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近年来，以碳化硅和氮化镓为代表的第三代宽禁带功率半导体迅猛发展，已成为中国功率电子行业的研发和产业化应用的重点。
抓住第三代宽禁带功率半导体的战略机遇期，实现半导体材料、器件、封装模块和系统开发的自主可控，对保障工业创新体系的可持续发展至关重要。
本文在分析第三代宽禁带功率半导体重要战略意义的基础上，综述了其材料、器件研发和产业的发展现状，阐述了碳化硅及氮化镓器件在当前环境下的应用成果，剖析了第三代半导体行业存在的关键问题。
第三代半导体指的是SiC、GaN、ZnO、金刚石（C）、AlN等具有宽禁带（Eg＞2.3eV）特性的新兴半导体材料，具有高热导率、高击穿场强、高饱和电子漂移速率和高键合能等优点。
Si材料与SiC、GaN材料的性能对比
第三代宽禁带功率半导体器件的优势主要表现在：
01、比导通电阻是硅器件（相同等级下）的近1/，可大幅降低器件的导通损耗；
02、开关频率是硅器件的10余倍，可以大大减小电路中储能元件的体积，从而成倍地减小设备体积，减少贵重金属等消耗；
03、理论上可以在℃以上的高温环境下工作，并有抗辐射的优势，可以大大提高系统的可靠性，在能源转换领域具有巨大的技术优势和应用价值。
目前，第三代宽禁带功率半导体器件已经在智能电网、电动汽车、轨道交通、新能源并网、开关电源、工业电机以及家用电器等领域得到应用，并展现出良好的发展前景。
国际领先企业已经开始市场布局，全球新一轮的产业升级已经开始，正在逐渐进入第三代半导体时代。
第三代宽禁带功率半导体的发展现状
近几年，随着材料科学技术的快速发展，SiC和GaN等宽禁带半导体材料的关键技术问题得到了根本性质的突破。
在5G和新能源汽车等新市场需求的驱动下，第三代宽禁带功率半导体有望迎来加速发展。
SiC单晶材料的发展现状
目前生长SiC单晶最成熟的方法是物理气相输运（PVT）法，通过控制PVT的温场、气流等工艺参数可以生长特定的4H-SiC晶型。
SiC单晶材料主要有导通型衬底和半绝缘衬底两种，首要解决的问题是发展高质量、大尺寸的单晶材料，重点发展方向为持续增大晶圆尺寸、降低缺陷密度。
关于SiC衬底技术，国内主要SiC单晶衬底材料企业和研发机构已经具备了成熟的4英寸零微管SiC单晶产品能力，并已经研发出了6英寸单晶样品，但是在晶体材料质量和产业化能力方面距离国际先进水平存在一定差距。
SiC功率器件的发展现状
SiC功率半导体器件包括二极管和晶体管，由于晶体管的技术难度大，产业化进度落后于二极管。
目前，SiCIGBT和GTO等器件由于技术难度更大，仍处于研发阶段，距离产业化有较大的差距。
SiCJBS二极管和MOSFET晶体管由于其性能优越，成为现阶段应用最广泛、产业化成熟度最高的SiC功率器件。
随着国际上SiC功率器件技术的进步和制造工艺从4英寸升级到6英寸，器件产业化水平不断提高，SiC功率器件的成本迅速下降，全球SiC功率器件市场的快速发展，在SiC二极管、SiCMOSFET等器件均有一些代表性的产业化公司引领行业发展。
全球SiC功率器件市场的预测分析
在研发领域，国际上已经开发了10kV、20kV以上的器件样品，但短期内无法实现产业化；VSiCMOSFET芯片单片电流可达A，全SiC功率模块最大电流容量达到A，最高工作温度达到℃，并采用芯片双面焊接、新型互联和紧凑型封装等技术来提高模块性能。
国内外SiC产业竞争格局示意
中国在“十二五”初期掀起了研发第三代功率半导体器件领域的热潮，在“十三五”期间则掀起了产业化的浪潮，并通过设置国家重点研发专项等来从下游应用端拉动SiC功率器件的研发和产业化。
V单片电流90A（高温60A）SiCMOSFET已有产品销售，但迄今自主芯片尚无新能源汽车装车（包括样车）应用案例。
GaN功率器件的发展现状
在民用领域，有线电视运营商最先开始大规模地开发和使用GaN功率器件，以在增加带宽的同时，通过提高能源效率降低运营成本。
目前SiC基GaN和硅基GaN之间的性能差距已经显著缩小，经济高效的硅基GaN功率晶体管已与SiC基GaN具有同样的电源效率和热特性。
在无线基站市场，GaN功率放大器在4G领域取得了重大进展，GaN提供的显著技术优势使之将用于服务于下一代基站，尤其是1.8GHz以上的手机频段。
在5G领域中，基于GaN的功率放大器更是取得了蓬勃的发展，目前中国基站厂商在中国5G系统的初期部署中均采用了基于GaN的功率放大器器件，其他基站厂商也在跟进。
目前全球有超过30家企业从事GaN半导体的研发，其中实现商业化量产的企业仅有10家左右，产业以IDM企业为主，但设计与制造环节已经开始出现分工。
GaN器件产业链各环节主要企业示意
中国的GaN发展虽然起步晚，但在政策不断支持下GaN相关产业也在迅速发展。中国企业目前可以小批量生产2英寸衬底，具备4英寸衬底生产的能力，开发出了6英寸样品，并在建多个与第三代半导体相关的研发中试平台。
第三代功率半导体应用成果
SiC器件应用成果
SiC功率器件在电力转换需求频繁、对电力转换组件有体积或质量要求、相对高温的使用环境上有得天独厚的优势。
在新能源汽车领域，采用SiC功率器件可以提升电池的能量利用率，同时可减少电力转化模块的体积和质量、节省散热组件，从而实现整车轻量化，综合来看，使新能源汽车在同样的电池容量下实现了更高的续航里程。
另外，在高频次使用的直流充电桩上更适合应用SiC功率器件，以降低电能损耗、节省充电桩体积、提高充电速率、延长设备使用寿命。
特斯拉中国Model3与ModelY电动车、比亚迪“汉”电动车和精进电动出口德国大众Traton商用电动车的SiC控制器已有量产和样车装车应用。
预计年中国将有50万辆装有SiC控制器的新能源汽车，其中8-10万辆是自主品牌汽车。
电动化车辆的SiCMOSFET控制器
在绿色能源领域，光伏发电并入电网需要将直流电逆变成交流电，这个过程需要功率器件参与，采用SiC功率器件可直接提升电能的转化效率，增加其并网发电收入。
风力发电的电能转换过程需要经过整流、逆变两步，采用SiC功率器件能更好地提升风能的利用效率。
同时，SiC功率器件更耐受极端环境，更适合光伏、风力发电领域。
在轨道交通领域中，已有多家公司和科研院所都