第三代半导体深度报告：下游应用、能源安全、后摩尔时代驱动发展

（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（3.4 eV）、击穿场强大（3.3 MW / cm）、电子饱和 漂移速度高（2.7 * 107 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（305mm）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 2700℃，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 1700℃，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 2017 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 Yole Development 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 2000 美元。显然，这是 SiC 给汽车制造商带来的实在的成本效益。

2020 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，650V 的 SiC SBD 2020 年底的平均价 格是 1.58 元/A，较 2019 年底下降了 13.2%，与 Si 器件的价差在 3.8 倍左右。1200V 的 SiC SBD 的平均价是 3.83 元/A，较 2019 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。650V 的 SiC SBD 的实际成交价格约 0.7 元/A，1200V 的 SiC SBD 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 SiC MOSFET 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。2019 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 2020 年的 3%提升至 2025 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 2019 年的 720 万辆增长至 2030 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 170 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 2000 °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 1500~1900 °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(physical vapor transport method，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 2000 ° 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 2000°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 1000 ~ 1050 ℃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（~800 ℃）和压力（<5 MPa）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 （152mm），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（203mm），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（101mm～152mm），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 1100μm 的 自支撑 GaN 衬底；苏州晶湛、聚能晶源均可以生产 8in（203mm）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（203mm）硅基氮化镓生产线和国内首个 600V/10A GaN 器件产品；士兰微，拥有 6in（152mm）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 2024 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 Lux Research 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。

GaN FET 在汽车和工业领域独具优势, 助力减少碳排放。GaN FET 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。据元拓高科官网资讯，若全球采用硅芯片器件的数据中心都升级为氮化镓功率芯 片器件，那么全球的数据中心将减少 30-40%的能源浪费，相当于节省了 100 兆瓦时太阳 能和减少 1.25 亿吨二氧化碳排放量。

2.供需测算：产业链各环节产能增长，但供给仍然不足

2.1. 供给端：产线陆续开通，产能不断增加

产线陆续开通，大尺寸晶圆渐成主流 。衬底方面： 2020 年烁科晶体 SiC 衬底项目投产， 同时天科合达、 同光晶体 、南砂晶圆等几大衬底生产商均在扩张 6 英寸衬底产能。器件 方面： SiC 产线从 4 英寸向 6 英寸发展。 据 CASA Research 不完全统计， 2020 年国内投 产 3 条 6 英寸 SiC 晶圆产线，截至 2020 年底，国内至少已有 8 条 6 英寸 SiC 晶圆制造产 线（包括中试线），另有约 10 条 SiC 生产线正在建设。

GaN 电力电子产线方面， 已有 7 条 GaN-on-Si 晶圆制造产线，另有约 4 条 GaN 电力电 子产线正在建设。 GaN 射频产线方面，2020 年有 5 条 4 英寸 GaN-on-SiC 生产线，约有 5 条 GaN 射频产线正在建设。值得注意的是，大尺寸产线对材料技术和生产技术的要求 更高，与国际相比，国内大尺寸晶圆制造技术尚未完全成熟，成本高昂、良率较低。企 业要根据自身情况，综合考虑技术、成本、生产效率等多方面因素，选取最优的工艺路 线。

产能统计：

据 CASA Research 数据显示， SiC 电力电子方面 SiC 导电型衬底折算 4 英寸产能约为 40 万片 /年， SiC-on-SiC 外延片折算 6 英寸产能约为 22 万片 /年， SiC-on-SiC 器件 /模块 （ 4/6 英寸兼容）产能约 26 万片 /年。 GaN 电力电子方面 GaN-on-Si 外延片折算 6 英 寸产能约为 28 万片 /年， GaN-on-Si 器件 /模块折算 6 英寸产能约为 22 万片 /年。 GaN 微波射频方面 SiC 半绝缘衬底折算 4 英寸产能约为 18 万片 /年， GaN-on-SiC 外延片折 算 4 英寸产能约为 20 万片 /年， GaN-on-SiC 器件 /模块折算 4 英寸产能约为 16 万片 / 年。

2.2. 需求端：SiC 在新能源汽车中硅片用量测算

目前业界于电动车较积极导入 SiC 的主要装置和部件有主驱逆变器、车载充电器、车 外充电器，SiC 功率元件发挥如下优势：

1） 极佳的内在特质：高效率，降低能量损耗；高转换频率，增加能量强度；可在更 高的温度下运行，提升长期可靠性。

2）性能改进和小型化：从 Si-IGBT 模组到 SiC MOSFET 模组，体积缩小了 50%，效率 提升了 2%，器件的使用寿命得到延长。

3）有助于降低电动车用户的使用成本：提升效率以达到节电目的，在相同输出功率 下可增加续航里程、提升充电速度。

纯电动汽车: 8 寸晶圆可以满足 13 辆车的 SiC 需求; 6 寸晶圆可以满足 7 辆车的 SiC 需求

8inch wafer= 324.29 平方厘米，假设良率为 50%，BEV 各部件需要的 SiC 晶圆面积：1） 逆变器=10 平方厘米；2）OBC=1.8 平方厘米；3）DC/DC=0.9 平方厘米，那么 1 张 8 寸 晶圆可以满足 13 辆车的 SiC 需求。6inch wafer= 176.7 平方厘米, 假设良率为 50%，那么 1 张 6 寸晶圆可以满足 7 辆车的 SiC 需求。

油电混合车: 8 寸晶圆可以满足 17 辆车的 SiC 需求; 6 寸晶圆可以满足 9 辆车的 SiC 需求

8inch wafer= 324.29 平方厘米，假设良率为 50%，BEV 各部件需要的 SiC 晶圆面积：1） 逆变器=8 平方厘米；2）OBC=0.9 平方厘米；3）DC/DC=0.5 平方厘米，那么 1 张 8 寸晶 圆可以满足 17 辆车的 SiC 需求。6inch wafer= 176.7 平方厘米, 假设良率为 50%，那么 1 张 6 寸晶圆可以满足 9 辆车的 SiC 需求。

国内 SiC 商业化衬底以 4 英寸为主，逐步向 6 英寸过渡，微管密度小于 1 个 /cm2，实现 95%的衬底可用面积，位错约在 1×103/cm2较上年有所进步。

纯电动汽车占新能源汽车比重为 81%，以此数据假设，我国 2021-2025 年新能源汽 车相关 8 英寸 SiC 晶圆需求为 14.0 万片、18.1 万片、24.2 万片、31.2 万片、42.3 万片， 全球为 27.0 万片、36.5 万片、49.5 万片、64.4 万片、89.4 万片；6 英寸 SiC 晶圆需求我 国为 24.9 万片、32.1 万片、43.1 万片、55.4 万片、75.2 万片，全球为 49.5 万片、67.0 万 片、90.9 万片、112.8 万片、164.0 万片。

2.3. 需求端：GaN 在电力电子及射频中硅片用量测算

GaN 电力电子器件市场规模在国内外都将保持较高增速，带来需求高速增长。根据 CASA Research 的数据，未来 PD 快充 GaN 电力电子器件市场将迎来 3-4 年的黄金发展 时期，2020 年国内 PD 快充 GaN 电力电子器件市场规模约 1.5 亿元，预计到 2025 年市 场规模将超过 40 亿元，年均复合增长率 高达 97%。

