第三代半导体到底是什么（一文带你读懂第三代半导体）

第三代半导体到底是什么（一文带你读懂第三代半导体）研讨君：【无语凝噎】亲戚：“不太清楚，但是人家都叫第三代了，肯定是比第一代和第二代高级呗。”亲戚：“害，谁不知道半导体现在是大热门，第三代半导体更是热门，技术又先进，国家又有政策扶持，投它肯定亏不了。”研讨君：【欲言又止】研讨君：“那您了解第三代半导体包括哪些材料吗？”

半导体研讨君最近和家里一位长辈亲戚发生了如下对话：

研讨君：“二大爷，听说您最近开始炒股了，您都投资了哪些公司啊？一起交流交流？”

亲戚：“我现在还没太摸清门道，就把热门领域都投了一些，什么白酒啊、光伏啊、化工啊、第三代半导体啊……”

研讨君：“呦，您也在关注第三代半导体啊，那您觉得第三代半导体未来市场规模能有多大？”

亲戚：“害，谁不知道半导体现在是大热门，第三代半导体更是热门，技术又先进，国家又有政策扶持，投它肯定亏不了。”

研讨君：【欲言又止】

研讨君：“那您了解第三代半导体包括哪些材料吗？”

亲戚：“不太清楚，但是人家都叫第三代了，肯定是比第一代和第二代高级呗。”

研讨君：【无语凝噎】

研讨君思考了一下，觉得可能有许多朋友和这位长辈一样，对于第三代半导体只知其一不知其二。于是回家以后奋笔疾书（打），完成了这篇小科普文。到底什么是第三代半导体？这个市场的投资逻辑在哪里？相信这篇文章能够解答您的一些疑惑。如果有什么说得不全面的地方，也希望可以得到专业人士的补充和指点。

下图是本文的梳理框架：

一、 什么是第三代半导体

（一）第三代半导体的定义

按照定义，第三代半导体是指以碳化硅、氮化镓、氧化锌、金刚石为主要代表的宽禁带半导体。

什么是宽禁带？从专业角度来解释，一般把室温下禁带宽度（也称为带隙）大于2.3eV的半导体材料归类于宽禁带半导体。所谓禁带宽度，就是这些材料的电子从价带扩散到导带需要的能量。举例来说，硅所需能量为1.12eV（电子伏特），碳化硅所需能量为3.3eV，氮化镓所需能量为3.4eV。

看到这，很多投资者就要开始皱眉了：我想投资第三代半导体，还必须得懂这些？

的确，对于大多数投资者来说，这样的专业化概念未免太过晦涩难懂。其实，需要记住的知识点就是：对于半导体来说，禁带宽度越大，工作频率也就越大，越能耐高压、耐高温。

（二）半导体材料的发展历程

第一代半导体材料以硅(Si)、锗(Ge)为主，兴起于二十世纪50年代，用武之地十分广泛，上至航空、军工、计算机等高精尖领域，下至手机、充电器的功率器件等生活领域，都能见到它的身影。第一代半导体材料引发了以集成电路为核心的微电子领域的迅速发展。

第二代半导体材料是化合物半导体，以砷化镓(GaAs)、磷化铟(InP)为主，兴起于二十世纪90年代，被广泛用于光通讯、光显示、移动通讯等领域。第二代半导体材料助力开拓了光纤和移动通讯的新产业。

第三代半导体材料以碳化硅(SiC)、氮化镓(GaN)、氧化锌(ZnO)、金刚石(C)为代表，我国从1995年开始涉足第三代半导体材料的研究。其中，碳化硅凭借其耐高压、耐高温、低能量损耗等特性被认为是5G通信晶片中最理想的衬底，氮化镓则凭借其高临界磁场、高电子迁移率的特点被认为是超高频器件的绝佳选择。

需要说明的是，第三代半导体与第一代、第二代半导体之间并不是相互替代的关系。它们适用于不同的领域，应用范围有所交叉，但不是完全等同。第三代半导体有其擅长的领域，在特定的“舒适区”内性能确实是优于硅、锗等传统半导体材料，但在“舒适圈”之外，硅仍然占据王者地位。

二、 第三代半导体产业链

（一）碳化硅SiC

SiC的生产过程主要包括【单晶制备】——【外延层制备】——【芯片生产】这三大环节。SiC器件的价值链包括【衬底】——【外延】——【前段（即设计、制造等）】——【器件】。其中，衬底所占成本最高，约占50%。衬底的高成本主要是因为单晶SiC生长速度缓慢、品质难以把控。伴随着不断的技术升级，SiC衬底和外延片未来的价格预计会下降。

（二）氮化镓GaN

GaN的生产过程，描述起来和SiC差不多，主要包括【材料/单晶制备】——【外延层制备】——【芯片生产】这三大环节。但是有所不同的是，由于技术水平限制以及成本问题，GaN材料的衬底目前还无法规模化投产，因此，GaN器件大多采用SiC、Si、蓝宝石等材料为衬底。SiC衬底一般用于射频器件；Si衬底一般用于功率器件；蓝宝石衬底一般用于制造蓝光LED。也正是因为如此，前文提到的SiC衬底价格下降也会促进GaN射频器件价格的下降。

三、 第三代半导体的下游应用前景？

首先，SiC和GaN的下游应用领域是不同的，我们需要先介绍一下SiC和GaN的区别。他们在应用上的区别用一句话来概括就是：SiC器件比GaN器件更适用于高压领域，GaN器件比SiC器件更适用于高频领域。一方面来说，SiC器件能承受的电压高达1200伏及以上，而GaN器件则能承受的电压和功率密度相对较低。另一方面，由于GaN器件具有高电子迁移率，其dV/dt电压大于100V/s（MOSFET硅器件仅50V/s），关断时间几乎为零，所以很适合高频领域的应用。

