傳統(tǒng)的硅基功率半導體器件及其材料已經(jīng)滿足不了當下行業(yè)對高頻、高溫、高功率、高能效、耐惡劣環(huán)境及小型化功率半導體器件發(fā)展需求，且每取得一次突破都要付出高昂的代價。

于是人們的目光轉向了以碳化硅（SiC）和氮化鎵（GaN）為代表的第三代半導體材料，它們具有禁帶寬、擊穿電場強度高、飽和電子遷移率高、熱導率大、介電常數(shù)小、抗輻射能力強等優(yōu)點，結合卓越的開關性能、溫度穩(wěn)定性和低電磁干擾（EMI），更適用于如太陽能逆變器、電源、電動汽車和工業(yè)動力等下一代電源轉換。

SiC、GaN相比于傳統(tǒng)材料性能更優(yōu)（來源：中泰證券研究所）

目前碳化硅器件定位于功率在1kw-500kw的應用，工作頻率在10Khz-10Mhz之間的場景，特別是一些對能量效率和空間尺寸要求較高的應用，如電動汽車充電裝置、電動汽車動力總成、光伏微型逆變器領域等應用。
 

隨著技術缺陷不斷得到補足，以及規(guī)模化生產(chǎn)，SiC的成本正在不斷下降，如從2012-2015年3年中，SiC器件價格就下降了35-50％。
 

而隨著汽車、工業(yè)領域的規(guī)模化應用，雖然單個碳化硅器件的成本仍高于傳統(tǒng)Si基產(chǎn)品數(shù)倍，但SiC憑借其產(chǎn)品特性，大幅下降外圍器件成本，使得整體成本與Si基方案的差距已經(jīng)縮小到可接受范圍。
 

如單個60kw碳化硅功率模塊的BOM（物料清單）成本在732美元，而相應的硅基IGBT功率模塊的BOM成本約為458美元，碳化硅功率系統(tǒng)已成本降低至硅基功率系統(tǒng)成本的159.8%。隨著成本進一步下降，未來SiC器件的替代將會加速。

SiC器件單價走勢分析（來源：中國產(chǎn)業(yè)信息研究院）

從全球角度看，目前SiC的技術和市場都被國際企業(yè)所壟斷，主要為Infineon、Cree和Rohm，而且他們已經(jīng)形成了產(chǎn)品體系。
 

英飛凌公司最早在2001年推出SiC肖特基二極管。
 

羅姆于2008年收購生產(chǎn)SiC晶圓的德國SiCrystal公司后，形成了從晶圓制造、前期工序、后期工序再到功率模塊的一條龍生產(chǎn)體系，并率先量產(chǎn)SiC器件。
 

Cree在2002年推出首款商業(yè)化600V SiC肖特基二極管，并于2011年發(fā)布工業(yè)用SiC MOSFET。
 

這三家企業(yè)目前約占據(jù)了90％的SiC市場份額，處于三足鼎立的龍頭地位。此外，意法半導體、豐田也在積極進行SiC布局。
 

與國際大廠相比，中國大陸的碳化硅功率半導體器件研發(fā)起步晚，于20世紀末才開始重視SiC的開發(fā)，在技術上仍有很大差距。
 

不過截至2018年，中國大陸的SiC已經(jīng)形成了相對完整的產(chǎn)業(yè)鏈，比如，泰科天潤研發(fā)的碳化硅肖特基二極管產(chǎn)品已于2014年成功量產(chǎn)，產(chǎn)品涵蓋600V-3300V等中高壓范圍，產(chǎn)品成品率達到國際先進水平；華天恒芯已經(jīng)具備量產(chǎn)650V/1200V/1700V SiC肖特基二極管的能力；嘉興思達、揚杰科技、三安光電等公司也在積極布局SiC功率半導體器件。

國內(nèi)外碳化硅產(chǎn)業(yè)鏈代表企業(yè)一覽表

國內(nèi)外氮化鎵（GaN）產(chǎn)業(yè)鏈代表企業(yè)一覽表

2007年蘇州納維科技有限公司成立，成為我國首家具備氮化鎵晶片生產(chǎn)能力的公司。經(jīng)過10年努力，實現(xiàn)了2英寸氮化鎵單晶襯底的生產(chǎn)、完成了4英寸產(chǎn)品的工程化技術開發(fā)、突破了6英寸的關鍵技術，現(xiàn)在是國內(nèi)唯一一家、國際上少數(shù)幾家之一能夠批量提供2英寸氮化鎵單晶產(chǎn)品的單位。公司氮化鎵產(chǎn)品性能綜合指標國際領先，未來3年重點實現(xiàn)將技術先發(fā)優(yōu)勢轉化為在全球的市場優(yōu)勢。