终端应用市场的需求繁荣将拉动对 GaN 晶圆的广阔需求空间。据 CASA Research 估计， 到 2025 年，全球相关 GaN 6 英寸晶圆需求将达到 129 万片，我国 GaN 6 英寸晶圆需求 将达到 67.4 万片。6 英寸、8 英寸 GaN 晶圆的面积分别为 176.71、314.16 平方厘米，按 照晶圆需求量与晶圆面积比例测算，那么可得 2025 年 GaN 电力电子器件在 PD 快充领域 对 8 英寸的需求为全球 72.6 万片，我国 37.9 万片。

2022 年，因 5G 基站建设带来的 GaN 晶圆增量需求将出现高峰。据 CASA 统计，我国 5G 宏基站新建带来的 4 英寸 GaN 晶圆总需求量约为 40 万片，2020 年需求量为 6.4 万片， 2022 年需求量进一步增长至 10 万片。此外，若毫米波基站开始部署，其 4 英寸 GaN 晶 圆总需求量约为 200-400 万片，将为晶圆厂带来较为可观的增量市场需求空间。4 英寸、 6 英寸、8 英寸 GaN 晶圆的面积分别为 78.54、176.71、314.16 平方厘米，按照晶圆需求 量与晶圆面积比例测算。

2.4. 需求端高速发展，但供给仍然不足，国产替代迫在眉睫

当前新能源汽车、 PD 快充、 5G 等下游应用市场增长超预期，国内现有产品商业化供给 无法满足市场需求，尤其是 SiC 电力电子和 GaN 存在较大缺口。这也导致我国第三代半 导体各环节国产化率较低，超过八成的产品依赖进口。在这种情况下，希望国内有实力 的企业在谋划扩产增加产能供给的同时，还要加强技术攻关 ，提升产品性能、良率和可 靠性，并加速降低成本。

SiC 在新能源汽车领域需求情况，2025 年为 164 万片等效 6 寸晶圆，与 2020 年产能差距 甚大。GaN 在电力电子（仅快充）领域需求情况，2025 年为 129 万片等效 6 寸晶圆，与 2020 年产能差距甚大。

3.下游应用：物理性能优势+节能减排需求，SiC应用多点开花

SiC 在物理性能方面相较于 Si 优势显著，叠加节能减排和新能源领域的巨大变革，SiC 下 游应用极为广阔。现有的功率器件大多基于硅半导体材料，由于硅材料物理性能的限制，器件的能效和性能已逐渐接近极限，难以满足迅速增长和变化的电能应用新需求。 碳化 硅功率器件以其优异的耐高压、耐高温 、低损耗等性能，能够有效满足电力电子系统的 高效率、小型化和轻量化要求，在新能源汽车、光伏发电、轨道交通、智能电网等领域 具有明显优势。经过近 30 年 研究和开发，碳化硅衬底和功率器件制造技术在近年逐步成 熟，并快速推广应用，正在掀起一场节能减排和新能源领域的巨大变革。

伴随新能源汽车、光伏发电 、轨道交通 、智能电网等产业的快速发展，SiC 功率器件的 使用需求大幅增加，2027 年将突破百亿美元。未来，随着碳化硅功率器件的加速发展， 全球功率器件的销售额预计将持续保持增长。预计 2018 至 2023 年期间，全球功率器件 的销售额复合年增长率达到 3.3%，2023 年全球功率器件收入将达到 192 亿美元。根据 IHSMarkit 数据，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，预计到 2027 年碳化硅功率器件的市场规模将超过 100 亿 美元 ，碳化硅衬底的市场需求也将大幅增长。

2022 年，预计 SiC 下游市场预计高达 50 亿美元，其中新能源汽车及太阳能市场占比极 高，电动车快充及 OBC 发展可期。

3.1. SiC 在新能源汽车领域备受青睐，未来五年带动 60 亿美元市场

新能源汽车是 SiC 功率器件最大的应用领域，预计明年有 24 亿美元市场，2027 年达到 60 亿美元，2032 年超过 150 亿美元。在新能源汽车上，传统功率器件通常采用 IGBT 技 术方案，但近年来随着材料科技的发展，碳化硅(SiC)正成为技术热点。根据意法半导体相 关预测，2020 年约有 40%以上的纯电动汽车采用 SiC 技术，而到 2025 年，SiC 的普及率 将提高至 70%。

SiC 已实现了车规级应用，在新能源汽车市场备受青睐。新能源汽车系统架构中涉及到功 率半导体应用的组件包括:电机驱动系统、车载充电系统(OBC)、电源转换系统(车载 DC/DC)和非车载充电桩。目前，SiC 已实现了车规级应用，GaN 尚处于研发阶段。SiC 主 要应用于大于 600V 的高压系统，如纯电动汽车的驱动电机逆变器。从目前来看，SiC 尚 未完全取代 IGBT，因为这几种材料都有各自的技术优势。其中 SiC 凭借其在性能以及降 低整车成本等方面的诸多优势，正越来越受到新能源汽车市场的青睐，特别是牵引逆变 器中的应用越来越广，并且该趋势在未来几年会变得更加明显。

SiC 在新能源汽车领域的应用逐渐成为各大机构的技术布局热点。车用辅助设施、充电桩 等的整个新能源汽车产业，均会成为支撑碳化硅在中高电压领域高端应用的重要组成部 分。

相比于传统硅基，SiC 在新能源汽车有较大的技术优势：

1）SiC 可有效提高能效，并使得系统结构更为紧凑，冷却设计也更为简化；此外还有助 于缩短充电时间、增加续驶里程。如果比较一下传统的硅基器件和 SiC 技术，前者的最大 工作温度为 175 °C，而后者可以达到 200 °C 以上。SiC 的这一技术特性使得器件能够耐 受非常恶劣的工作环境，并且耗散功率更低。

2） SiC 材料的高耐压、宽禁带和高导热率特性使得 SiC 更适合应用在高功率密度和高开 关频率的场合。在低压、低开关频率下情况下，SiC MOSFET 相较于高性能 Si MOSFET， 如英飞凌 Cool-MOS 系列，对效率的提升并不明显，但随着电压等级、功率等级和开关 频率 的提高，SiC 优势逐渐显现。在高频场合 SiC MOS- FET 具有显著优势，这使得高频 开关电源设计成为可能。

3）SiC 技术如果应用于充电领域，还能提高充电速度。高开关频率带来的磁性元件小型 化和功率密度的提升将使采用 SiC MOSFET 的充电机在实际产品应用中更具优势。同时考 虑到快充技术的发展和高压充电的应用，SiC MOSFET 将在今后的设计中发挥重要作用。

我国新能源汽车将高速起量， SiC 迎来大发展时代。2021-2022 年得益于疫情后的车市 反弹和财政补贴期限的延长，新能源汽车销量将实现增长；2023 年以后随着补贴退坡， 市场将回落到较为平稳的增长水平；到 2025 年，新能源汽车销量将达到约 542 万辆。

新能源汽车终端市场的强劲需求+SiC 优秀的物理性能，使其成为 SiC 功率器件市场快速 发展的首要驱动力。新能源汽车将新增大量与电池能源转换相关的功率半导体器件，新 能源汽车终端市场的强劲需求，将带动整个功率半导体行业需求大幅度增长。与 Si（硅 基的 IGBT 相比， SiC MOSFET 在产品尺寸、功率消耗方面大幅减小，较大地提升了新能 源汽车电池的电能转化效率。较大地提升了新能源汽车电池的电能转化效率。（报告来源：未来智库）

