【报告发布】2020年第三代半导体产业报告

半导体产业是电子信息产业的基础，是国家引领新一轮科技革命和产业变革的关键力量。其中第三代半导体是半导体产业重要组成部分，其发展在提升我国科技进步和经济发展的过程中起到了举足轻重的作用。

随着2020年4月，国家发展和改革委正式明确“新基建”概念，定调了5G基建、特高压、城际高速铁路和城际轨道交通、新能源汽车充电桩、大数据、人工智能、工业互联网七大领域的发展方向，第三代半导体材料因其具有高频、高效、高功率、耐高压、耐高温、抗辐射能力强等优越性能，而在这些领域中可发挥重要作用，现已成为全球半导体产业技术创新和发展热点，拥有巨大的发展空间和良好的市场前景。同时2021年即将进入我国的第十四个五年计划，近期在各省份的十四五规划建议稿中，都提及将第三代半导体写入“十四五”规划，大力支持发展第三代半导体产业。第三代半导体产业迎来了高成长性的应用市场，国内第三代半导体厂商迎来巨大发展机遇。

第三代半导体材料具有大的禁带宽度、高击穿电场、高电子饱和速度、高热导率、高电子密度和高电子迁移率等特点，所制备出的半导体器件拥有耐高压、耐高温、大功率、抗辐射、导电性能更强、工作速度更快、工作损耗更低的特征，具备应用于电力电子器件、微波射频器件和光电子器件的先天性能优势。

在第三代半导体材料中，目前发展较为成熟的是碳化硅（SiC）和氮化镓（GaN），这两种材料是当下规模化商用最主要的选择。目前，第三代半导体（主要是SiC和GaN）应用领域的产业成熟度各有不同，见下图。

图 3 SiC和GaN应用领域及产业成熟度

（来源：第三代半导体产业发展报告）

当前市场情况下，受到广泛关注和具有广阔应用前景的集中在功率器件市场。功率器件是第三代半导体应用市场迅速增长的行业。由于SiC和GaN两种第三代半导体材料在材料性能上各有优劣，因此在应用领域上各有侧重和互补。在热导率性能上，SiC的热导率远高于GaN，因此在高温和高压（＞1200V）的大电力领域具备应用优势，如新能源、新能源汽车、高铁运输、智能电网的逆变器等器件领域；在电子迁移率性能上，GaN具有更高的电子迁移率，所以在高频小电力领域，Si基GaN器件在中低压（200～1200V）具备应用优势，如电脑、高性能服务器、基站的开关电源。在射频功率器件方面，GaN射频器件是第三代半导体最早应用的领域，主要用于军用雷达、智能武器和通信系统等方面。当前，GaN射频器件已开始应用于5G移动通讯基站等民用领域。

图 4 SiC和GaN的应用领域

从应用方向来看，以耐受电压与输出功率为界，SiC、GaN各有其优势场域。

Yole Développement电源与无线部门总监Claire Troadec表示，电源芯片产业大约每20年会有一次革命性突破，GaN on Si与SiC将是引领这波新革命的要角。但由于材料特性不同，这两种元件适合的应用市场也有所区隔。一般来说，以耐受电压600~650 V为界，高于此一区间的应用会以SiC为主；低于此一区间的市场则会是GaN的主战场。就个别应用来说，SiC最重要的应用会是电动车、轨道运输与电动车充电站；GaN最重要的应用则是消费性电源，其次是电动车与不断电系统（UPS）等。

（一）碳化硅市场发展情况

碳化硅功率器件定位于1KW-500KW之间，工作频率在10KHz-100MHz之间的场景，特别适用于对于能量效率和空间尺寸要求较高的应用，如电动汽车充电机、充电桩、光伏逆变器、高铁、智能电网、工业级电源等领域，可逐渐取代硅基MOSFET和IGBT。其中SiC器件最佳应用场景就是新能源汽车。

