（报告出品方/作者：天风证券，潘暕）
1.下游应用迭起+能源安全+后摩尔时代驱动第三代半导体大发展1.1.第三代半导体：优势显著，下游应用场景极为广阔
第三代半导体物理性能优势显著，下游应用场景极为广阔。半导体材料领域至今经历了多个发展阶段，相较而言，第三代半导体在工作频率、抗高温和抗高压等方面更具优势。第一代半导体材料主要包括硅（Si）和锗（Ge），于20世纪40年代开始登上舞台，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。第二代半导体材料的主要代表是砷化镓（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。
第三代半导体的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。第三代半导体包括碳化硅（SiC）、氮化镓（GaN）、氧化锌（ZnO）、氧化镓（GaO）、氮化铝（AlN），以及金刚石等宽禁带半导体材料，其中以碳化硅（SiC）和氮化镓（GaN）最具代表性。第三代半导体材料具备高击穿电场、高热导率、高电子饱和速率及抗强辐射能力等优异性能，是固态光源和电力电子、微波射频器件的“核芯”，正在成为全球半导体产业新的战略高地。本文主要论述的第三代半导体为碳化硅（SiC）和氮化镓（GaN）。
分类来看，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。
1.2.物理性能：能力损耗低、封装尺寸小、散热能力强
SiC材料相比于Si材料有着显著的优势。目前车规级半导体主要采用硅基材料，但受自身性能极限限制，硅基器件的功率密度难以进一步提高，硅基材料在高开关频率及高压下损耗大幅提升。与硅基半导体材料相比，以碳化硅为代表的第三代半导体材料具有高击穿电场、高饱和电子漂移速度、高热导率、高抗辐射能力等特点。SiC材料具有Si材料不可比拟的优势，具体优势体现在：
（1）能量损耗低。SiC模块的开关损耗和导通损耗显著低于同等IGBT模块且随着开关频率的提高，与IGBT模块的损耗差越大，SiC模块在降低损耗的同时可以实现高速开关，有助于降低电池用量，提高续航里程，解决新能源汽车痛点。
（2）更小的封装尺寸。SiC器件具备更小的能量损耗，能够提供较高的电流密度。在相同功率等级下，碳化硅功率模块的体积显著小于硅基模块，有助于提升系统的功率密度。
（3）实现高频开关。SiC材料的电子饱和漂移速率是Si的2倍，有助于提升器件的工作频率；高临界击穿电场的特性使其能够将MOSFET带入高压领域，克服IGBT在开关过程中的拖尾电流问题，降低开关损耗和整车能耗，减少无源器件如电容、电感等的使用，从而减少系统体积和重量。
（4）耐高温、散热能力强。SiC的禁带宽度、热导率约是Si的3倍，可承受温度更高，高热导率也将带来功率密度的提升和热量的更易释放，冷却部件可小型化，有利于系统的小型化和轻量化。
GaN作为第三代半导体具有宽带隙（3.4eV）、击穿场强大（3.3MW/cm）、电子饱和漂移速度高（2.7*cm/s）等物理结构优势。在以往的半导体材料中，Si是目前集成电路及半导体器件的主要材料，但其带隙窄，击穿电压低，在高频高功率器件的应用上效果不佳。以GaAs代表的第二代半导体材料由于电子迁移速率高，抗辐射等优点在微波通信领域有着重要的应用价值，是目前通信用半导体材料的基础。然而，GaAs的带隙和击穿电压仍难以满足高频高功率器件的要求。而GaN相较前两代半导体材料具有更大的禁带宽度和击穿电压，同时化学稳定性高，能够耐高温，耐腐蚀，因此在光电器件以及高频高功率电子器件应用上具有广阔的前景。
1.3.制备成本：与传统产品价差持续缩小，综合成本优势明显
第三代半导体制备方法：