3.2. SiC 在充电基础设施市场空间广阔，将在直流充电桩带动下实现突破

充电基础设施市场空间庞大，有望带动 SiC 应用实现突破。在缺少家用充电系统或超级 充电桩时，电动汽车需要使用车载充电器来处理标准路边充电问题。充电时间取决于车 载充电器的额定功率。目前电动汽车车载充电器额定功率在 3kW 到 9kW 之间。为缓解消 费者对电动汽车续驶里程的焦虑，加速电动汽车发展，各国都在建设公共充电桩。从 2019 年全球各国公共充电桩保有量统计来看，中国 51.6 万台，欧盟 25.5 万台，美国 7.2 万台，日本 3.2 万台，全球年复合增长率达 32%，中国充电产业规模位居全球之首，总量 占比超过全球半数。进入 2020 年，我国公共充电桩保有量这一数据已达到 80.7 万台，较 2019 年增加超 56%，可见充电市场空间十分庞大。

随着电动汽车保有量的上升，直流充电桩技术正发展迅猛，未来推广速度加快，有望带 动 SiC 应用实现突破。现阶段，市场上主要由交流桩和直流桩两种充电桩类型构成。交 流（慢充）桩是公共充电桩的主流。数据显示，2020 年我国 80.7 万台公共充电桩中，交 流充电桩达到 49.8 万台，而直流充电桩为 30.9 万台。其原因在于，交流桩对电网改造要 求低，可直接接入 220V 居民用电线路，技术比较成熟且建设成本比较低，但充电效率低， 耗时更长，主要适用于家用领域。相比之下，直流充电桩充电速度较快，但技术复杂且 成本高昂，因此早期推广速度不如交流充电桩。然而对于公共充电桩来说，提升充电效 率缩短充电时间是用户的关注核心，因此直流充电桩技术的未来研发市场十分广阔。

碳化硅器件对电动汽车充电模块性能提升主要体现在三方面：

(1)提高频率，简化供电网络；

(2)降低损耗，减少温升。从电源模块收益上讲，如用普通硅功率器件，内部温度非常高， 器件寿命较短，使用碳化硅器件后，低温升对延长充电桩使用寿命十分有益，其它部分 所减少的投入可抵消碳化硅器件成本的提升，可使碳化硅充电桩寿命达 5~8 年以上，远 高于硅基充电桩的使用寿命；

(3)缩小体积，提升效率，总成本低。基于对碳化硅器件在有线充电中的优势(高效率、低 温升、高密度、低损耗)分析表明，其总体成本将较低。

SiC 在高功率充电桩领域极具竞争优势。充电桩电压随电动汽车电池组电压的增加而发生 需求变化。在保时捷、现代及其他汽车制造商的推动下，电池电压从 400V 增加到 800V， 充电桩电压也要从 500V 增加到 1000V，这也导致充电桩需要采用电压 1200V 的功率部件。 而基于 SiC 技术的功率开关管和功率二极管，能提供比硅基 IGBT 尺寸更紧凑的解决方案， 更高的效率、频率都能令高功率充电桩受益。Yole 也预测到，这一市场规模在 2019- 2025 年间的 CAGR 预期将高达 90%，至 2025 年可增长至 2.25 亿美元。

3.3. SiC 在光伏发电领域优势显著，为系统的小型高效带来可能

可再生能源成为国家碳中和相关重点规划方向，SiC 为代表的相关技术和产品的研发市场 广阔。太阳能和风能发电系统是利用光伏电池板光生伏打效应或风力带动发电机，直接 将太阳能或风能转换成电能的发电系统，它的主要部件是光伏电池组件、风轮、储能电 池、控制器，逆变器，电机驱动器等构成，其特点是可靠性高、使用寿命长、不污染环 境、能独立发电或并网运行，受到各国政府和企业的重视，具有广阔的发展前景。

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，SiC 功率器件能够突 破 Si 材料对器件性能的限制。在光伏发电应用中，基于硅基器件的传统逆变器成本约占 系10%左右，却是系统能量损耗的主要来源之一。使用碳化硅 MOSFET 或碳化硅 MOSFET 与碳化硅 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。

并网光伏逆变器是光伏电站的核心功率转换设备，应用 SiC 功率器件对于提高并网光伏 逆变器系统的效率及可靠性、提高光伏发电系统寿命及降低光伏发电系统的成本起到至 关重要的作用。在光伏电站中，并网光伏逆变器损耗占系统损耗的 50% 以上，光伏电站 的发电效率取决于光伏并网逆变器的效率。在光伏并网逆变器的 Boost 电路及逆变电路 采用 SiC 功率器件后，其开关频率可以比 Si 器件的提高数倍，能量转换损耗也大大降低； 并且在功率器件开关过程中，电压、电流的过冲振荡都非常小，可以简化相关的能量吸 收电路以及软开关设计。因此，基于 SiC 功率器件的并网光伏逆变器的开关频率，可以从 传统的基于 Si IGBT 功率模块的 20 kHz 左右提高到 30~80 kHz， 大大减少了并网光伏逆 变器输出电感量，从而减小整机体积并减轻重量，降低整机成本。

SiC 功率器件在光伏发电应用中，具有缩小系统体积、增加功率密度、延长器件使用寿命、 降低生产成本等诸多优势，预计会逐渐取代硅基器件。碳化硅功率器件针对太阳能逆变 器、不间断电源设备以及风能电机驱动器等大功率模组件的应用进行设计，以更小尺寸、 更低物料成本以及更高的效率。新标准太阳能硅基逆变器典型的转换效率接近 96%，而采 用碳化硅基逆变器的平均效率能提高到 97.5%，相当于减少 25%的逆变器损耗，碳化硅基 逆变器在风力发电领域可提高转换效率 20%。

SiC 功率器件的市场接受程度不断增加，在光伏发电领域有光明的应用前景。目前，SiC 功率器件所使用的单晶体材料尺寸不断增大，质量大大提高，成本持续降低，使得 SiC 功 率器件的电压、电流等级和可靠性提高，成本下降，市场接受程度不断增加。据 Yole 统 计分析，目前的 SiC 功率器件 90% 以上是应用到低压(600~1 200 V)电力电子系统，主要 包括电源系统、马达驱动以及并网光伏逆变器。根据 Omdia 数据，2020 年全球 SiC 和 GaN 功率半导体的销售收入达到 8.54 亿美元，在混合动力和电动汽车、电源和光伏逆变 器等需求的推动下，未来十年保持两位数的年均复合增长率，到 2021 年市场预计超过 10 亿美元，并在 2029 年超过 50 亿美元。

4.下游应用：光电+射频+电力电子起量，GaN应用场景广阔

GaN 优势众多，在 5G 和 AIOT 推动的 100V 和 650V 集群中前景广阔，下游应用包括汽 车，工业，电信和特定消费类产业。GaN 在功率应用方面比传统的硅基半导体材料具有 显著的优势，这包括大大降低了寄生功率损耗，能在更高功率下实现更高能效等。GaN 技术还允许设计更紧凑的器件以实现更小的产品尺寸。此外，基于 GaN 的器件在较高的 峰值温度下工作时，其切换速度比基于硅的器件快 10 倍。GaN 充电器可以在一个小型紧 凑的装置中提供所需的电源，并同时给多个设备快速充电。同样，在电动汽车领域，GaN 的节能效果超过 20%，而在电信领域，5G 无线技术是“完美”的应用案例。随着更高的 带宽和频率要求（这增加了 5G 智能手机的电池续航能力要求），耗电的 5G 设备可以利 用更高效的 GaN 技术，该技术不仅可以更有效地散热，而且占用空间也更小。GaN 能够 在更高频范围内工作，因此从基站到小型蜂窝应用都需要它，并且它已经开始涉足移动 设备的设计。