（一） 碳化硅SiC

SiC的下游应用偏向1000V以上的中高电压范围。根据Yole的数据，2020年，全球SiC功率半导体的市场规模约7.16亿美元，同比增长约27.63%。

未来几年SiC市场将主要受益于汽车电动化、电动汽车配套设备建设及5G基站建设。

相比于传统燃油车，电动车需配备的功率半导体数量大大增加。汽车应用是功率半导体市场增长最快的细分方向，而与之配套的充电站、充电桩需求也将提升。据测算，从2020年到2030年，混合动力汽车与纯电动汽车的出货量将从1030万辆增加到5990万辆。按照这个数量来计算，需配备的功率半导体总金额将从28亿美金增加到125亿美金，年复合增长率达到16.14%。

（二）氮化镓GaN

1、功率器件

GaN有几大优点在功率器件中得以充分发挥。第一，它的导通电阻小，所以使用GaN材料制作的功率器件的转换效率就会较高，效率提高，减少损耗，就会又节能、又省成本（相对而言）；第二，由于它导通电阻小、耐高温性强、电子速度快，使用GaN材料制作的功率器件的体积就得以缩小，可以实现设备小型化。

总体来看，按照工作电压来分类，全球功率器件的68%左右应用在0-900V的低压领域。按照2021年442亿美元的功率器件市场来计算，GaN功率器件的潜在市场规模约为300亿美元。

细分来看，GaN功率器件下游应用的增长来源主要是快充和车规级逆变器。

先来说快充，研讨君作为一名每天电子设备不离手的网瘾患者，尤其是作为一名电子设备不离手的同时还要求效率至上的网瘾社畜，快充为我的生活带来了极大的便利。几年前，OPPO的一句“充电五分钟，通话两小时”响彻大江南北，随后，我们就注意到，越来越多的手机厂商开始注重快充技术，并将其作为产品宣传的重点之一。2019年9月，还是OPPO，推出了国内首款GaN充电器SuperVOOC2.0，充电功率为65W，是全球首家在手机充电器中导入氮化镓技术的厂商。“快充”模式需要实现高电流、高功率充电，这时，身材娇小、开关迅速、集中度高的GaN-MOS的优势得以凸显，其风头逐渐盖过硅基MOSFET。随着终端需求的积极推进，GaN在快充领域有望大展风采。

接下来说说车规级逆变器。首先，新能源汽车的未来前景，我们已经在之前的文章中反复叙述，这是一个众所周知、肉眼可见的将会蓬勃发展的市场。目前，电动汽车逆变器运行电压高达1000V，开关频率高达20kHz，普通的硅基IGBT、MOSFET很难满足这样的运行要求。高开关频率会产生更高的开关损耗，从而导致逆变器降低效率。GaN的使用，能够在减少尺寸、重量的同时，有效提高逆变器效率，进而提高汽车的续航能力。

2、射频器件

射频器件材料主要有三种：GaAs、基于Si的LDMOS（(横向扩散金属氧化物半导体)）以及GaN。GaAs器件的缺点是器件功率较低，LDMOS器件的缺点是工作频率存在极限，最高有效频率在3GHz以下。GaN弥补了GaAs和Si基LDMOS两种旧技术存在的缺陷，在体现GaAs高频性能的同时，结合了Si基LDMOS的功率处理能力。

根据法国Yole公司的预测，随着GaN材料工艺的成熟和成本的下降，GaN在射频市场的渗透率将提升，预计到2025年将达到50%左右。从2019年至2025年，GaN射频器件市场将保持12%的复合增速，预计2025年达到20亿美元。而增长的主要动力来源于两个方面——基站建设和国防。据预测，在整个GaN射频器件市场中，国防领域的占比将从2019年的46.2%上升到2025年的55.5%。

四、 第三代半导体目前的市场格局

1、目前SiC晶片市场主要由美、欧、日主导

目前SiC晶片市场主要由美、欧、日主导，中国企业逐渐开始崭露头角。根据半导体时代产业数据中心《2020年中国第三代半导体碳化硅晶片行业分析报告》数据，2020上半年全球半导体SiC晶片市场中，美国Cree出货量占据全球45%；欧洲企业在SiC器件的设计开发领域实力雄厚，代表企业企业有Siltronic、意法半导体、英飞凌等；日本企业的特点是技术实力强、产业链完整，代表企业有松下、罗姆、住友电气、三菱等，图中罗姆的子公司SiCrystal在2020年上半年占据了20%的市场份额；中国企业也不甘落后，正在迎头追赶，天科合达的市占率由2019年的3%上升至2020年的5.3%，山东天岳占比为2.6%。

2、难度相对较低，与国外差距较小

第三代半导体核心难点在于材料制备，这个市场的进入门槛相对较低、厂商技术追赶速度相对较快、产业链国产化程度较高。并且，第三代半导体行业目前整体仍处于起步阶段，国内厂商和国际巨头基本处于同一起跑线，国产化替代前景可期。基于这些因素，有大量国内玩家被吸引到这个赛场当中。下游需求的蓬勃增长加上国家政策和资金的大力扶持，抓住机遇的优质国产厂商很有可能会突出重围，让我们拭目以待！

#三安光电##闻泰科技##晶盛机电#