東莞市中鎵半導體科技有限公司成立于2009年1月，公司創(chuàng)造性采用MOCVD技術、HVPE技術相結合的方法，研發(fā)、生產(chǎn)產(chǎn)品包括：氮化鎵（GaN）半導體襯底材料，GaN/AI2O3復合襯底、GaN單晶襯底及氫化物氣相外延設備（HVPE）等，主要應用于MiniLED& MicroLED、車燈、激光器、功率器件、射頻器件。
 

公司已建成國內(nèi)首家專業(yè)的氮化鎵（GaN）襯底材料生產(chǎn)線，制備出厚度達1100微米的自支撐GaN襯底，并能夠穩(wěn)定生產(chǎn)。

東莞市中晶半導體科技有限公司成立于2010年，公司以北京大學為技術依托，引進海內(nèi)外優(yōu)秀的產(chǎn)學研一體化團隊，技術涵蓋Mini/MicroLED、器件等核心領域。

中晶半導體主要以HVPE設備等系列精密半導體設備制造技術為支撐，以GaN襯底為基礎，重點發(fā)展Mini/MicroLED外延、芯片技術，并向新型顯示模組方向延展；同時，中晶半導體將以GaN襯底材料技術為基礎，孵化VCSEL、電力電子器件、化合物半導體射頻器件、車燈封裝模組、激光器封裝模組等國際前沿技術，并進行全球產(chǎn)業(yè)布局。
 

英諾賽科（珠海）科技有限公司是2015年12月由海歸團隊發(fā)起，并集合了數(shù)十名國內(nèi)外精英聯(lián)合創(chuàng)辦的第三代半導體電力電子器件研發(fā)與生產(chǎn)的高科技企業(yè)。公司的主要產(chǎn)品包括30V-650V氮化鎵功率與5G射頻器件，產(chǎn)品設計及性能均達到國際先進水平。
 

2017年11月英諾賽科的8英寸硅基氮化鎵生產(chǎn)線通線投產(chǎn)，成為國內(nèi)首條實現(xiàn)量產(chǎn)的8英寸硅基氮化鎵生產(chǎn)線。
 

三安集成成立于2014年，其母公司三安光電是一家LED外延芯片龍頭企業(yè)，三安集成是涵蓋微波射頻、高功率電力電子、光通訊等領域的化合物半導體制造平臺，具備襯底材料、外延生長、以及芯片制造的產(chǎn)業(yè)整合能力，擁有大規(guī)模、先進制程能力的MOCVD 外延生長制造線。
 

目前已小批量生產(chǎn)砷化鎵、氮化鎵和碳化硅產(chǎn)品，并陸續(xù)投用市場。
 

蘇州能訊高能半導體有限公司是由海外歸國人員創(chuàng)辦的高新技術企業(yè)，能訊半導體采用整合設計與制造（IDM）的模式，自主開發(fā)了氮化鎵材料生長、芯片設計、晶圓工藝、封裝測試、可靠性與應用電路技術。目前公司擁有專利280項，在國際一流團隊的帶領下，能訊已經(jīng)擁有全套自主知識產(chǎn)權的氮化鎵電子器件設計、制造技術。

大連芯冠科技有限公司成立于2016年3月，是一家由海外歸國團隊創(chuàng)立的半導體國家級高新技術企業(yè)。采用了整合設計與制造（IDM）的商業(yè)模式，開展以氮化鎵為代表的第三代半導體外延材料和電子器件的研發(fā)與產(chǎn)業(yè)化。

公司擁有國際先進的德國愛思強MOCVD外延爐及外延表征設備、6英寸化合物半導體芯片生產(chǎn)線、晶圓在片檢測系統(tǒng)、可靠性測試系統(tǒng)和應用開發(fā)系統(tǒng)。在電力電子領域，公司已實現(xiàn)6英寸650伏硅基氮化鎵外延片的量產(chǎn)，并發(fā)布了比肩世界先進水平的650伏硅基氮化鎵功率器件產(chǎn)品，主要應用于電源管理、太陽能逆變器、電動汽車及工業(yè)馬達驅動等領域。在微波射頻領域，公司已進行硅基氮化鎵外延材料的開發(fā)，射頻芯片的研發(fā)與產(chǎn)業(yè)化準備工作亦已展開，產(chǎn)品定位為10GHz以下的射頻通訊和射頻能量市場。
 