目前 GaN 材料的主要应用领域为电子电力领域（电源等）、光电子领域（LED 照明、激 光等）和射频领域（通信基站等）。

占比最高的是光电器件为 68%。宽禁带半导体尤其在短波长光电器件方面有很明显的优势。 例如蓝光，现在所有的半导体照明已经采用了氮化镓。在紫光、紫外光甚至在黄光、绿 光等方面都可以直接用氮化物半导体作为材料。

占比第二是射频器件，即微波毫米波器件，占比为 20%。GaN 相比于砷化镓和硅等半导 体材料，在微波毫米波段的宽禁带半导体器件工作效率和输出功率明显高，适合做射频 功率器件。民用射频器件主要用在移动通信方面，包括现在的 4G、5G 和未来的 6G 通信。 例如，国内新装的 4G 和 5G 移动通信的基站几乎全用氮化镓器件。尤其是 5G 基站采用 MIMO 收发体制，每个基站 64 路收发，耗电量是 4G 基站的 3 倍以上，而且基站的密集 度还要高于 4G 基站，不用高效率的氮化镓器件几乎是不可能的。未来 6G 通信频率更高、 基站数更多，矛盾将更加突出。

占比第三是大功率电力电子器件，占比为 10%。快充装置、输变电系统、轨道交通、电动 汽车和充电桩等都需要大功率、高效率的电力电子器件。无疑宽禁带半导体，尤其是 GaN 具有比其他半导体材料更为明显的优势。

4.1. GaN 下游市场 2022 超十亿美元，电力电子、射频、光电领域起量朝 夕

Wolfspeed 预计 GaN 市场将在 2022 年达到 11 亿美元，下游市场包括 5G 通信、消费电 子、军工等等。

4.2. GaN 在光电子领域占据主要市场，是制造 Micro-LED 芯片的优选

GaN 是蓝、绿光 LED 不可替代的基础材料，也是制造 Micro-LED 芯片的优选。GaN 基 发光二极管因具有高效、可靠、响应速度快、寿命长、功耗低等优点，不仅被广泛应用 于全彩显示面板背光、交通信号灯、汽车照 明、固态照明等领域，而且可以制造成由 COMS/TFT 控制集成的微尺寸 LED 阵列，用于小型投影仪、微显示器、可见光通信、医 学研究等。

基于 GaN-on-Si 技术的 Micro-LED 有效提升显示品质，符合未来发展趋势。Micro-LED 被认为是消费电子领域下一个世代的显示技术。虽然其在芯片、巨量转移、全彩化等方 面仍存在技术挑战,但其所展现出的高分辨、快响应、低能耗、长寿命等突出特点,能满足 超小和超大显示的需求,如虚拟/增强显示和电子广告牌,展现出巨大的应用潜力。

在物联网和 5G 新时代，光电子市场作为 GaN 的主要应用方向，具有较大潜力。小间距 产品在我国已经发展了十年，产品性价比越来越高的同时，技术也日臻成熟，使用场景 和市场体量亦同步增长。Mini/Micro LED 芯片不仅可以作为直显产品应用于商用显示领域， 还可以作为背光源应用于电视、平板电脑、笔记本电脑和车载屏幕等终端显示产品中， 市场前景巨大。

4.3. GaN 在电力电子市场深受认可，消费快充+汽车电子增长空间广阔

GaN 在电力电子市场深受认可，增长空间广阔。由于 GaN 器件相比于 SiC 器件拥有更高 的工作频率、更低的导通电阻和更低的最低阈值电压，使用 GaN 器件制作的功率器件将 拥有更强的转换效率和更小的器件体积，所以 GaN 电力电子器件更适合对高频率、小体 积、成本敏感、功率要求低的电源领域。未来 GaN 在电力电子市场的增长空间主要集中 在消费快充和汽车电子。

GaN 电源市场将成为 GaN 在电力电子领域最强的推动力，Yole 预测市场规模将在未来 五年超过 15 亿美元。智能手机的屏幕越来越大，带来了对手机续航需求的水涨船高，这 意味着电池容量将会进一步增加。传统充电头为匹配这种趋势，体积不得不相应膨胀， 造成消费者体验的下降。而采用 GaN 的充电器体积小、重量轻、转换效率高、发热低、 安全性强，较普通充电器有显著优势，因此势必受到下一代充电器市场的欢迎。

GaN 具有推动无线感应高频充电方案发展的潜力，未来将更多地配备在高端电动车上。 目前设备中的感应充电器主要采用的是传统的磁感线圈技术，工作频率在 100 至 300KHz， 并使用 E、F 及 S 类放大器的转换器拓扑。其缺点是工作频率很低，充电速度较慢，效率 会伴随着距离增加而急剧下降，因此无线充电系统需要一个更高的频率标准。然而在更高的频率下，传统的 Si 基 MOSFET 的开关性能已接近它的极限，因此可以在高频环境下 工作的 GaN 电力电子器件在这一领域具有较大的应用潜力。

GaN 场效应晶体管具备低电 容、零反向恢复及低导通阻抗等优势，因此可确保低功耗，从而提高放大器的效率及确 保低电磁干扰，能够为这种无线充电方案解决关键的放大器设计问题。目前苹果、华为、 三星等移动设备厂商在研发高频无线感应充电产品来提升移动产品的无线充电性能。新 能源汽车市场上，宝马等中高端汽车厂商早在 2018 年就开始尝试在其新能源汽车上配备 集成无线感应充电系统，但由于目前的充电效率有待提升，且造价也相对较高，因此无 线感应充电在未来可能更多地配备在高端电动车上。

车载方面，GaN 电力电子器件能够有效减少逆变器尺寸、重量和系统成，因此在 48V 的 混合动力汽车领域将拥有较强的竞争力。GaN 可用于 48V DC/DC 以及 OBC（On board charger 车载充电机）。高工产研预计 48V 轻混系统车型将在中国迎来高速发展期，在 2020 年至 2025 年的五年时间里，实现年均增长率 69.4%，年销售量从 33 万辆增长到 450 万辆。同时 GaN 电力电子器件也可用于车载充电器（OBC），如以色列 VisIC 公司设计的 6.7 kW GaN 车载充电器实现了更低的功率损耗，更小的体积和更轻的重量，帮助电动汽 车精简冷却系统、缩短充电时间，缩小尺寸并降低成本。（报告来源：未来智库）

4.4. GaN 在射频领域市场潜能可观，为 5G 时代功率放大器核心

在射频通信领域，GaN 是未来最具成长潜能的半导体材料之一。与 GAAS、InP 相比，GaN 器件输出功率更大，与 Si LDMOS 和 SiC 器件相比，GaN 的射频特性更好，GaN 射 频器件已成为 5G 时代功率放大器主要技术。

GaN 的主要优点包括：

1） 更宽的带宽：支持速度快 10 倍下载速度

2） 更高频率：活动天线基于更高的频率可以做到实时动态覆盖

3） 更高的效率：更小，更高的能量系统

GaN 赋能 5G 单片前端解决方案，5G 的蓬勃发展将会促进 GaN 应用的进一步推广。相 比于 4G，5G 的通信频段往高频波段迁移。目前我国 4G 网络通信频段以 2.6GHz 为主， 2017 年工信部发布了 5G 系统在 3-5GHz 频段（中频段）内的频率使用规划，后期会逐步 增补 6GHz 以上的高频段作为容量覆盖。GaN 非常适合毫米波领域所需的高频和宽带宽， 可满足性能和小尺寸要求，实现赋能 5G 单片前端。