SiC功率器件应用在电动汽车领域具有极大优势。SiC功率器件的高温特性和高热导性能可以显著减少散热器的体积和降低成本，其高频特性有助于提高电机驱动器的功率密度，减小体积，降低重量，并推动新型拓扑在电机驱动、充电桩和车载充电器中的应用。从汽车产业来看，共分为三个子领域：电驱、DC-DC、充电器。专家预测，电驱导入验证周期需要3-4年；DC-DC转换器导入得较快，对安全要求不高；充电器分OBC和充电桩，充电桩一般用SiC二极管+IGBT，已经被各个厂商在验证。随着特斯拉、比亚迪对SiC模块在汽车领域的应用，正逐渐带动起SiC功率模块的应用市场，预计2023年全碳化硅模块会被应用在电动汽车领域，因此SiC在新能源汽车市场前景很大。

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，IHS预测到2027年碳化硅功率器件的市场规模将超过100亿美元。2021年起，受益电动汽车拉动，SiCMOSFET将保持较快的速度增长，成为最畅销的分立SiC功率器件。

在光伏发电应用中，基于Si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SiC--MOSFET或SiC--MOSFET与SiC--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。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。预计到2025年，光伏发电逆变器SiC渗透率将达到50%。

城市轨道车辆和高速列车是轨道交通未来发展的主要动力。轨道交通车辆中大量应用功率半导体器件，其牵引变流器、辅助变流器、主辅一体变流器、电力电子变压器、电源充电机都有使用碳化硅器件的需求。其中牵引变流器是机车大功率交流传动系统的核心装备，将碳化硅器件应用于轨道交通牵引变流器能极大发挥碳化硅器件高温、高频和低损耗特性，提高牵引变流器装置效率，符合轨道交通大容量、轻量化和节能型牵引变流装置的应用需求提升系统的体效能。2018年碳化硅器件在轨道交通总占比约为2%，预计到2030年轨道交通碳化硅器件占比将达到30%。

（二）氮化镓市场发展情况

GaN射频器件可以弥补GaAs和Si-LDMOS这两种传统技术的缺陷，将在高功率，高频率射频市场优势明显，特别是在高频（大于8GHz）、中大功率（10W~100W）范围。

现阶段5G的快速普及，使得GaN材料成为在通信基站应用领域最具增长潜质的第三代半导体材料之一，GaN射频器件已成为5G时代较大基站功率放大器的候选技术。2020年底，中国已经实现80万个5G基站的建设目标。根据Yole的预测，GaN射频器件市场预计到2024年成长至20亿美元，6年CAGR达到21%。主要的市场增长来自无线通信基础设施和军工。5G的普及将推动GaN在无线通信的市场达到7.5亿美元。但需要指出的是，整个半导体射频器件的市场空间规模在百亿美元。其中GaAs器件仍然占据的绝大部分市场份额，在整个百亿美元的射频芯片市场中GaN射频器件的占比仍然较小，但是增速可期。

另外消费电子将成为GaN电力电子器件的主要增长点。GaN由于高功率密度和良好的温度特性，用在电源上可兼顾小体积与大功率输出，此外还具有更好的开关特性。2018年10月，ANKER发布了全球首款GaN充电器——ANKER PowerPort Atom PD1。与APPLE USB-C对比来看，ANKER发布的该款充电器输出功率达到27W，相较于APPLE USB-C30W相差不大，但是ANKER的GaN充电器的体积比APLLE充电器小40%之多。

目前GaN器件在整个功率半导体市场占比还非常小。2016年GaN功率器件市场规模约为1200万美元，预计到2022年将增长到4.6亿美元，CAGR达到79%。主要增长来自电源管理、LiDAR、无线功率和封包追踪等应用。随着GaN on Si技术的成熟带来成本降低，GaN功率器件的潜在市场空间将持续放大。GaN有望在中低功率替代Si MOSFET、IGBT等硅基功率器件。根据Yole估计，在0~900V的低压市场，GaN都有较大的应用潜力，这一块占据整个功率市场约68%的比重，按照整体市场400亿美元来看，GaN功率器件的潜在市场超过270亿美元。

我国2020年第三代半导体产业在5G、新能源汽车、快充等新型领域的蓬勃发展以及国家政策大力扶持的双重驱动下，2020年，我国第三代半导体衬底材料市场继续保持高速增长，市场规模达到9.97亿元。预计未来两年中国第三代半导体衬底材料市场规模仍将保持20%以上的平均增长速度，到2022年将达到15.12亿元。2020年，我国第三代半导体器件市场规模达到172.73亿元，至2022年第三代半导体器件市场规模将达到608.21亿元。