合器、二极管、交换器、电阻器和其他射频组件。行业当前的普遍认知是，GaN设备倾向于设计用于高频和高功率应用案例。这是因为GaNs的成本高于其他高频半导体技术——比如硅和砷化镓（GaAs），但是其高功率性能要好得多。

比如说，在一些高频、宽带宽及超过6 GHz的高功率应用中，想要达到更加可靠且高效的单一GaN PA性能的话可能就需要用到一些GaAs或者Si PA。在其他案例中，GaN也在高频和宽带宽应用——比如传感和测试及测量仪器中——取代了GaAs和磷化铟（InP）。

因其所具备的这些特性，GaN设备已深入传统技术主导的市场，比如横向扩散金属氧化物半导体（LDMOS）Si Pas和行波管放大器（TWTAs）。这些应用包括高频和高峰脉冲功率应用案例，比如雷达、雷达干扰器和Ka波段（27 GHz 至40 GHz）卫星通信。由于GaN设备具有多功能性，因此GaN放大器也用于商业无线应用，比如正在进行中的6 GHz 以下4G/5G部署和5G毫米波基础设施建设。

GaN放大器和其他设备用于处理来自近直流电至几十吉赫的频率。近年来，有关人员也对运行至超过100 GHz甚至太赫兹（THz）的GaN设备进行了一些研究。但由于大多数主流应用仍低于6 GHz，所以GaN设备的最大市场就是在这些应用中取代高功率放大器（HPAs）。除此之外，航天航空、卫星通信和传感应用也在大踏步迈向毫米波GaN Pas。

鉴于这些应用案例的多样性，我们难以准确预测GaN技术的市场增长和渗透力，但是市场调查公司普遍认为，GaNs在2020年代的年增长率大于10% CAGR。另外，对GaN研究和开发的投入程度也构成了预测GaN技术在某些市场中的增长和渗透力的挑战。这一研究的主要领域是开发用于现代无线通信的高功率附加效率（PAE）GaN Pas。而随着新5G及其他无线通信技术的兴起，它们所使用新的调制方案和技术为Pas带来了额外的设计约束，比如对高频率、高功率和宽带宽的需求。

氮化镓产业链上游：衬底

虽然GaN自支撑衬底缺陷密度较低，但由于成本高居不下，因此业界常以蓝宝石、碳化硅、硅作为衬底。

硅基GaN市场快速增长：

资料来源：Yole

目前主流氮化镓器件公司都采用碳化硅衬底，因为基于碳化硅衬底的氮化镓器件比硅衬底氮化镓器件性能更好，良率更高，更能体现氮化镓材料优势。

碳化硅衬底虽然和GaN匹配更好，但是碳化硅衬底成本高昂，与硅衬底相比，氮化硅衬底的GaN器件成本高100倍，衬底处理时间相差200-300倍，因此众多厂商在积极推进GaN onSi布局。

目前，GaN自支撑衬底仍以2-4英寸小尺寸晶圆为主。随着硅晶圆不断向大尺寸扩展，预计硅基GaN器件成本将降低30%-50%。

由于GaN衬底单价较高，主要面向科研、激光显示、射频、电力电子等高端市场。

GaN不同衬底路径布局概览图:

图表来源：Yole

从全球GaN衬底市场格局来看，日本厂商在GaN衬底占据领先位置，包括住友电工、三菱化学、住友化学等，三家日商合计市场份额超过85%。

我国GaN核心材料、器件原始创新能力相对薄弱，主要研发仍集中于军工方面。

国内碳化硅衬底主要有天科合达、天岳、中电科等；国内从事GaN单晶生长的企业，主要有苏州纳维、东莞中镓、上海镓特和芯元基等。

赛迪顾问预测，到2022年我国GaN衬底市场规模将达到5.67亿元。

氮化镓产业链上游：材料外延

GaN技术的难点在于晶圆制备工艺，由于制备氮化镓的单晶材料无法从自然界中直接获取，所以氮化镓的主要制备方法是在蓝宝石、碳化硅、硅等异质衬底上进行外延。

据AIOT大数据了解，目前，GaN器件的售价还比较高，是同电压等级的Si器件的4~5倍。GaN器件的成本主要来源于外延部分。

氮化镓外延片海外相关企业主要有比利时的EpiGaN、英国的IQE、日本的NTT-AT。

从事氮化镓外延片的国内厂商主要有三安光电、赛微电子、海陆重工、晶湛半导体、江苏能华、英诺赛科等。

在外延片方面，4~6英寸Si基GaN外延片已经实现量产，目前市场份额最高的是住友电工、Cree、Qorvro等三家厂商。

Cree收购整合Wolfspeed，在基于SiC衬底的GaN具有较强技术优势，具有较高电子迁移率。Qorvo的GaN产品在国防和航天领域市占率第一名。富士通、东芝、三菱电机等也在积极布局。