5G 基站建设放量为 GaN 市场带来增长空间。GaN 在高频下具有较高的功率输出和较小 的面积，因此比传统半导体材料更加合适运用在 5G 基站端的功率放大器上。在 5G 毫米 波的时代，高频段让传统 PA 的 LDMOS 工艺捉襟见肘。天生的性能缺陷让其在未来的高 频应用中优势尽失，基站亟需高功率密度、高运行电压、高频率和高带宽的新工艺产品。 于是，拥有材料性能优势的氮化镓就成为业界追逐的新增长点。根据前瞻产业研究院关 于 5G 基站建设预测数据，未来 5 年中国 5G 基站建设将迎来高峰，每年投资金额为 3000 亿—5000 亿元，5 年总投资超过 2 万亿元。

除 5G 外，GaN 在雷达和电子战系统中具有优势，军工市场是 GaN 射频器件市场的主要 推动力。据 StrategyAnalytics 的统计，国防和航天应用占了射频氮化镓总市场规模的 40%， 雷达和电子战系统是射频氮化镓的最大应用市场。GaN 固态功率电子器件的迅速发展大 幅度提高了军事雷达发射机的输出功率、功率密度，工作频带宽度和环境适应性以及可 靠性，并且使得宽带大功率单片集成电路及相应组件模块的最终实现成为可能。GaN 器 件的宽禁带在实现太阳盲区的紫外探测方面具有明显的优势。GaN 激光器的出现为精确 激光引信制导，高密度信息存储提供了解决方法。GaN 当前已在关键的国防细分市场上 展现出优势，例如雷神公司旗下的爱国者导弹防御系统采用了最新的基于氮化镓技术的 天线系统，氮化镓工艺制造的功率放大器也已经用于点对点通信的军用手持式无线电中。 国防应用需求的稳定性也将为 GaN 市场增长保驾护航。

Si 基 GaN 和 SiC 基 GaN 射频器件已逐步成为 5G 功率放大器尤其宏基站功放大器的主流 技术路线。以碳化硅为衬底的氮化镓射频器件同时具备了碳化硅的高导热性能和氮化镓 在高频段下大功率射频输出的优势，突破了砷化镓和硅基 LDMOS 器件的固有缺陷， 能 够满足 5G 通讯对高频性能和高功率处理能力的要求。

4.5. GaN 异质外延方面产品线持续扩充完善，Si 基 GaN、SiC 基 GaN 前 景广阔

GaN 异质外延方面产品线持续扩充完善，各类技术并行发展。GaN 外延主要有两种衬底 技术，分别是 Si 基 GaN 和 SiC 基 GaN。近年来各技术路线均有较大进展，关键驱动因素 是技术稳定性和成本。

由于具有价格低、生长速度快以及对 CMOS 工艺兼容等优势，Si 基 GaN 有望在电力电 子应用方面成为市场主流，但性能略逊于 SiC 基 GaN。Si 基 GaN 生长速度较快，也较容 易扩展到 8 英寸晶圆。目前国内外主流尺寸为 6 英寸，代表企业有 IQE、EpiGaN 等，国 内英诺赛科率先实现 8 英寸 Si 基 GaN 外延材料及晶圆制造大规模量产，外延材料的均匀性小于 1%。另外，硅基技术将对 CMOS 工艺兼容，使 GaN 器件与 CMOS 工艺器件集成 在一块芯片上。这些使得 Si 基 GaN 成为市场主流，而且主要应用于电力电子领域，未来 有望大量导入 5G 基站的功率放大器 (PA)。

硅 基氮化 镓商用 仍在起步 阶段， 有望提 供经济高 效和可 扩展的 解决方案 ，Yole Development 市场规模将在 2026 年达到 1.73 亿美元，复合年增长率达到 86%。 尽管截至 2021 年第二季度其市场容量很小，但硅基氮化镓 PA（功率放大器）凭借大带 宽和小尺寸吸引了智能手机 OEM。随着创新厂商的重大技术进步，一些低于 6GHz 的 5G 手机型号很可能很快采用，无疑将是硅基氮化镓的一个里程碑。硅基氮化镓器件市场预 计将在 2026 年达到 1.73 亿美元，复合年增长率达到 86%。

SiC 基 GaN 器件是射频市场主流产品和技术解决方案，性能相对较佳，但价格高于 Si 基 GaN。 SiC 基 GaN 结合了 SiC 优异的导热性和 GaN 的高功率密度和低损耗的能力，此基 板上的器件可以在高电压和高漏极电流下运行，结温将随射频功率而缓慢升高，因此射 频性能更好，是射频应用的合适材料。在相同的耗散条件下，SiC 器件的可靠性和使用寿 命更好。但受限于 SiC 衬底，目前国内外 SiC 基 GaN 外延片主流尺寸为 4 英寸，并逐步 向 6 英寸发展，8 英寸还没有推广。在过去几年中，SiC 基 GaN 晶圆的成本已大大降低。

在 RF GaN 行业，Si 基 GaN 和 SiC 基 GaN 技术已成为 RF 功率应用方面 LDMOS 和 GaAs 的有力竞争者。除了军用雷达领域的深度渗透，它还是华为、诺基亚、三星等电信 原始设备制造商（OEM）5G 大规模 MIMO 基础设施的首选。由于高带宽和高效率，Si 基 GaN 和 SiC 基 GaN 器件在 5G 市场上不断从 LDMOS 中抢占份额，并开始受益于向 6 英寸 晶圆平台的转移。在这种情况下，Yole Development 预计 Si 基 GaN 和 SiC 基 GaN 器件 市场将在 2026 年达到 22 亿美元以上，复合年增长率将达到 17%。

在 GaN 射频应用方面，对于 SiC 基 GaN 工艺，研发能力逐渐提升，技术逐渐成熟。4 英 寸产线代表企业为日本住友电工和中国台湾稳懋，在 6GHz 以内各频段都有标准产品，输出功 率 40W-400W。6 英寸产线主要集中在美国，代表企业 Cree | Wolfspeed、Qorvo 和 NXP， 在 0.5GHz-6GHz 工作频段内输出功率为 10W-1400W。 其中，Cree 拥有最强的实力，在 射频应用的 GaN HEMT 专利竞争中，尤其在 SiC 基 GaN 技术方面处于领先地位，远远领 先于其主要竞争对手住友电工和富士通。英特尔和 MACOM 是目前最活跃的射频 GaN 专 利申请者，主要聚焦在 Si 基 GaN 技术领域。国内主流尺寸为 4 英寸，工作频段 DC6GHz，输出功率 10-700W，代表企业主要有中电科 13 所、中电科 55 所、苏州能讯、三 安光电等。

Si 基 GaN 射频应用属于非主流路线，但其成本优势在未来有较大竞争力，因此也有不少 企业在布局。国内外 Si 基 GaN 外延片主流尺寸为 4 英寸和 6 英寸，并逐步向 8 英寸发展。国际代表企业为美国 MACOM 公司， 有 4、6、8 英寸 Si 基射频 GaN 器件工艺，其 0.5μm 工艺提供 6GHz 及以下频率分立器件与放大器模块，5W 6GHz 的分立器件效 率>50%。国内代表企业有四川益丰(OMMIC)，其 Si 基工艺线为 6 英寸线，D01GH 工艺器 件栅长 100nm，功率达 3.3W/mm，截止频率达 110/160GHz(fT/fmax)。