Si单晶主要采用直拉法，生长速度较为缓慢。对于硅来说，72h可生长出2m～3m左右的硅单晶棒，一根单晶棒一次能切下上千片硅片，12in（mm）是高端IC芯片主流尺寸。SiC没有液态，只有固态和气态，升华温度约℃，不能用拉硅单晶的方法制备。目前制备半导体级高纯度SiC单晶，主要为Lely改良法，最快的SiC单晶生长方法，生长速度在每小时0.1mm～0.2mm左右，72h仅生长7.2mm～14.4mm。
GaN主要在蓝宝石衬底上生长GaN厚膜，价格较为昂贵。GaN极其稳定，熔点约为℃，具有高电离度，很难采用熔融的结晶技术制作GaN衬底。目前主要在蓝宝石底上生长GaN厚膜，然后通过剥离技术实现衬底和厚膜分离，将分离后的GaN厚膜做为外延用衬底，主流尺寸为2in（50mm）。由于价格昂贵，限制了GaN厚膜衬底的应用。
产品价格不断下降，达到甜蜜点。影响SiC、GaN功率器件价格下降的原因有以下四个方面：第一，上游衬底产能持续释放，供货能力提升，材料端衬底价格下降，器件制造成本降低；第二，量产技术趋于稳定，良品率提升，产能持续扩张，拉动市场价格下降；第三，器件的产线规格由4英寸转向6英寸、制造技术进一步提升，单片晶圆产芯片量大幅提升，导致成本大幅下降；第四，随着更多量产企业加入，竞争加剧，导致价格进一步下降。整体来看，根据CASA的跟踪，SiC、GaN产品的价格近几年来快速下降，较年下降了50%以上，而主流产品与Si产品的价差也在持续缩小，已经基本达到4倍以内，部分产品已经缩小至2倍，已经达到了甜蜜点。
尽管第三代半导体衬底成本相对较高，但综合成本优势大于传统硅基，与传统产品价差持续缩小。未来随着全球半导体厂商加速研发及扩产，产线良率将逐步提高，从而提高晶圆利用率，将会有效降低器件成本。以碳化硅为例分析，由于生产设备、制造工艺、良率与成本的劣势，碳化硅基器件过去仅在小范围内应用。SiC功率半导体商业化的最大瓶颈是衬底成本过高。目前国际主流SiC衬底尺寸为4英寸和6英寸，晶圆面积较小、芯片裁切效率较低、单晶衬底及外延良率较低导致SiC器件成本高昂，叠加后续晶圆制造、封装良率较低，且载流能力和栅氧稳定性仍待提高，SiC器件整体成本仍处于较高水平。晶体生产难度大导致SiC材料昂贵，根据YoleDevelopment测算，单片成本SiC比Si基产品高出7-8倍。
体积减少，功耗降低等优势使SiC综合优势大于传统硅基材料。以SiC材料在新能源电动汽车上的应用为例，在考虑成本的时候，除了器件本身的成本，还要考虑因为性能提高而带来的车辆总成本的下降。具体来说，采用SiC技术后，开关频率可以设计得更高，从而能提高器件能效，减小无源器件的尺寸，并缩减模块的整体规格。此外，SiC解决方案所带来的高能效也可以降低动力电池冷却系统的尺寸。以上这些，在电动车总成本中有很高的占比。综合下来，与传统硅基解决方案相比，SiC解决方案可使整车半导体成本节省近美元。显然，这是SiC给汽车制造商带来的实在的成本效益。
年，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。CASA第三代半导体产业发展报告的数据显示，在公开报价方面，V的SiCSBD年底的平均价格是1.58元/A，较年底下降了13.2%，与Si器件的价差在3.8倍左右。V的SiCSBD的平均价是3.83元/A，较年下降了8.6%，与Si器件的差距在4.5倍左右。据CASA调研显示，实际成交价低于公开报价。V的SiCSBD的实际成交价格约0.7元/A，V的SiCSBD价格约1.2元/A，基本约为公开报价的60%-70%，较上年下降了20%-30%，实际成交价与Si器件价差已经缩小至2-2.5倍之间。而SiCMOSFET价格下降幅度达30%-40%，与Si器件价差收窄到2.5-3倍之间。