国内GaN衬底研究合作情况：

资料来源：华西证券

氮化镓产业链中游：器件设计和制造

化合物半导体芯片性能与材料、结构设计和制造工艺之间的关联性较强，因此很多企业采用IDM模式。

氮化镓下游应用行业拥有大量的市场参与者，全球产能集中于IDM厂商，设计与制造环节逐渐向垂直分工合作模式转变。

IDM企业中日本的住友电工与美国的Cree为行业龙头，市场占有率均超过30%。

据AIOT大数据了解，中国GaN器件IDM企业有苏州能讯、英诺赛科，大连芯冠科技正在布局，海威华芯和三安集成可提供GaN器件代工服务，其中海威华芯主要为军工服务。中电科13所、55所同样拥有GaN器件制造能力。

国内士兰微、世纪金光、泰科天润也都是IDM模式为主。

GaN产业链也有许多Fabless企业，如EPC、Dialog、GaN system等，委托台积电等企业代工。

国从事氮化镓器件的厂商主要有三安光电、闻泰科技、赛微电子、聚灿光电、乾照光电等。

氮化镓产业链下游应用

早在60年代氮化镓已经应用于LED产品中。近几年，随着技术逐渐走向成熟，目前氮化镓器件已应用于微波射频器件（通信基站等），电力电子器件（电源等），光电器件（LED照明、激光等）。

射频领域：5G基站、军工是GaN重要驱动

氮化镓作为一种宽禁带半导体，具有高功率密度、低能耗、适合高频率、支持宽带宽等特点，是实现5G 的关键材料。

目前射频器件领域LDMOS、砷化镓（GaAs）、氮化镓（GaN三）者占比相差不大，但据Yole预测，至2025年，砷化镓市场份额基本维持不变的情况下，氮化镓有望替代大部分LDMOS份额，占据射频器件市场约50%的份额。

随着5G时代的到来，5G基站建设将大幅度带动氮化镓射频与功率器件市场。

射频领域：5G基站空间广阔

射频领域是GaN目前渗透率较高、未来发展前景大的产业，尤其是用于价格敏感度较低的基站建设和改造。

由于GaN材料的散热特性、功率特性能够较好满足5G基站要求，且随着GaN器件成本的下降和工艺的成熟，氮化镓GaN材料有望成为基站PA主流材料。

同时，由于在基站领域，毫米波、小基站、Massive  MIMO、波速成形、载波聚合等需求均需要使用GaN相关器件，随着这些5G新技术的推进，GaN在整个基站所用半导体器件的比重也不断提升。

效率方面，中兴通讯的数据显示，在基站设备中，射频功放的能耗占到总能耗的60%左右。因此提升射频PA效率是运营商降低运营成本（OPEX）、实现节能环保最为有效的手段之一。

根据赛迪智库测算数据，中国5G网络小基站需求约为宏基站的2倍，即需要1000万站小基站。按照每个小基站需要2个放大器，小基站建设进度落后宏基站1年测算，到2024年基站端GaN射频器件规模达到峰值，可达9.4亿元。

根据CASA预估，全球移动通信基站射频功率器件市场规模约10亿美元，国内中兴、华为、大唐总需求约3~4亿美元，GaN渗透率目前约8~12%，空间巨大且正在快速渗透。

氮化镓在通信基站中的应用趋势：

相对于电力电子领域，射频领域技术难度大、壁垒更高，因此集中度更高。

在GaN射频器件领域，全球顶级供应商包括日本住友电工（SEDI）、美国科锐（Cree/Wolfspeed）和Qorvo、韩国艾尔福（RFHIC）等。

化合物半导体代工厂包括稳懋半导体（Win Semi）、三安光电等。

据AIOT大数据了解，目前销售GaN PA的厂商有Qorvo、Analog、Cree、NXP、Skyworks。目前来看Qorvo推出的GaN  PA品类最多，工作频率覆盖范围最广。

海外射频领域GaN厂商布局：

资料来源：赛迪顾问

近年来国防、航天领域GaN器件市场规模持续放大，民用市场近年来也在悄然兴起。

从细分领域来看，无线基础设施是最大也是未来发展最快的市场。除此在外，GaN在汽车、无人机、无线专网、无线通讯配套直放站等领域也开始渗透。

电力电子：快充快速增长，新能源车潜在空间大

根据IHS数据，GaN功率器件市场复合增速高达30%，到2027年预计超过10亿美元。

通信、汽车、工业市场是GaN功率器件的主要驱动力。

电力电子随着新能源汽车、光伏产业发展，也具有较大发展潜力。

GaN电力电子领域主要增长点在于快充、电源PFC、高频激光雷达和无线充电领域。

功率器件：快充是GaN增长最快的领域之一

随着电子产品的复杂性不断提升，充电器的功率也随之增大。传统的功率开关满足市场对大功率快充的需求。

据AIOT大数据了解，在消费电子领域，GaN器件是目前最快的功率开关器件，并且可以在高速开关的情况下仍保持高效率水平，能够应用于更小的元件，应用于充电器时可以有效缩小产品尺寸。