蘇州捷芯威半導體有限公司是國內(nèi)第一家專注于氮化鎵電力電子器件研發(fā)和制造的高科技企業(yè)，由海外歸國人員創(chuàng)辦于蘇州工業(yè)園區(qū)，擁有專業(yè)的銷售、研發(fā)、技術團隊。自主研發(fā)世界上第一款氮化鎵電路保護開關器件，單管擊穿電壓達2000V；擁有多款硅基氮化鎵電力電子器件、電壓等級從200V到600V，并率先在國內(nèi)實現(xiàn)了600V氮化鎵增強型高壓開關器件。同時開發(fā)了多款基于GaN技術的應用電路，例如500W的PFC電路、500W的DC-DC、DC-AC和AC-DC轉換電路、雙脈沖測試電路、無線電能傳輸電路等。產(chǎn)品涉及IT、消費電子、電機控制、電動汽車、可再生資源、智能電網(wǎng)等應用領域。
 

2017年12月，華潤微電子完成對中航（重慶）微電子有限公司的收購，擁有8英寸硅基氮化鎵生產(chǎn)線和國內(nèi)首個8英寸600V/10A GaN功率器件產(chǎn)品，用于電源管理。

華潤微規(guī)劃建設的化合物半導體項目,判斷生產(chǎn)線主要是GaN工藝。該項目將分兩期實施,其中一期項目投資20億元,二期投資30億元。
 

2017年三季度士蘭微打通了一條6英寸的硅基氮化鎵功率器件中試線。打通之后士蘭微會進一步加強這方面的技術研發(fā)，公司預計在未來1-2年內(nèi)會有產(chǎn)品突破，能夠有新產(chǎn)品盡快推到市場上。
 

2018年10月，杭州士蘭微電子股份有限公司廈門12英寸芯片生產(chǎn)線暨先進化合物半導體生產(chǎn)線正式開工。2017年12月，士蘭微電子與廈門市海滄區(qū)人民政府簽署了《戰(zhàn)略合作框架協(xié)議》。士蘭微電子公司與廈門半導體投資集團有限公司共同投資220億元人民幣，在廈門規(guī)劃建設兩條12英寸90～65nm的特色工藝芯片（功率半導體芯片及MEMS傳感器）生產(chǎn)線和一條4/6英寸兼容先進化合物半導體器件（第三代功率半導體、光通訊器件、高端LED芯片）生產(chǎn)線。
 

三安光電股份有限公司成立于2000年11月,于2008年7月在上海證券交易所掛牌上市。三安光電主要從事全色系超高亮度LED外延片、芯片、Ⅲ-Ⅴ族化合物半導體材料、微波通訊集成電路與功率器件、光通訊元器件等的研發(fā)、生產(chǎn)與銷售，產(chǎn)品性能指標居國際先進水平。
 

公司憑借強大的企業(yè)實力，繼2014年擴大LED外延芯片研發(fā)與制造產(chǎn)業(yè)化規(guī)模、同時投資集成電路產(chǎn)業(yè)，建設砷化鎵高速半導體與氮化鎵高功率半導體項目之后， 2018年三安光電在福建泉州南安高新技術產(chǎn)業(yè)園區(qū)，斥資333億元投資Ⅲ-Ⅴ族化合物半導體材料、LED外延、芯片、微波集成電路、光通訊、射頻濾波器、電力電子、SIC材料及器件、特種封裝等產(chǎn)業(yè)。
 

中蕊光電公司在光電裝備領域擁有多項領先優(yōu)勢，其中：公司掌握著光電半導體核心器件、氮化鎵（GaN）和碳化硅（SiC）等第三代半導體器件制備技術的核心科技，技術指標和裝備質量達到國際同行業(yè)領先水平；

依據(jù)公司的中長期發(fā)展規(guī)劃，公司將夯實現(xiàn)有技術基礎，充分發(fā)揮核心技術的國際領先性，迅速拓展裝備應用領域，形成以GaN半導體材料科研基地和光電裝備生產(chǎn)基地，逐步推進形成達百億產(chǎn)值的GaN半導體產(chǎn)業(yè)集群。
 

山東聚芯光電科技有限公司成立于2016年3月，由山東成林光電技術有限責任公司和內(nèi)蒙古蒙西高新技術集團有限公司共同出資設立，專業(yè)從事LED芯片、氮化鎵功率器件、太陽能LED燈具的研發(fā)生產(chǎn)銷售與技術服務。
 

公司擁有授權發(fā)明專利四項、授權實用新型專利六項，建有現(xiàn)代化的研發(fā)實驗室和研發(fā)生產(chǎn)基地，擁有較強的科技研發(fā)實力和技術創(chuàng)新能力，先后獲評山東省科技型中小微企業(yè)、東營市科技型企業(yè)、國家科技型中小企業(yè)、東營市知識產(chǎn)權示范企業(yè)、國家級高新技術企業(yè)。