未来随着全球半导体厂商加速研发及，产线良率与晶圆利用率逐步提高，将会有效降低SiC器件成本，SiC将迎来高速增长。年，SiC上游材料和芯片的主导企业如CREE、II-VI、Rohm等都处于供不应求状态，开展扩产并向产业链上下游延伸是大势所趋。各大机构的SiC技术布局主要集中在场效应晶体管和发光二极管等电子器件领域，以及沉积方法、介电层、电极、等加工工艺方面。作为新一代能源技术革命，SiC和GaN电力电子器件在电源转换、逆变器等应用中已经具有技术和综合成本优势，规模化生产会促进价格进一步下降。因其高性能低成本的优势，SiC器件在新能源车中的渗透率有望不断提升，据英飞凌预测渗透率将从年的3%提升至年的20%。据国际能源署预测，在全球可持续经济发展的大背景下，全球电动汽车保有量将从年的万辆增长至年的2.45亿辆，随之车用SiC功率器件有望迎来快速增长。与此同时，新能源汽车充电桩的加速建设，也为SiC半导体产业打开了一个巨大的增量市场。一个直流充电桩大约需要个MOS，SiC器件用在充电桩中具有高功率密度、超小体积的优势，并且支持快速充电，成为未来的发展趋势。随着SiC器件在充电桩渗透率的不断提升，对上游SiC衬底和外延片的需求量也将保持快速增长态势。（报告来源：未来智库）SiC制备方法：
碳化硅传统的制备方法是将石英砂与焦炭混合，利用其中的二氧化硅和石油焦，加入食盐和木屑，置于电炉中，加热到°C左右高温，经过各种化学工艺流程后得到碳化硅微粉。目前SiC晶体的制备方法主要有液相生长法和物理气相传输法两种方法。
液相生长法主要集中在日本的高校和科研院所。其采用中频加热，高纯石墨坩埚作为容器，同时提供碳源。溶液加热到~°C保温数小时，黏在石墨棒上的籽晶跟随着石墨棒一同浸入溶液中，由于石墨坩埚中的温差，提供了晶体生长的过冷度，进而在籽晶上生长晶体。
物理气相传输法(physicalvaportransportmethod，PVT法)是目前大规模产业化主要采用的方法。该方法使用感应线圈进行加热，在涡流作用下高密度石墨发热体将被加热。将碳化硅(SiC)粉体填满石墨坩埚的底部，碳化硅(SiC)籽晶粘结在距原料面有一定距离的石墨坩埚盖内部，然后将石墨坩埚整体置于石墨发热体中，通过调节外部石墨毡的温度，使碳化硅(SiC)的原料置于高温区，而碳化硅(SiC)籽晶相应的处于低温区。在超过°C高温下，碳化硅原料分解成升华的硅原子、SiC2分子以及Si2C分子等气相物质，气象物质在温度梯度的驱动下向低温区输送，在碳化硅(SiC)籽晶的C面上形核成晶，进而生长成碳化硅(SiC)晶体。为了提高碳化硅(SiC)原料的利用率，使处于石墨坩埚最底部的原料能够顺利输送上去，在生长过程中原料将缓慢上移。
SiC制备技术门槛较高。这是由于在°C以上的高温密闭真空环境中生长出大尺寸、高品质、单一晶型的碳化硅晶体，需要精确的热场控制、材料匹配及经验积累。因此，行业参与者需要长期和大量的投入，才有可能在技术上取得突破，较高的技术门槛也制约了行业的快速发展。
GaN制备方法：
高质量的GaN基器件需要高质量的GaN体单晶材料作为衬底。尽管GaN材料具有广阔的运用前景，但是由于同质单晶衬底的尺寸、产能及成本的限制，目前大部分GaN基器件都是在异质衬底（比如硅、SiC、蓝宝石等）上制备的，因此容易使GaN外延层与衬底之间产生晶格失配及热失配并导致器件内部产生大量的位错、缺陷，进而引发电流崩塌、阈值电压不稳定等问题，损耗GaN基器件的性能和使用寿命。因此，要使得GaN基器件性能接近理论值水平，就需要高质量的GaN体单晶材料作为衬底。
目前，GaN单晶材料的生长方式主要分为气相外延与液相外延两种方式。前者主要使用氢化物气相外延技术（HVPE），后者主要采取氨热法和助熔剂法（即钠流法）。