从技术角度分析，采用GaN技术的充电器外形尺寸可比传统的基于硅的充电器减少30-50%，同时，整体系统效率可高达95%，在相同尺寸和相同输出功率的情况下，充电器外壳温度将比传统充电器更低。

根据CES2020数据显示，已经有30家充电头厂商推出了66款氮化镓快充产品，涵盖了18W、30W、65W、100W等多个功率段。

国内手机大厂OPPO、小米、华为相继发布氮化镓快充，充电器配件厂商试水氮化镓的行动甚至要更早些。

根据BBC Research的数据，全球手机充电器市场规模将从2017年的181亿美元增长至2022年的250亿美元，其中快充占27.43亿美元，占比10.97%。GaN充电器市场即将迎来快速成长期。

GaN充电器的功率芯片主要由纳微半导体、Power Integrations（PI）、英诺赛科三家供应。

其他重要芯片包括电源主控、氮化镓驱动、协议芯片以及整流器件。

目前，GaN功率器件主要由EPC、GaN Systems、Transphorm和Navitas等纯GaN初创公司主导，并通过TSMC、Episil和X-FAB代工生产的。

国内的新兴代工厂中，三安集成和海威华芯具有量产GaN功率器件的能力。

国内功率GaN器件布局：

资料来源：国盛证券

氮化镓行业竞争格局

全球GaN市场的主要参与者通过在销售、市场和技术方面的密切合作显示出协同效应。

氮化镓衬底供应商也通过与同行以及各种研究机构建立战略联盟来扩大规模，以建立自己在全球市场的参与者地位。

例如Rohm和Cree整合了SiC从衬底到模组的全产业链环节；Mitsubishi Electric和Fuji Electric整合了芯片到终端应用系统。

GaN产业链整合：

图表来源：Yole

目前主流氮化镓生产厂家依旧集中在欧洲国家及日本等，我国企业尚未进入供给端第一梯队。

全球基站端射频器件的供应商以IDM企业为主，主要有日本住友电工旗下的SEDI公司（Sumitomo Electric Device Innovations）、美国Cree旗下Wolfspeed公司、Qorvo公司、MACOM公司、Ampleon、韩国RFHIC等。

代工厂商主要有环宇通讯半导体（GCS）、稳懋半导体、日本富士通、Cree、台湾嘉晶电子、台积电、欧洲联合微波半导体公司（UMS），以及中国的三安集成和海威华芯。

此前恩智浦RF部门（安谱隆前身）、英飞凌RF部门（已出售给Cree）、韩国RF HIC将GaN射频器件委托Cree公司代工。

MACOM收购Nitronex在2011年就与环宇通讯半导体（GCS）公司合作生产Si基GaN器件，一直合作至今。

氮化镓在性能、效率、能耗、尺寸等方面较市场主流的硅功率器件均有显著数量级的提升，但其发展也面临着许多问题。

氮化镓是自然界没有的物质，完全要靠人工合成。氮化镓没有液态，因此不能使用单晶硅生产工艺的直拉法拉出单晶，纯靠气体反应合成。

由于反应时间长，速度慢，反应副产物多，设备要求苛刻，技术异常复杂，产能极低，导致氮化镓单晶材料极其难得。但是目前来看，缺点在于产品成本很高，不利于大批量生产。

但是长远来看，氮化镓在5G通信、电源等市场都有着广阔的前景，同时，在数据中心服务器电源、高端工业配电系统电源等领域也有着应用潜能。

硅基和碳化硅基的器件将率 先商用：虽然基于GaN衬底的 GaN器件，在各个性能指标都 处于领先水平，但是衬底价格 过高。所以硅基和碳化硅基的 GaN器件将会率先商用。

氮化镓材料性能优异，应用市场广泛

氮化镓（GaN）可同时涵盖射频和功率领域，特别 是在高功率和高频率领域应用效果特别出色，与其 他化合物半导体材料相比，具有较高投资价值。以氮化镓为材料的功率半导体器件可广泛应用 于工业、通信、计算机、消费电子、汽车电子、 航空航天、国防军工等传统产业领域。

射频通信：5G通信驱动技术升级，GaN将逐步替代LDMOS

氮化镓将成为5G射频器件的主要材料

使用GaN制 作的功放产品的输出功率和效率都显著优于其他 材料（GaAs、LDMOS）制作的功放产品；频率响应 曲线的平坦持续范围最宽。正是由于GaN优秀的材料特质，毫米波、MassiveMIMO、波束合成以及载波聚合等5G移动通信中使用 到的核心基础技术最后都将使用GaN材料制作功率放 大器产品。