一是在技術上，寬禁帶功率半導體面臨的技術難題很多，如襯底材料的完整性、外延層及歐姆接觸的質量、工藝穩(wěn)定性、器件可靠性以及成本控制等，寬禁帶功率半導體產(chǎn)業(yè)化的難度比外界想象的要大很多。
 

二是在生態(tài)環(huán)境假設上。5G移動通信、電動汽車等是寬禁帶半導體產(chǎn)業(yè)最具有爆發(fā)性增長潛力的應用領域，國內(nèi)在產(chǎn)業(yè)生態(tài)的成熟度上與國外的差距還比較明顯，落后程度更甚于技術層面的落后程度。產(chǎn)業(yè)鏈上下游協(xié)同不足，尚未解決材料“能用-可用-好用”發(fā)展過程中的問題和障礙。
 

雖然目前我國在一些GaN領域取得了關鍵性突破，但是與國際領先水平相比，我國在第三代半導體襯底、外延材料、器件的整體技術水平落后3年左右。在GaN領域缺少原始創(chuàng)新的專利，仍需要積極引進國外優(yōu)秀技術人才，多方面借鑒國外發(fā)展經(jīng)驗，逐步提升國內(nèi)技術水平。
 

GaN作為新一代半導體材料，對于芯片和器件的制備，半導體行業(yè)特點突出，是否具備高良率，是否具備商業(yè)化價值是衡量企業(yè)的另一關鍵要素。國內(nèi)要想發(fā)展GaN，就要依靠自主研發(fā)，實現(xiàn)技術突破。當前我國第3代半導體材料研發(fā)與國外差距不大，如果通過產(chǎn)業(yè)鏈協(xié)同創(chuàng)新，完全有可能實現(xiàn)彎道超車，打破半導體產(chǎn)業(yè)受制于人的被動局面。

鑒于本土與國際在第三代半導體材料領域存在的巨大差距，在2016-2017年2年時間里，中國大陸以中央政府為主導，聯(lián)合各地方政府集中出臺了近30個第三代半導體材料相關政策，并分2批部署了11個研究方向。
 

進入2018年，則轉由地方政府為主導，對第三代半導體材料的發(fā)展進行具體推動及落實。

2016-2018年中國大陸第三代半導體材料相關支持政策（來源：CASA，中信證券研究部）
 

在應用端，中國大陸半導體照明產(chǎn)業(yè)是全球最大的半導體照明產(chǎn)品生產(chǎn)和出口地，成為中國大陸第三代半導體材料成功產(chǎn)業(yè)化的第一個突破口。
 

以大基金入股三安光電/士蘭微、安世半導體本土化為標志，目前中國大陸已開始圍繞長三角、珠三角、環(huán)渤海經(jīng)濟圈及閩贛地區(qū)開展第三代半導體產(chǎn)業(yè)布局，其中珠三角地區(qū)是中國大陸LED封裝企業(yè)最集中、封裝產(chǎn)業(yè)規(guī)模最大的地區(qū)，企業(yè)數(shù)量約占全國一半左右。
 

根據(jù)Yole的統(tǒng)計，2017年全球SiC模組市場為2.8億美元，GaN模組的市場規(guī)模約為4000萬美元左右；結合時下國內(nèi)外發(fā)展情況，芯師爺研究院預測，至2020年，全球SiC模組市場將達7.8億美元，GaN的模組市場規(guī)模也將擴大到1.1億美元左右。

全球SiC、GaN模組市場規(guī)模及增速分析（來源：Yole，單位：百萬美元）
 

由于第三代半導體材料及其制作的各種器件的優(yōu)越性、實用性和戰(zhàn)略性，未來，由SiC和GaN材料制成的半導體功率器件將支撐起當今節(jié)能技術的發(fā)展趨勢，成為節(jié)能設備最核心的器件，許多發(fā)達國家已將第三代半導體材料列入國家計劃，全面部署，竭力搶占戰(zhàn)略制高點。
 

根據(jù)發(fā)展目標，2018~2020年間，中國大陸將完成第三代半導體的產(chǎn)業(yè)基礎建設，進行產(chǎn)業(yè)鏈的完善、核心裝備研發(fā)、核心工藝開發(fā)、開發(fā)基礎器件并開始示范應用等。
 

但由于中國大陸開展SiC、GaN材料和器件方面的研究工作比較晚，與國外相比水平較低，在SiC和GaN材料的制備與質量等方面仍有較多亟待破解的問題。
 

目前看，阻礙中國大陸第三代半導體研究進展的重要因素是原始創(chuàng)新問題。借助功率器件產(chǎn)業(yè)的國產(chǎn)替代，或將能讓中國大陸在實踐應用中，更利于獲得更多有利于第三代半導體材料研發(fā)的原始創(chuàng)新專利。