一、什么是第三代半导体

第三代半导体一般指禁带宽度大于 2.2eV 的半导体材料，也称为宽禁带半导体材料。

半导体产业发展至今经历了三个阶段，第一代半导体材料以硅为代表，目前主要应用于大规模集成电路中。但硅材料的禁带宽度窄、电子迁移率低，且属于间接带隙结构，在光电子器件和高频高功率器件 的应用上存在较大瓶颈，因此其性能已难以满足高功率和高频器件的需求；

第二代半导体材料主要代表是砷化镓（GaAs）、磷化铟（InP），这类材料已经具备了直接带隙的物理结构特性，发光效率高，而且相较于上一代材料在工作频率、抗高温和抗高压等方面更具优势，因此广泛运用于光电和射频领域；

第三代半导体材料主要以氮化镓和碳化硅、氧化锌、氧化铝、金刚石等宽禁带为代表。其由于具备高击穿电场、高热导率、高电子饱和速率及抗强辐射能力等优异性能使其在半导体照明、新一代移动通信、新能源并网、智能电网、高速轨道交通、新能源汽车、消费类电子等领域具有广阔的应用前景。

本文分为上下两篇，本文主要主要论述的第三代半导体为碳化硅（SiC）。其中，SiC 适用于中高压器件，GaN 适用于中低压器件，两者重合部分为汽车电子和光伏板块。

二、SiC的优势

目前SiC刚刚起步，相对第二代半导体材料而言，由于不良率较高以及工艺问题，SiC 器件整体成本仍处于较高水平，据机构测算，单片成本 SiC 比 Si 基产品高出 7-8 倍。

但是SiC器件整体体积减少，功耗降低等优势，使得其在应用时能减小无源器件的尺寸，并缩减模块的整体规格，因此，整体而言，与传统硅基解决方案相比，SiC 给下游应用带来的实际的成本缩减。同时，随着产能提升，工艺进步，SiC 电力电子器件价格进一步下降，与同类型 Si 器件价差缩小，在2020年，SiC与 Si 器件价差已经收窄到 2.5-5倍之间。

同时，SiC 可以降低汽车5 倍的能力损耗，提高电机逆变器效率 4%，整车续航里程约 7%。并且，SiC 赋能光伏发电，增加太阳能转换效率。据国际能源署 IEA 估计，如果到 2024 年，假如仅 2%的分布式太阳能光伏系统部署了碳化硅，其额外可产生的发电量将多达 10GW。

三、SiC产能

据 CASA Research 不完全统计， 2020 年国内投产 3 条 6 英寸 SiC 晶圆产线，截至 2020 年底，国内至少已有 8 条 6 英寸 SiC 晶圆制造产线（包括中试线），另有约 10 条 SiC 生产线正在建设。

SiC 电力电子方面，美国在 SiC 领域全球独大，并且占有全球 SiC 70%~80% 的产量。欧洲

拥有完整的 SiC 衬底、外延、器件、应用产业链， 日本是设备和模块开发方面的绝对领先者。

在 SiC 外延片方面，目前国内 SiC 外延片以 4 英寸产品为主，也有少量提供 6 英寸外延

片。目前以美国的 Cree、 DowCorning、II-VI、日本的罗姆、三菱电机、德国的 Infineon

为主，其中美国公司就占据了全球的 70%以上的份额。技术上已向 6 英寸过渡。

国内的SiC 外延片生产商主要有瀚天天成、东莞天城、国民技术子公司国民天成、世纪金光、以及中电科的 13 所和 55 所等。目前国内 SiC 外延片以 4 英寸产品为主，也有少量提供 6英寸外延片。

四、SiC需求

伴随新能源汽车、光伏发电 、轨道交通 、智能电网等产业的快速发展，SiC 功率器件的使用需求大幅增加，2027 年将突破百亿美元。未来，随着碳化硅功率器件的加速发展，全球功率器件的销售额预计将持续保持增长。预计 2018 至 2023 年期间，全球功率器件的销售额复合年增长率达到 3.3%，2023 年全球功率器件收入将达到 192 亿美元。根据IHSMarkit 数据，2018 年碳化硅功率器件市场规模约 3.9 亿美元，受新能源汽车庞大需求的驱动以及电力设备等领域的带动，预计到 2027 年碳化硅功率器件的市场规模将超过100 亿美元 ，碳化硅衬底的市场需求也将大幅增长。

