第三代半导体概念

第三代半导体概念

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一、背景简介

半导体材料是半导体产业链上游中的重要组成部分，在集成电

路、分立器件等半导体产品生产制造中起到关键性的作用。目前

全球的半导体产业游正向中国大陆转移，中国晶圆厂扩产的步伐

已逐渐加快。伴随着国内晶圆厂的投产，将产生更多半导体材料

的需求，市场需求空间被打开。

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第三代半导体材料是以碳化硅（Sic） 、氮化掠（Gal）、氧

化锌（zo） 、金刚石、氮化铝（AIN）为代表的宽禁带半导体

材料，目前碳化硅（sic）和氮化綜（Gal）是主流，具有高击穿

电场、高饱和电子速度、高热导率、高电子密度、高迁移率、可

承受大功率等特点。

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三代半导体材料比较：

代表材料 半导体 主要应用 主要特性

Si、Ge 第一代半导体

GaAs、InP毫米波器件、发光器件、卫星通讯、

等 移动通讯、光通讯、GPS导航等

SiC、GaN高温、高频、抗辐射、大功率器件；更优的电子迁移率、带隙、击穿电

等 蓝、绿、紫光二极管、半导体激光器 压、高频、高温特性。

测器 路的可能性。

低压、低频、中功率晶体管、光电探取代了笨重的电子管，导致了集成电

移动较好的电子迁移率、带隙等材料

特性。资源稀缺、有毒性、污染环第二代半导体

境。

第三代半导体

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第三代半导体材料具有抗高温、高功率、高压、高频以及高辐

射等特性，相比s基半导体可以降低50%以上的能量损失，同

时使装备体积减小75%人上。

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第三代半导体属于后摩尔定律概念，制程和设备要求相对不高，

难点在于第三代半导体材料的制备，同时在设计上要有优势。由

于制造设备、制造工艺以及成本的劣势，多年来第三代半导体材

料只是在小范围内应用，无法挑战si基半导体的统治地位。

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二、产业链情况

半导体材料是产业链上游环节中非常重要的一环，主要分为基

体材料、晶圆制造材料、封装材料和关键元器件材料。半导体行

业经过近六十年的发展，半导体材料经历了三次明显的换代和发

展。相比于第一、二代半导体，第三代半导体基体材料具有更高

的禁带宽度、高击穿电压、电导率和热导率，在高温、高压、高

功率和高频领域将替代前两代半导体材料。

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GaN侧重高频性能，广泛应用于基站、雷达、工业、消费电

子领域。预计到2022年， GaN器件的市场规模将超过25亿

美元，年复合增长率为17%，5G基站以及快充两个领域复合增

速较快，有望成为GaN市场快速增长的主要驱动力。

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（1） 5G基站

GaN射频器件更能有效满足5G高功率、高通信频段的要

求，未来5G基站GaN将逐步取代LDMOS市场空间，基于

GaN工艺的基站占比将由50%增至58%，带来大量GaN需

求。另一方面，小基站可弥补5G宏基站覆盖范围小的缺点，成

为5G网络的重要组成部分，大量小基站的使用也将带来GaN

用量增长。

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预计GaN射频器件的规模将从2017年3.8亿美元增长到

2023年13亿美元，复合增长率超过20%。

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（2）快充

GaN具备导通电阻小、损耗低以及能源转换效率高等优点，

由GaN制成的充电器还可以做到较小的体积。安卓端率先将

GaN技术导入到快充领域，随着GaN生产成本迅速下降，

GaN快充有望成为消费电子领域下一个杀手级应用。预计全球

CaN功率半导体市场规模从2018年的873万美元增长到2024

年的3.5亿美元，复合增长率达到85%。

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2019年9月， OPPO发布国内首款GaN充电器Supervooc

2.0，充电功率为65W； 2020年2月，小米推出65W GaN充

电器，体积比小米笔记本充电器缩小48%，并且售价创下业内

新低。

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随着GaN技术逐步提升，规模效应会带动成本越来越低，未

来GaN充电器的渗透率会不断提升。

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在第三代半导体材料产业链制造以及应用环节上， SiC可以

制造高耐压、大功率电力电子器件如MOSFET、 IGBT，SBD

等，用于智能电网、新能源汽车等行业。与硅元器件相比，

GaN具有高临界磁场、高电子饱和速度与极高的电子迁移率的

特点，是超高频器件的极佳选择，适用于5G通信、微波射频等

领域的应用。

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SiC常被用于功率器件，适用于600V下的高压场景，广泛应用

于光伏、风电、轨道交通、新能源汽车、充电桩等于电力电子领

域。预计到2023年， sic功率器件的市场规模将超过15亿美

元，年复合增长率为31%。

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三、下游分析

（1）新能源汽车方面

在新能源汽车领域，SiC器件主要可以应用于功率控制单元、

逆变器、车载充电器等方面。SiC功率器件轻量化、高效率、耐

高温的特性有助于有效降低新能源汽车系统成本。

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2018年特斯拉Model 3采用了意法半导体生产的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。以

Model 3搭载的SiC率器件为例，其轻量化的特性节省了电动汽

车内部空间，高效率的特性有效降低了电动汽车电池成本，耐高

温的特性降低了对冷却系统的要求，节约了冷却成本。

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此外，近期新上市的比亚迪汉EV也搭载了比亚迪自主研发并

制造的高性能SiC—MOSFET控制模块。

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（2）轨道交通方面

在轨道交通领域， SiC器件主要应用于轨交牵引变流器，能

大幅提升牵引变流装置的效率，符合轨道交通绿色化、小型化、

轻量化的发展趋势。

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近日完成调试的苏州3号线0312号列车是国内首个基于sic

变流技术的牵引系统项目。采用完全的sic半导体技术替代传统

ICBT技术，在提高系统效率的同时降低了噪声，提升了乘客的

舒适度。