半導體產業發展至今經歷了三個階段：

第一代半導體材料以硅為代表；

第二代半導體材料砷化鎵也已經廣泛應用；

而以氮化鎵和碳化硅、氧化鋅、氧化鋁、金剛石等為代表的第三代半導體材料。

相較前兩代產品性能優勢顯著，憑借其高效率、高密度、高可靠性等優勢，在新能源汽車、通信以及家用電器等領域發揮重要作用，成為業內關注的新焦點。

一、產業概述

1.1 半導體硅（Si）材料的限制

上世紀五十年代以來，以硅（Si）材料為代表的第一代半導體材料引發了集成電路（IC）為核心的微電子領域迅速發展。然而，由于硅材料的帶隙較窄、電子遷移率和擊穿電場較低，Si 在光電子領域和高頻高功率器件方面的應用受到諸多限制。

1.2 半導體材料性能對比

隨著Si材料的瓶頸日益突出，以砷化鎵（GaAs）為代表的第二代半導體材料開始嶄露頭角，使半導體材料的應用進入光電子領域，尤其是在紅外激光器和高亮度的紅光二極管等方面。第三代半導體材料的興起，則是以氮化鎵（GaN）材料p型摻雜的突破為起點，以高亮度藍光發光二極管（LED）和藍光激光器（LD）的研制成功為標志，包括GaN、碳化硅（SiC）和氧化鋅（ZnO）等寬禁帶材料。

1.3 三代半導體材料應用情況

第三代半導體（以SiC和GaN為主）又稱寬禁帶半導體，禁帶寬度在2.2eV以上，具有高擊穿電場、高飽和電子速度、高熱導率、高電子密度、高遷移率等特點，逐步受到重視。SiC與GaN相比較，前者相對GaN發展更早一些，技術成熟度也更高一些；兩者有一個很大的區別是熱導率，這使得在高功率應用中，SiC占據統治地位；同時由于GaN具有更高的電子遷移率，因而能夠比SiC或Si具有更高的開關速度，在高頻率應用領域，GaN具備優勢。

二、SIC產業概況

2.1 SiC產業概述

SiC生產過程分為SiC單晶生長、外延層生長及器件制造三大步驟，對應的是產業鏈襯底、外延、器件與模組三大環節。

其中SiC襯底通常用Lely法制造，國際主流產品正從4英寸向6英寸過渡，且已經開發出8英寸導電型襯底產品。

SiC外延通常用化學氣相沉積（CVD）方法制造，根據不同的摻雜類型，分為n型、p型外延片。

SiC器件上，國際上600~1700VSiCSBD、MOSFET已經實現產業化，主流產品耐壓水平在1200V以下，封裝形式以TO封裝為主。

2.2 SiC 產業格局

全球 SiC產業格局呈現美國、歐洲、日本三足鼎立態勢。其中美國全球獨大，全球SiC產量的70%~80%來自美國公司，典型公司是Cree、Ⅱ-Ⅵ；歐洲擁有完整的SiC襯底、外延、器件以及應用產業鏈，典型公司是英飛凌、意法半導體等；日本是設備和模塊開發方面的領先者，典型公司是羅姆半導體、三菱電機、富士電機等。

2.3 SiC功率器件市場空間

根據Yole的預測，2017~2023年，SiC功率器件市場將以每年31%的復合增長率增長，2023年將超過15億美元；而SiC行業龍頭Cree則更為樂觀，其預計短期到2022年，SiC在電動車用市場空間將快速成長到24億美元，是2017年車用SiC整體收入（700萬美元）的342倍。

三、GaN產業概況

3.1 GaN 材料特性

GaN 材料與Si/SiC 相比有獨特優勢。GaN與SiC同屬于第三代寬禁帶半導體材料，相較于已經發展十多年的SiC，GaN功率器件是后進者，它擁有類似SiC性能優勢的寬禁帶材料，但擁有更大的成本控制潛力。與傳統Si材料相比，基于GaN材料制備的功率器件擁有更高的功率密度輸出，以及更高的能量轉換效率，并可以使系統小型化、輕量化，有效降低電力電子裝置的體積和重量，從而極大降低系統制作及生產成本。

3.2 GaN器件發展情況

基于GaN的LED自上世紀90年代開始大放異彩，目前已是LED的主流，自20世紀初以來，GaN功率器件已經逐步商業化。2010年，第一個GaN功率器件由IR投入市場，2014年以后，600V GaN HEMT已經成為GaN器件主流。2014年，行業首次在8英寸SiC上生長GaN器件。

3.3 GaN應用場景

GaN與SiC、Si材料各有其優勢領域，但是也有重疊的地方。GaN材料電子飽和漂移速率最高，適合高頻率應用場景，但是在高壓高功率場景不如SiC；隨著成本的下降，GaN有望在中低功率領域替代二極管、IGBT、MOSFET等硅基功率器件。以電壓來分，0~300V是Si材料占據優勢，600V以上是SiC占據優勢，300V~600V之間則是GaN材料的優勢領域。

3.4 GaN 產業鏈概述

GaN與SiC產業鏈類似，GaN器件產業鏈各環節依次為：GaN單晶襯底（或SiC、藍寶石、Si）→GaN材料外延→器件設計→器件制造。目前產業以IDM企業為主，但是設計與制造環節已經開始出現分工，如傳統硅晶圓代工廠臺積電開始提供GaN制程代工服務，國內的三安集成也有成熟的GaN制程代工服務。各環節相關企業來看，基本以歐美企業為主，中國企業已經有所涉足。
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