HVPE法由于生长速率高，能得到大尺寸晶体的优点，是目前制备GaN单晶衬底的主流生长技术。通过气态HCI与液态金属镓反应生成GaCI气体来提供Ga源，Ga源与N源（气态NH3）在~℃下反应，沉积结晶形成GaN。通过优化反应设备和生长条件来实现对HCI及NH3气体的流量控制，使得GaN单晶能够快速生长。该法还运用侧向外延（ELO）技术使位错线弯曲、合并来促进位错的湮灭，进而减少位错密度等方法来提高晶体质量并释放生长应力。
氨热法法是在高压釜中进行生长的。生长过程中，将用作原料的金属Ga或GaN溶解在高压釜一个区域的氨中，通过对流将GaN传输至低溶解度的生长区，溶液达到过饱和在籽晶上重结晶生成GaN单晶。通常，通过矿化剂的加入可以提高加速氨的离解并增加Ga或GaN的溶解度，根据加入矿化剂的类型，可以分为酸性矿化剂和碱性矿化剂。
助熔剂法又称钠流法（Na-Flux）。该法通过向Ga熔体中加入Na，利用Na的强还原能力，促进N2的电离，提高N在Ga熔体中的溶解度，实现Ga和N的反应。该方法可以在相对低的温度（~℃）和压力（5MPa）下实现GaN的生长。Ga-Na熔融液体中的Na在气液界面处使氮气的氮三键断裂，形成N-3离子。溶液内伴随着温度梯度或浓度梯度的驱动，N-3离子逐渐趋于过饱和，当Ga-Na熔融液体中氮的溶解度超过GaN结晶生长所需的临界值时，则开始形成自发成核的GaN，或在GaN籽晶上继续成核生长。
1.4.产业链：龙头效应初显，国内企业快速追赶
第三代半导体产业链环节包括单晶衬底、外延片、器件设计、器件制造、封装测试、整机终端。与Si材料不同，SiC和GaN器件不能直接制作在单晶衬底上，必须在衬底上生长高质量外延材料，在外延层上制造各类器件。
SiC功率器件用外延片主要生长在SiC单晶衬底上。GaN器件根据其应用领域不同衬底材料主要包括蓝宝石、GaN、Si、SiC，其中蓝宝石衬底目前最大尺寸为6in（mm），生产GaN外延片质量好，价格便宜，主要用于光电子器件中LED芯片，由于其与GaN晶格失配度较大，导电性、导热性差，无法用于射频器件；GaN单晶衬底目前量产最大尺寸为2in（50mm），外延片质量极好，但价格昂贵，目前主要用于光电子器件中激光器；Si单晶衬底是GaN功率器件最主要的衬底材料，外延片质量良好，最大应用尺寸为8in（mm），价格便宜，是消费电子电源芯片最主要选择；SiC衬底目前国内量产尺寸为4in～6in（mm～mm），SiC衬底与GaN的失配小，生长的GaN外延片质量很好，同时SiC衬底热导率高，散热性能好，但价格贵，主要应用于5G基站射频前段芯片、军用雷达等领域。单晶衬底和外延片的材料制造能力、晶圆尺寸、性能参数决定了第三代半导体产业的发展水平及进程。
SiC产业链主要包含粉体、单晶材料、外延材料、芯片制备、功率器件、模块封装和应用等环节。从产业链格局来看，美国仅科锐一家公司的SiC晶圆产量就占据全球60%以上，日本和欧洲紧随其后。日本在SiC半导体设备和功率模块方面优势较大，比较典型的企业包括富士电机、三菱电机、昭和电工、罗姆半导体等。欧洲在SiC衬底、外延片等方面优势较大，典型的公司包括瑞典的Norstel、德国的英飞凌和瑞士的意法半导体。与国外企业相比，国内企业整体竞争力较弱，但在全产业链上都有所布局，且近年来的进步十分迅速。在SiC衬底方面，山东天岳、天科合达可以供应3~6英寸的单晶衬底，产能亦在不断提升；在SiC外延方面，东莞天域和瀚天天成均能够供应3~6英寸的SiC外延；在SiC器件方面，以三安光电、中电科55所和中车时代为代表的国内企业在芯片设计与制造、模块封装等方面均已有深厚的积累。