GaN 光电子应用方面，Mini/Micro-LED 用 Si 基 GaN 外延片实现 8 英寸材料产业化，代 表企业有晶湛半导体、晶能光电等。

多家晶圆代工厂和 IDM 均将生产 Si 基 GaN 和 SiC 基 GaN 视为重点发展对象。Si 基 GaN 方面，台积电已经开始提供 6 英寸的晶圆代工服务；嘉晶 6 英寸 Si 基 GaN 外延片， 已进入国际 IDM 厂认证阶段，并争取新订单中；汉磊科则已量产 6 英寸 Si 基 GaN 产品， 瞄准车用需求。SiC 基 GaN 方面，化合物半导体晶圆代工厂稳懋已开始提供 6 英寸的代 工服务，应用瞄准高功率 PA 及天线；而环宇也拥有 4 英寸 SiC 基 GaN 高功率 PA 产能， 且 6 英寸 SiC 基 GaN 晶圆代工产能已通过认证。

IDM 方面，国际龙头企业进一步扩大自身优势。2018 年，Cree 收购了英飞凌的 RF 部门， 该部门主要设计制造 LDMOS 放大器，同时拥有 GaN-SiC/Si 器件生产能力。收购完成后， Cree 成为了全球最大的 GaN 射频器件供应商。Cree 除为自家生产 GaN 射频器件外，还 向外提供 GaN 代工生产服务。而 Qorvo 在 GaAs 的基础上，进一步发展了 SiC 基 GaN； MACOM 则在早期看好 Si 基 GaN 工艺，近年也开始发展 SiC 基 GaN。

5.产业竞争格局：美日欧三足鼎立，我国渐行渐近

5.1. 海外市场持续渗透，美日欧三足鼎立

5.1.1. 全球展开全面战略部署，各国抢占第三代半导体战略制高点

市场需求增强，龙头企业不断扩大产能，抢占市场份额。2019 年，Cree 宣布投资 10 亿 美元扩大 SiC 产能，建造一座采用最先进技术的自动化 200mm SiC 生产工厂和一座材料 超级工厂，实现 SiC 晶圆制造产能和 SiC 材料生产的 30 倍增长，以满足 2024 年之前的 预期市场增长。近日，科锐首席执行官也再次确认，其位于纽约州马西镇的碳化硅（SiC） 晶圆厂有望在 2022 年初投产，该厂于 2019 年开始建设，为“世界上最大”的碳化硅晶 圆厂，将聚焦车规级产品，是科锐 10 亿美元扩大碳化硅产能计划的一部分，也是该公司 有史以来最大手笔的投资。同时，科锐宣布与意法半导体（ST）扩大现有的多年长期碳 化硅（SiC）晶圆供应协议。根据新的供应协议，科锐在未来几年将向意法半导体提供 150 毫米碳化硅裸片和外延片。

美日欧均推进第三代半导体技术的研发项目，抢占技术制高点。2014 年初，美国宣布成 立“下一代功率电子技术国家制造业创新中心”，期望通过加强第三代半导体技术的研发 和产业化，使美国占领下一代功率电子产业这个正出现的规模最大、发展最快的新兴市 场，并为美国创造出一大批高收入就业岗位。

日本建立了“下一代功率半导体封装技术开发联盟”，由大阪大学牵头，协同罗姆、三菱 电机、松下电器等 18 家从事 SiC 和 GaN 材料、器件以及应用技术开发及产业化的知名 企业、大学和研究中心，共同开发适应 SiC 和 GaN 等下一代功率半导体特点的先进封装 技术。

欧洲启动了产学研项目“LAST POWER”，由意法半导体公司牵头，协同来自意大利、德 国等六个欧洲国家的私营企业、大学和公共研究中心，联合攻关 SiC 和 GaN 的关键技术。 项目通过研发高性价比且高可靠性的 SiC 和 GaN 功率电子技术，使欧洲跻身于世界高能 效功率芯片研究与商用的最前沿。

5.1.2. SiC 美国优势显著，欧洲产业链完备，日本在设备和模块技术方面领先

目前，碳化硅晶片产业格局呈现美国全球独大的特点。以导电型产品为例， 2018 年美国 占有全球碳化硅晶片产量的 70%以上，仅 CREE 公司就占据一半以上市场份额，剩余份 额大部分被日本和欧洲的其他碳化硅企业占据。

SiC 电力电子方面，美国在 SiC 领域全球独大，并且占有全球 SiC 70%~80% 的产量。欧洲 拥有完整的 SiC 衬底、外延、器件、应用产业链， 日本是设备和模块开发方面的绝对领 先者。

5.1.3. GaN 国际产业格局初定，美日欧三足鼎立

当前全球 GaN 产业仍处于由海外主导的寡头市场。在电力电子领域，美国拥有较完整的 产业链，欧盟主要聚焦在外延环节，日本信越和富士电机等在衬底和外延占优。在微波 射频领域，目前全球约有超过 30 家企业已经从事 GaN 的研发生产，其中 10 家左右已经 实现了 GaN 的量产化和商业化。美国、 欧洲、日本等在军事雷达和无线基站通信方面走 在世界前列。欧洲在 5G 通信方面研发成果较多，技术创新能力强。日本在 GaN 射频领 域的研发和应用，以民用通信为主，军事通信探测为辅。在半导体照明领域，截至 2019 年日亚化学在 LED 芯片方面的销售仍稳居全球第一，德国欧司朗（Osram）、荷兰飞利浦 照明（Philip Lumileds）、韩国三星等在封装方面领先全球。在激光器方面，日本日亚 （Nichia）、德国欧司朗（Osram）走在了国际前列。日本的住友电工、日立电缆等企业 在衬底材料方面具有较 深的技术储备 ；而美国的 Kyma 公司、法国的 Lumilog 公司也相 续实现了 2 英寸 GaN 衬底的研发和产业化开发。在探测器方面，美国通用电气（GE）公 司于 2008 年已经发布了具有日盲特性，单光子探测效率可达到 9.4%，而暗计数仅为 2.5kHz 的 SAM 结构 4H-SiC APD。韩国的 Genicom 公司和日本的 Kyosemi 公司可以批量 供应 GaN 紫 外探测器并推出多款模块化应用产品。

各国在 GaN 相关专利技术上取得较多突破，日本、美国处于领先地位。日本企业在 GaN 材料领域积累深厚，据中国信息通信研究院知识产权中心统计，截至 2018 年，全球 GaN 发明专利中有 39%来源于日本，GaN 全球排名前 20 位的专利权人中，共有住友、松下、 丰田等 12 家日本企业。这 12 家日本企业的 GaN 专利申请总量占全球 GaN 专利申请总 量的 24%，由此可见日本企业在 GaN 领域技术实力处于领先地位。美国则有 3 家企业/机 构进入 GaN 全球专利权人排名前 20 位，分别是加利福尼亚大学、科瑞、英特尔。

5.2. 政策和市场双轮推动，中国第三代半导体产业发展前景光明

我国起步稍晚，厚积薄发快速发展与国外代差较小，但在 GaN 单晶等基础材料制备方面 还存在一定代差。目前国外厂商 SiC 基 GaN 外延材料正在逐步向 6 英寸过渡，而我国用 于微波射频器件的 SiC 基 GaN 外延材料也在逐步向 6 英寸发展，国内厂商用于电力电子 器件的 Si 基 GaN 也与国外同步，逐步向 6 英寸发展过渡，基本实现了 6 英寸材料的产业 化，并且完成了 8 英寸材料的样品研发，可见我国与海外在 GaN 材料加工及外延片制备 方面与国外差距较小，但是在 GaN 单晶等基础材料制备方面还存在代差，未来在大尺寸、 高质量籽晶方面还需要进一步破解。