1.新能源汽车市场

新能源汽车是 SiC 功率器件最大的应用领域，预计明年有 24 亿美元市场，2027 年达到60 亿美元，2032 年超过 150 亿美元。根据意法半导体相关预测，2020 年约有 40%以上的纯电动汽车采用 SiC 技术，而到 2025 年，SiC 的普及率将提高至 70%。

前面讲到，SiC 主要适用于中高压功率器件，新能源汽车系统架构中涉及到功率半导体应用的组件包括:电机驱动系统、车载充电系统(OBC)、电源转换系统(车载DC/DC)和非车载充电桩。

从目前来看，SiC 尚未完全取代 IGBT，因为这几种材料都有各自的技术优势。但 SiC 凭借其在性能以及降低整车成本等方面的诸多优势， 2018 年特斯拉的主逆变器开始采用 SiC MOSFET 方案，随后采埃孚、博世等多家零部件制造商以及雷诺等汽车生产商都宣布在其部分产品中采用 SiC MOSFET 方案，汽车领域成为 SiC 功率器件 市场快速发展的首要驱动力。

SiC 在新能源汽车领域需求情况，2025 年为 164 万片等效 6 寸晶圆，与 2020 年产能差距甚大。GaN 在电力电子（仅快充）领域需求情况，2025 年为 129 万片等效 6 寸晶圆，与2020 年产能差距甚大。

2.充电桩市场

为加快新能源车的充电效率，在保时捷、现代及其他汽车制造商的推动下，电池电压从 400V 增加到 800V，充电桩电压也要从 500V 增加到 1000V，由于SiC 在高功率充电桩领域极具竞争优势，因此导致充电桩需要采用电压 1200V 的功率部件，因此加快了 SiC 技术的功率开关管和功率二极管的需求。

从2019 年全球各国公共充电桩保有量统计来看，中国 51.6 万台，欧盟 25.5 万台，美国 7.2万台，日本 3.2 万台，全球年复合增长率达 32%，中国充电产业规模位居全球之首，总量占比超过全球半数。进入 2020 年，我国公共充电桩保有量这一数据已达到 80.7 万台，较2019 年增加超 56%，可见充电市场空间十分庞大。

根据机构预测，充电桩市场规模在 2019-2025 年间的 CAGR 预期将高达 90%，至 2025 年可增长至 2.25 亿美元。

3.光伏发电市场

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。使用碳化硅 MOSFET 或碳化硅MOSFET 与碳化硅 SBD 结合的功率模块的光伏逆变器，转换效率可从 96%提升至 99%以上，能量损耗降低 50%以上，设备循环寿命提升 50 倍，从而能够缩小系统体积、增加功率密度、延长器件使用寿命、降低生产成本。

新标准太阳能硅基逆变器典型的转换效率接近 96%，而采用碳化硅基逆变器的平均效率能提高到 97.5%，相当于减少 25%的逆变器损耗，碳化硅基逆变器在风力发电领域可提高转换效率 20%。

据 Yole 统计分析，目前的 SiC 功率器件 90% 以上是应用到低压(600~1 200 V)电力电子系统，主要包括电源系统、马达驱动以及并网光伏逆变器。

根据 Omdia 数据，2020 年全球 SiC 和GaN 功率半导体的销售收入达到 8.54 亿美元，在混合动力和电动汽车、电源和光伏逆变器等需求的推动下，未来十年保持两位数的年均复合增长率，到 2021 年市场预计超过10 亿美元，并在 2029 年超过 50 亿美元。

五、总结

当前新能源汽车、 充电桩、 光伏发电 等下游应用市场增长超预期，国内现有产品商业化供给无法满足市场需求，尤其是 SiC 电力电子和 GaN 存在较大缺口。这也导致我国第三代半导体各环节国产化率较低，超过八成的产品依赖进口，未来第三代半导体将迎来高光时刻

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