GaN产业链包括上游衬底、中游外延片、下游器件模块等环节。GaN产业，住友电工和科锐是全球GaN射频器件领域的龙头企业，市场占有率均超过30%，其次为Qorvo和MACOM。苏州纳维科技，是国内唯一一家，国际上少有的几家能批量生产2in（50mm）GaN的企业；东莞中镓，建成国内首家专业氮化镓衬底生产线，可以制备出μm的自支撑GaN衬底；苏州晶湛、聚能晶源均可以生产8in（mm）硅基氮化镓外延片；世纪金光，是涵盖SiC、GaN单晶、外延、器件、模块研发设计生产销售一体的公司；润微电子收购中航微电子，拥有8in（mm）硅基氮化镓生产线和国内首个V/10AGaN器件产品；士兰微，拥有6in（mm）硅基氮化镓功率器件生产线。
1.5.能源安全：第三代半导体有望成为绿色经济的中流砥柱
SiC助力汽车降低5倍能力损耗。以第三代半导体的典型应用场景——新能源汽车为例，根据福特汽车公开的信息，相比于传统硅芯片（如IGBT）驱动的新能源汽车，由第三代半导体材料制成芯片驱动的新能源汽车，可以将能量损耗降低5倍左右。
SiC提高电机逆变器效率4%，整车续航里程约7%。作为第三代半导体的代表，碳化硅技术的应用与整车续航里程的提升也有着紧密的联系，第三代半导体材料在提高能效、电源系统小型化、提高耐压等方面的性能已经达到了硅器件无法企及的高度。小鹏汽车动力总成中心IPU硬件高级专家陈宏表示，相比硅基功率半导体，第三代半导体碳化硅MOSFET具有耐高温、低功耗及耐高压等特点。采用碳化硅技术后，电机逆变器效率能够提升约4%，整车续航里程将增加约7%。
SiC赋能光伏发电，增加太阳能转换效率。碳化硅作为典型的宽禁带材料，因其物理特性在太阳能管理中相比硅具有多种材料优势。碳化硅具备的材料优势诸如导热率是硅的三倍、可承受的击穿电场是硅的10倍、较低的导通电阻、栅极电荷和反向恢复电荷特性，使得碳化硅器件与硅同等器件相比，可以以更高的电压、频率和电流来开关，同时更高效地管理热量累积。碳化硅的这些优势在功率升压电路中发挥了作用，它使太阳能转换的效率更高。据国际能源署IEA估计，如果到年，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。
GaN和SiC是太阳能逆变器的关键。据LuxResearch研究，由氮化镓和碳化硅制成的分布式电力电子系统可以将太阳能微型和串状逆变器的效率提高98%以上，二极管的能量增益超过1.5%，而晶体管的能量增益超过4%。氮化镓和碳化硅还可以通过降低无源元件的故障率、减少占地面积和节省安装成本等方式间接节约成本。此外，他们优越的热导率减少了逆变器中散热器的尺寸，进而减少了材料成本。
超高压SiC器件在智能电网固态变压器中的应用有利于智能电网的进一步发展。在电网系统建设中，电力变压器是电压变换和电气隔离的基础设备，是电力网络的核心。固态变压器(SST)又称电力电子变压器，与传统变压器相比，具有体积小、重量轻、供电质量高、功率因数高、自动限流、具备无功补偿能力、频率变换、输出相数变换等优点。
但是由于在电压、功率耐量等方面的限制，硅基大功率器件在固态变压器应用中不得不采用器件串、并联技术和复杂的电路拓扑来达到实际应用的要求，这使得装置的故障率和成本大大增加。而宽禁带半导体材料碳化硅则因其耐高压和耐高温的物理特性，可以更好地适应于智能电网的固态变压器的材料需求，简化固态变压器的电路结构，减小散热器空间，并通过提升开关频率来提高单位功率密度。
GaNFET在汽车和工业领域独具优势,助力减少碳排放。GaNFET有较高功率密度和效率，并可以大幅减少电源磁性器件的尺寸、延长电池续航、提升系统可靠性、降低设计成本。第三代半导体材料在汽车和工业领域的应用也有助于生产生活中节约能耗，进而减少相关活动的碳排放。
GaN功率器件在数据中心的应用可以大幅降低数据中心的能耗，帮助减少30-40%的能源浪费。据元拓高科
本文编辑：佚名
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