傳統的硅基功率半導體器件及其材料已經滿足不了當下行業對高頻、高溫、高功率、高能效、耐惡劣環境及小型化功率半導體器件發展需求，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、介電常數小、抗輻射能力強等優點，結合卓越的開關性能、溫度穩定性和低電磁干擾（EMI），更適用于如太陽能逆變器、電源、電動汽車和工業動力等下一代電源轉換。

SiC、GaN相比于傳統材料性能更優（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，以及規模化生產，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、工業領域的規?；瘧?，雖然單個碳化硅器件的成本仍高于傳統Si基產品數倍，但SiC憑借其產品特性，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，碳化硅功率系統已成本降低至硅基功率系統成本的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：中國產業信息研究院）

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

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體系，并率先量產SiC器件。
 

Cree在2002年推出首款商業化600V SiC肖特基二極管，并于2011年發布工業用SiC MOSFET。
 

這三家企業目前約占據了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起步晚，于20世紀末才開始重視SiC的開發，在技術上仍有很大差距。
 

不過截至2018年，中國大陸的SiC已經形成了相對完整的產業鏈，比如，泰科天潤研發的碳化硅肖特基二極管產品已于2014年成功量產，產品涵蓋600V-3300V等中高壓范圍，產品成品率達到國際先進水平；華天恒芯已經具備量產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。

國內外碳化硅產業鏈代表企業一覽表

國內外氮化鎵（GaN）產業鏈代表企業一覽表

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能力的公司。經過10年努力，實現了2英寸氮化鎵單晶襯底的生產、完成了4英寸產品的工程化技術開發、突破了6英寸的關鍵技術，現在是國內唯一一家、國際上少數幾家之一能夠批量提供2英寸氮化鎵單晶產品的單位。公司氮化鎵產品性能綜合指標國際領先，未來3年重點實現將技術先發優勢轉化為在全球的市場優勢。

東莞市中鎵半導體科技有限公司成立于2009年1月，公司創造性采用MOCVD技術、HVPE技術相結合的方法，研發、生產產品包括：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。
 

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

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，引進海內外優秀的產學研一體化團隊，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，并進行全球產業布局。
 

英諾賽科（珠海）科技有限公司是2015年12月由海歸團隊發起，并集合了數十名國內外精英聯合創辦的第三代半導體電力電子器件研發與生產的高科技企業。公司的主要產品包括30V-650V氮化鎵功率與5G射頻器件，產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線通線投產，成為國內首條實現量產的8英寸硅基氮化鎵生產線。
 

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，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、以及芯片制造的產業整合能力，擁有大規模、先進制程能力的MOCVD 外延生長制造線。
 

目前已小批量生產砷化鎵、氮化鎵和碳化硅產品，并陸續投用市場。
 

蘇州能訊高能半導體有限公司是由海外歸國人員創辦的高新技術企業，能訊半導體采用整合設計與制造（IDM）的模式，自主開發了氮化鎵材料生長、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，能訊已經擁有全套自主知識產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立的半導體國家級高新技術企業。采用了整合設計與制造（IDM）的商業模式，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與產業化。

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線、晶圓在片檢測系統、可靠性測試系統和應用開發系統。在電力電子領域，公司已實現6英寸650伏硅基氮化鎵外延片的量產，并發布了比肩世界先進水平的650伏硅基氮化鎵功率器件產品，主要應用于電源管理、太陽能逆變器、電動汽車及工業馬達驅動等領域。在微波射頻領域，公司已進行硅基氮化鎵外延材料的開發，射頻芯片的研發與產業化準備工作亦已展開，產品定位為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第一家專注于氮化鎵電力電子器件研發和制造的高科技企業，由海外歸國人員創辦于蘇州工業園區，擁有專業的銷售、研發、技術團隊。自主研發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，并率先在國內實現了600V氮化鎵增強型高壓開關器件。同時開發了多款基于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線和國內首個8英寸600V/10A GaN功率器件產品，用于電源管理。

華潤微規劃建設的化合物半導體項目,判斷生產線主要是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，公司預計在未來1-2年內會有產品突破，能夠有新產品盡快推到市場上。
 

2018年10月，杭州士蘭微電子股份有限公司廈門12英寸芯片生產線暨先進化合物半導體生產線正式開工。2017年12月，士蘭微電子與廈門市海滄區人民政府簽署了《戰略合作框架協議》。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、生產與銷售，產品性能指標居國際先進水平。
 

公司憑借強大的企業實力，繼2014年擴大LED外延芯片研發與制造產業化規模、同時投資集成電路產業，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業園區，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、特種封裝等產業。
 

中蕊光電公司在光電裝備領域擁有多項領先優勢，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領先水平；

依據公司的中長期發展規劃，公司將夯實現有技術基礎，充分發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基地，逐步推進形成達百億產值的GaN半導體產業集群。
 

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蒙古蒙西高新技術集團有限公司共同出資設立，專業從事LED芯片、氮化鎵功率器件、太陽能LED燈具的研發生產銷售與技術服務。
 

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

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、工藝穩定性、器件可靠性以及成本控制等，寬禁帶功率半導體產業化的難度比外界想象的要大很多。
 

二是在生態環境假設上。5G移動通信、電動汽車等是寬禁帶半導體產業最具有爆發性增長潛力的應用領域，國內在產業生態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。產業鏈上下游協同不足，尚未解決材料“能用-可用-好用”發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領域缺少原始創新的專利，仍需要積極引進國外優秀技術人才，多方面借鑒國外發展經驗，逐步提升國內技術水平。
 

GaN作為新一代半導體材料，對于芯片和器件的制備，半導體行業特點突出，是否具備高良率，是否具備商業化價值是衡量企業的另一關鍵要素。國內要想發展GaN，就要依靠自主研發，實現技術突破。當前我國第3代半導體材料研發與國外差距不大，如果通過產業鏈協同創新，完全有可能實現彎道超車，打破半導體產業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業是全球最大的半導體照明產品生產和出口地，成為中國大陸第三代半導體材料成功產業化的第一個突破口。
 

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、環渤海經濟圈及閩贛地區開展第三代半導體產業布局，其中珠三角地區是中國大陸LED封裝企業最集中、封裝產業規模最大的地區，企業數量約占全國一半左右。
 

根據Yole的統計，2017年全球SiC模組市場為2.8億美元，GaN模組的市場規模約為4000萬美元左右；結合時下國內外發展情況，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的模組市場規模也將擴大到1.1億美元左右。

全球SiC、GaN模組市場規模及增速分析（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越性、實用性和戰略性，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能技術的發展趨勢，成為節能設備最核心的器件，許多發達國家已將第三代半導體材料列入國家計劃，全面部署，竭力搶占戰略制高點。
 

根據發展目標，2018~2020年間，中國大陸將完成第三代半導體的產業基礎建設，進行產業鏈的完善、核心裝備研發、核心工藝開發、開發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新問題。借助功率器件產業的國產替代，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的原始創新專利。