GaN材料在射频产品的渗透率将逐步提升

射频器件材料主要有三种：GaAs ，基于 Si 的 LDMOS以及GaN 。GaAs器件的缺点是器件功率较低，低于 50W；LDMOS 器件的缺点是工作频率存在极限，最高有效频率在3GHz以下；GaN弥补了GaAs和Si基LDMOS两种 老式技术之间的缺陷，在体现 GaAs 高频性能的同时，结合了Si基LDMOS的功率处理能力。随着GaN材料工艺的成熟和成本的下降，GaN在射频市场的渗透率将提升，预计到2025年将达到50%左右。

全球GaN射频器件市场将保持12%的增速，预计2025年达20亿美元

2019年-2025年，GaN射频器 件市场将保持12%的增速增长，预 计2025年达20亿美元。通信和军工是推动GaN射频器 件市场增长的主要驱动力， 2025 年通信市场规模占比 36.6%,军工占比55.5%。2025年，全球通信射频前端市 场规模将达36亿美元，其中功 放市场15亿美元，GaN在功放市 场的渗透率将超过50%。

功率器件：消费电子率先突破，中高压领域或后来居上

提高效率并实现小型化是GaN在功率器件领域的目标

GaN器件的转换效率高：由于导通电阻小，使用GaN器件 制作的功率器件转换效率将显著提升，显著降低电力损 耗情况，达到节能的效果。GaN器件的体积将显著降低：由于导通电阻小、可在高 温环境下共奏以及效应速度快，器件体积将显著降低。

GaN功率器件有望在低压领域代替硅基功率器件

GaN功率器件在中低压领域优势较为明显：由于SiC衬 底价格比较昂贵，目前大多数GaN功率器件均采用Si衬 底；采用GaN-on-Si的功率器件工作电压在1000V以下， 成本在1美金左右。因此，GaN功率器件在低压领域 （0-900V）首先商用，替代传统的硅基功率器件。潜在市场规模约300亿美元：按照工作电压 来分类，全球功率器件的68%左右应用在0- 900V的低压领域；以2021年442亿美元的功率 器件市场来看，GaN功率器件的潜在市场规模 约300亿美元。

GaN功率器件在充电器产品的潜在市场规模约80亿美金

GaN器件制作的充电器体积小、重 量轻，在发热量、转换效率上比硅 基器件制作的充电器有显著的优势， 大大改善了用户的使用体验。GaN功率器件的应用目标主 要为笔记本电脑、手机、平 板等电源；目前来看，基于 GaN的充电器将成为首选。全球每年充电器销售量大约为40 亿只，按照每个充电器使用2个芯 片，每芯片1美金估算，GaN在快 充市场潜在规模大约为80亿美金。

GaN功率器件在数据中心行业具有可观的降本增效空间

提升效率：GaN器件制作的服 务器电源，相比于硅基产品， 功率密度可以提升2.8倍，转换 效率可以提升7个百分点。

降低成本：服务器用电是数据 中心最主要的成本，占比约50% 左右，使用GaN电源后，单机柜 年度电费可降低2400元。

提高收入：使用GaN电源后，单 机柜可装服务器数量由30个提升 到34个，对于IDC服务商来说， 单机柜租金增长空间约13%。

GaN功率器件在新能源车领域的应用可能提前

由于硅基GaN功率器件的工作电压较低，而耐 高压的SiC基GaN功率器件又比较贵，因此法国 Yole公司预估，GaN功率器件要到2025年后，才 有可能在电动车上部署。

GaN功率器件在新能源车上的应用将提前：IMEC实验室在4月29日宣布了工作电压可达 1200V的硅基GaN外延片；若是商业化顺利，硅 基GaN功率器件在新能源车上的应用将提前。

全球GaN功率器件市场将保持70%的增速，预计2025年达11亿美元

2020年-2026年，GaN功率器 件市场将保持70%的增速增长，预 计2026年达11亿美元。通信和消费电子是推动GaN功 率器件市场增长的主要驱动力， 2026 年通信市场规模占比 20.3%,消费电子占比61.1%。传统车和新能源车会是GaN功 率器件应用的一个全新场景， 2026年，市场规模会从2020年 的30万美元增加到1.6亿美元。

硅基氮化镓外延技术壁垒高，难以在短期掌握

硅基氮化镓外延片技术壁垒高：生产是系统性工 程，原材料配方设计、制造工艺技术、配套设备工 艺设计、自主研发能力、资本实力、产业链资源等 各方面的能力储备缺一不可。

行星式反应炉的控制难以在短期内掌握：生 产过程当中，需要：使晶圆片受热均匀、控 制好掺杂浓度要控制好、控制晶圆上下面的 温差、控制衬底边缘的晶圆翘曲度。