当前，我国半导体产业面临“卡脖子”问题，主要卡在关键设备和材料方面。但在宽禁 带半导体设备方面，大多数领域都实现了本土化，从材料生长、器件和电路工艺到测试 封装设备，国内基本能够满足需求。唯独光刻机仍然没有解决。宽禁带半导体所需要的光刻机工艺制程并不需要十分先进，光刻精度在 90 纳米左右。我国逐步在向世界巨头们 追赶逼近。

5.2.1. 我国政策持续向好，扶持力度不断增强

第三代半导体助力“碳达峰、碳中和”目标的实现。 第三代半导体材料和技术对于建成可 循环的高效、高可靠性的能源网络起到至关重要的作用，可助力实现光伏、风电(电能生 产)，直流特高压输电(电能传输)，新能源汽车、工业电源、机车牵引、消费电源(电能使 用)等领域的电能高效转换，推动能源绿色低碳发展。

在政策导向方面，国家多项新政策的出台，大大助力了第三代半导体材料产业的发展。 近年来，国务院及工信部、科技部等多部门出台了一系列扶持第三代半导体材料产业发 展的利好政策。2016 年， 国务院印发《“十三五”国家科技创新规划》，启动了一批面 向 2030 年的重大项目，其中第三代半导体被列为国家科技创新 2030 重大项目中的“重 点新材料研发及应用“重要方向之一。2017 年 2 月， 国家新材料产业发展专家咨询委员 会成立，作为战略性新兴产业和实现节能减排的重要抓手，第三代半导体技术和产业受 到了中央政府、各级地方政府和企业的重视。

与此同时，多地区也已下发相关政策，大力扶持第三代半导体材料产业快速发展。随着 国务院及工信部、科技部等多部门出台了一系列扶持第三代半导体材料发展的利好政策， 我国各地方政府机构为促进地方第三代半导体材料产业快速而有序的发展，也相继出台 相关政策，政策内容涉及集群培育、 科研奖励、人才培育、项目招商、生产激励等多个 方面，地区包括深圳、北京、长沙、浙江、成都和 广州等地。预计未来 2~3 年，国内第 三代半导体产业将形成几个集聚区，分别是京津冀、长三角、珠三角和闽三角，注重第 三代半导体产业对当地经济结构调整、产业转型升级的促进作用，政策的超前部署将促 进第三代半导体产业呈 现迅猛发展势头。

国家 2030 计划和“十四五”国家研发计划都已经明确，第三代半导体是重要发展方向， 现在到了动议讨论实施方案的阶段。第三代半导体材料具有高频、高效、高功率、耐高 压、耐高温、抗辐射等特性，可以实现更好电子浓度和运动控制，特别是在苛刻条件下 备受青睐，在 5G、新能源汽车、消费电子、新一代显示、航空航天等领域有重要应用。

国家布局“新基建”，第三代半导体是关键核心器件。早在 2018 年底召开的中央经济工作 会议上就明确了 5G、人工智能、工业互联网、物联网等“新型基础设施建设”的定位，随 后“加强新一代信息基础设施建设”被纳入 2019 年政府工作报告。2020 年，在国务院常务 会议、中央全面深化改革委员会第十二次会议等重要会议上多次提出推进新型基础设施 建设，我国新型基础设施建设进入高层布局。以 SiC 和 GaN 第三代半导体材料为基础制 备的电子器件是支撑“新基建”建设的关键核心器件。

5.2.2. 我国碳化硅产业研发实力提升，与先进水平差距缩小

我国即将形成以 4 英寸主体，6 英寸为骨干，8 英寸为后继的 SiC 衬底发展局面

在 SiC 衬底方面，我国的生产企业主要有天科合达、山东天岳、河北同光晶体、世纪金光、中电集团二所等。国外厂商如美国的 Cree、II-VI 和日本的昭和电工、三者合计占据 了全球 75%的市场份额。在技术上，目前正从 4 英寸衬底向 6 英寸过渡，8 英寸衬底正在 研发中。我国的生产企业主要有天科合达、山东天岳、河北同光晶体、世纪金光、中电 集团二所等，国内 SiC 衬底以 3-4 英寸为主，天科合达的 4 英寸衬底已达到世界先进水平。 2019 年国内生产的导电型 SiC 衬底，折合成 4 英寸衬底的产能为 50 万片/年，半绝缘型 SiC 衬底折合成 4 英寸，产能为 20 万片/月。其中，中电科二所在 2018 年率先完成了 4 英寸高纯半绝缘 SiC 单晶衬底材料的工程化。2020 年，其山西 SiC 材料基地已经实现 4 英寸 SiC 晶片的批量生产。

国内 6 英寸 SiC 衬底研发也相继突破，已进入小批量生产阶段。2017 年山东天岳自主开 发了高纯半绝缘体衬底材料，目前 4H 导电型 SiC 衬底材料已达到 6 英寸，还自主开发了 6 英寸 N 型 SiC 衬底材料。2018 年中电科二所也完成了 6 英寸高纯半绝缘 SiC 单晶衬底 的开发。2018 年底，三安光电宣布已完成了商业版本的 6 英寸 SiC 晶圆制造技术的全部 工艺鉴定试验。2020 年 7 月，三安光电在长沙的第三代半导体项目启动，主要用于生产 6 英寸 SiC 导电衬底、4 英寸半绝缘衬底以及 SiC 二极管和 SiC MOSFET 的外延芯片。

2020 年 10 月 6 日，山西烁科发布消息称，8 英寸 SiC 衬底已开发成功，即将进入工程 化。

在 SiC 外延片方面，目前国内 SiC 外延片以 4 英寸产品为主，也有少量提供 6 英寸外延 片。目前以美国的 Cree、 DowCorning、II-VI、日本的罗姆、三菱电机、德国的 Infineon 为主，其中美国公司就占据了全球的 70%以上的份额。技术上已向 6 英寸过渡。国内的 SiC 外延片生产商主要有瀚天天成、东莞天城、国民技术子公司国民天成、世纪金光、以 及中电科的 13 所和 55 所等。目前国内 SiC 外延片以 4 英寸产品为主，也有少量提供 6 英寸外延片。2019 年 SiC 外延片折算成 6 英寸产品的产能为 20 万片/年。其中瀚天天成 已形成可 3 英寸、4 英寸及 6 英寸完整的 SiC 外延片生产线，可满足 600V、1200V 及 1700V 器件制作的要求。东莞天成已实现年产超过 2 万片的 3 英寸、4 英寸 SiC 外延片的 产业化能力，目前还可以提供 6 英寸 SiC 外延片。国民技术、天成化合物也在近期建成了 6 英寸第二代和第三代半导体外延片项目，项目投资 4.5 亿元。

在 SiC 器件方面，我国相关企业较多。国外主要厂商有英飞凌、安森美、意法半导体、 三菱电机、东芝、威世半导体、富士电机、罗姆、瑞萨科技等美、日、欧大型 IDM 半导 体厂商。600-1700V SiC SBD、SiC MOSFET 已实现产业化，主要产品在 1200V 以下。近 年来，我国从事 SiC 器件研发和生产的厂商较多。有 IDM 企业，如扬杰电子、苏州能讯 高能半导体、株洲中车时代、中电科 13 所和 55 所、世纪金光等；有 Fabless 企业，如上海瞻芯、瑞能半导体等；有 Foundry 代工企业，如三安光电；也有 SiC 模组厂商，如嘉兴 斯达、河南森源、常州武进科华、中车时代电子等。在 SiC 器件制造方面，目前国内已有 中车时代、世纪金光、全球能源互联网研究院和中电 55 所等 4 条 6 英寸 SiC 器件中试线， 相继投入量产。其中，中车时代的 6 英寸 SiC SBD、PiN MOSFET 等器件的研发与制造更 有特色。（报告来源：未来智库）

