摘要：第三代半导体具备高频、高效、高功率、耐高温、抗辐射能力强等优越性能，是支撑新一代移动通信、新能源汽车、能源互联网等产业自主创新发展和转型升级的重点。赛智产业研究院课题组通过研究第三代半导体发展现状，分析第三代半导体氮化镓和碳化硅产业生态，以及第三代半导体光电子器件、射频电子器件和电力电子器件三大应用领域。
关键词：第三代半导体、集成电路、电子信息产业、碳化硅（SiC）、氮化镓（GaN）
一、第三代半导体发展概述
第三代半导体主要是指以碳化硅（SiC）、氮化镓（GaN）、氧化锌（ZnO）为代表的宽禁带半导体，第三代半导体具有宽禁带、击穿电厂高、热导率高、电子饱和速率高、抗辐射能力强等优越性能，目前第三代半导体主要应用于半导体照明、电力电子器件、工业及商业电源、新能源汽车、微波射频等行业。Si、GaAs、SiC和GaN的一些物理参数如下表所示：
表1主要半导体材料物理参数
在国内市场环境偏紧和国际形势紧张的大背景下，我国第三代半导体产业持续向前推进，年，我国第三代半导体整体产值超过亿元。其中，光电子（主要为半导体照明）为亿元，电力电子和微波射频产值约为60亿元。其中，SiC、GaN电力电子产值规模近24亿元，同比增长超过80%；GaN微波射频产值规模近38亿元，同比增长近75%。
图1年我国SiC、GaN电力电子产业和微波射频产业产值（单位：亿元）
二、第三代半导体产业生态
在国家政策支持、市场需求驱动下，我国第三代半导体产业得到快速发展，已基本形成了涵盖上游衬底、外延片，中游器件设计、器件制造及模块，下游应用等环节的产业链布局。
氮化镓方面，我国衬底企业主要有东莞中稼半导体、苏州纳维科技、镓特半导体等，外延片企业主要有晶湛半导体、聚能晶源、世纪金光、聚力成半导体等，器件设计方面有赛微电子，制造企业主要有海威华芯、厦门三安集成等，IDM企业主要有能讯高能半导体、能华微电子、英诺赛科、大连芯冠科技、华功半导体以及中电科十三所、中电科五十五所等。
图2氮化镓产业生态
碳化硅方面，我国衬底企业主要有山东天岳、天科合达、中科钢研节能、世纪金光等，外延片企业主要有瀚天天成、天域半导体、世纪金光等，器件制造方面有厦门三安集成、海威华芯等，IDM企业主要有泰科天润、中车时代、世纪金光、芯光润泽以及中电科十三所、中电科五十五所等。
图3碳化硅产业生态
三、第三代半导体应用领域
第三代半导体主要应用在光电子器件、射频电子器件和电力电子器件三个领域。
图4第三代半导体应用三大领域
（一）光电子器件：半导体照明、激光器等将持续平稳增长
半导体照明使用的材料体系主要包括蓝宝石基GaN、SiC基GaN、Si基GaN三种，每种材料体系的产品都对应不同的应用。其中，蓝宝石基GaN是最常用的，也是最为成熟的材料体系，大部分LED照明都是通过这种材料体系制造的。SiC基GaN制造成本较高，但由于散热较好，非常适合制造低能耗、大功率照明器件。Si基GaN是3种材料体系中制造成本最低的，适用于低成本显示。我国LED照明产品国内市场渗透率即LED照明产品国内销售数量与照明产品国内总销售数量之比不断上升，年达到78%。
图5我国LED照明产品国内市场渗透率
（二）射频电子器件：5G通信基站、雷达等推动GaN射频市场需求不断增大
微波射频器件是实现信号发送和接收的基础部件，主要包括射频开关、LNA、功率放大器、滤波器等器件，其中，功率放大器是放大射频信号的器件，直接决定移动终端和基站的无线通信距离、信号质量等关键参数。随着5G对射频功率、耗能要求的提升，半绝缘型碳化硅晶片的需求量也将大幅增长，5G射频领域将逐渐用氮化镓取代硅基材料。国防军事与航天发展将推动我国GaN市场规模不断扩大，氮化镓已经大量运用于相控阵雷达、电子对抗战、精确制导等场景。
（三）电力电子器件：新能源汽车、消费电子及工商业电源应用高速增长
新能源汽车和充电桩市场是碳化硅功率器件市场增长的重要动力。受5G浪潮、新基建等宏观因素影响，碳化硅将实现规模化应用。新能源汽车是碳化硅的主要应用领域，主要应用包括电机驱动器、车载充电器（OBC）/非车载充电桩、电源转换系统（车载DC/DC）等。随着新能源汽车的发展，对功率半导体器件的需求量将会日益增加，根据Yole数据，碳化硅功率器件市场规模将从年的4.8亿美金到年亿美金，即10年增长20倍。目前，市场上销售的新能源汽车所搭载的功率半导体多数为硅基器件，如硅基IGBT和硅基MOSFET，随着技术和产品的成熟，第三代半导体将逐步替代大部分硅基产品。
表2第三代半导体在新能源汽车的应用情况
第三代半导体将在光伏领域广泛应用。在光伏发电应用中，基于硅基器件的传统逆变器成本约占系统10%左右，却是系统能量损耗的主要来源之一。受太阳能模组的下游需求驱动，碳化硅和氮化镓将引领太阳能逆变器隔离器市场在年达到14亿美元，高效、高功率密度、高可靠和低成本是光伏逆变器的未来发展趋势。在组串式和集中式光伏逆变器中，碳化硅产品预计会逐渐替代硅基器件。
氮化镓将加速开启快充市场。氮化镓电力电子器件具有更高的功率密度，采用GaN的充电器体积小、重量轻、转换效率高、发热低、安全性强，较普通充电器有显著优势。据Gartner数据，全球智能设备年均新增出货量超20亿台，随着GaN在该市场渗透提速，未来几年快充市场将成为GaN电力电子器件最大的推动力。
注：本文摘自赛智时代大数据课题组魏贝、周振松完成的研究报告，详细内容