5.2.3. 多方配合推动创新，中国 GaN 产业发展正当时

各企业积极扩产布局，产业进入扩张期，市场迅猛增长。为了迎合市场需求，争夺关键 竞争位置，国内主流企业如天科合达、三安光电、同光晶体等纷纷扩产，在产业、产品 和市场等多方面加强布局，这也预示着国内第三代半导体产业开始进入扩张期。同时， 传统半导体企业如华润微、闻泰科技等依托资金、技术、渠道及商业模式的优势，积极 布局第三代半导体，以谋求更多的利润增长点。

从研发角度来看，中国专利占据全球的 28%，产业化发展程度较欧美低但应用场景广阔。 国内申请专利较多的机构主要有中科院、 西安电子科技大学、中国电子科技集团公司第 五十五研究所等。专利技术主要集中在 LED、FET 等电子器件，以及电极、沉积方法和外 延生长等加工工艺。但我国发展的应用场景广阔：我国是全球最大的半导体照明产业生 产地、全球规模最大的 5G 移动通信、全球增速最快的新能源汽车、智能手机和军工领域 对功率半导体需求增速，这些应用的发展都离不开第三代半导体材料和器件的支撑。

国内投资 GaN 热度高涨，国家、地方、企业联动的投融资生态圈正在发挥积极作用。根 据 CASA 数据统计，仅仅 2017 年一年，第三代半导体扩产项目共计 10 起，总投资金额 达到 700 亿元。其中明确投产氮化镓材料相关项目金额已经超过 19 亿元，以宽禁带半导 体或化合物半导体名义投资的项目金额近 615 亿元。

政策扶持、应用推进、资本追捧，以 GaN 为代表的第三代半导体产业前景广阔。在光明 前景的驱动下，目前全球各国均在加大力度布局第三代半导体领域，但我国在产业化方 面进度还较缓慢，技术亟待突破。当前，第三代半导体在电力电子和射频器件领域面临 重要窗口期，国际半导体产业巨头尚未对行业标准和技术形成完全垄断，在政策和市场 双重推动下，中国第三代半导体产业发展正当时。

6.海外半导体公司情况：群雄争霸，先发制人

CREE：宽禁带化合物半导体龙头

SiC 领域最强者，8 英寸产业成功研发投建。CREE 公司成立于 1987 年，是集化合物半导 体材料、功率器件、微波射频器件、LED 照明解决方案于一体的著名制造商，专业从事碳 化硅、氮化镓等第三代半导体衬底与器件的技术研究与生产制造。

4、6 英寸 SiC 晶圆量产，8 寸晶圆成功投建。CREE 在碳化硅晶片制造产业中拥有尺寸的 代际优势，已成功研制并投资建设 8 英寸晶片产线。公司已具备成熟的 6 英寸晶片制备 技术并实现规模化。

公司财务状况良好，成本逐渐下降，第三代半导体板块营收占比逐年上升。Cree 公司的 营业收入分为两个部分：Wolfspeed 和 LED 芯片。Wolfspeed 部分的产品主要有碳化硅和 氮化镓材料、电力设备以及射频设备。2018-2020 年，Wolfspeed 收入占总营业收入的比 例分别为 36%，50%，52%，呈逐年上升的趋势。2020 年毛利率相较于 2019 年有所下降， 主要原因是客户和产品结构的变化，工厂和技术转型导致成本上升。

7.我国公司情况：厚积薄发，未来可期

三安光电: 化合物半导体业务多轮驱动, 加速替代海外供应商

三安光电通过设立厦门三安光电全资子公司发力化合物半导体市场，项目总规划用地 281 亩，总投资额 30 亿元。三安光电电路是涵盖微波射频、高功率电力电子、光通讯等领域的化合物半导体制造平台；具备衬底材料、外延生长、以及芯片制造的产业整合能 力，拥有大规模、先进制程能力的 MOCVD 外延生长制造线。

三安光电覆盖多种化合物半导体，积极开拓相关客户获得高度认可。三安光电作为致力 成为化合物半导体专业制造的领导公司，主要从事生产砷化镓半导体芯片及氮化镓高功 率半导体芯片产品，包含第二代（砷化镓（GaAs）和磷化铟（InP））、第三代（碳化硅 （SiC）和氮化镓（GaN））。碳化硅二极管开拓客户 182 家，送样客户 92 家，转量产客 户 35 家，超过 30 种产品已进入批量量产阶段。二极管产品已有 2 款产品通过车载认证， 送样客户 4 家，目前封装测试中。在硅基氮化镓功率器件方面，完成约 40 家客户工程送 样及系统验证，已拿到 12 家客户设计方案，4 家进入量产阶段。三安光电产品性能获得 客户高度认可，客户寻求代工意愿强烈，每块业务产能均在大力扩充，订购的设备也在 陆续到位，随着产能的逐步释放，营收规模将会持续增大，盈利能力也将会逐步体现。

三安集成 2021H1 实现收入 10.16 亿元，半年度收入实现对去年全年收入超越。包含泉 州三安滤波器在内，则实现收入 10.28 亿元。随着公司 H2 产能逐步释放，我们看好公司 全年集成电路板块收入持续保持高增长。在客户进展方面，2021 上半年滤波器开拓 41 家客户（其中 17 家国内手机和通信模块客户），砷化镓射频累计客户近 100 家，光技术 量产客户 104 家，碳化硅二极管上半年新开拓客户 518 家，出货客户超过 180 家，并有 2 款碳化硅二极管产品通过车载认证并送样行业标杆客户，其中，碳化硅 Mos 工业级产 品送样验证，车规级正配合多家车企做流片设计及测试。

砷化镓射频上半年扩产设备已逐步到位，产能达到 8,000 片/月，出货产品全面覆盖 2G5G 手机 PA、WIFI 等应用领域，国内外客户累计近 100 家，已成为国内领先射频设计公 司的主力供应商。随着后续扩产设备的逐步到位，产能不断提升，加上产品技术工艺不 断成熟，高阶工艺导入及客户新流片增加，客户粘性将不断加强。滤波器 SAW 和 TCSAW 产品已开拓客户 41 家，其中 17 家为国内手机和通信模块主要客户，产品已成功导 入手机模块产业供应链。公司开发的自主知识产权温度补偿型滤波器，产品已经与国际 厂商的同类产品性能相当，高品质、高性能的产品能快速导入客户端，目前已有多家手 机终端厂商与公司接洽，随着手机终端厂商的直接导入以及公司产能的提升，未来在该 领域的市场份额将进一步提升。

首条碳化硅 IDM 生产线投产，集成电路业务多轮驱动。今年 6 月 23 日，公司投资 160 亿元的一座全产业链超级工厂正式投产，月产量可达 30,000 片 6 寸碳化硅晶圆。公司长 沙工厂具备由上游衬底至下游器件的能力，当下拥有碳化硅晶圆制造能力的工厂数量也 屈指可数。公司建成了国内首条碳化硅垂直整合产业链，对下游企业的议价能力较强， 在新能源汽车快速提高渗透率的浪潮中，碳化硅市场将快速成长，公司预计将显著受益。

（本文仅供参考，不代表我们的任何投资建议。如需使用相关信息，请参阅报告原文。）

精选报告来源：【未来智库】。