虽然目前主流第二代半导体材料GaAs占据了化合物半导体市场上79%的份额，但得益于频率、亮度、耗电量以及高频噪声等方面的优势，各大厂商都认为第三代化合物半导体（GaN以及SiC）在应用端将有更优异的表现。未来，当射频市场向高频率演进，同时电源市场向高电压高功率挺进，GaN以及SiC在这两大市场上将成为主流解决方案材料。
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化合物半导体应用和材料之间的关系
第三代半导体在诸多性能上都具有优势
未来，对应频率以及电压不同的要求，将会出现三种主流器件：1）对应高频率的RFGaN（<50V），2）对应高功率的GaNHEMT（从低压的<200V到高压的650V），3）对应超高功率的SiCMOSFET（从600V到2,000V以上均可支持）。三种器件对比，RFGaN和GaNHEMT的大规模商用化时间点会早于SiCMOSFET。
未来对应不同要求，GaN以及SiC材料将会出现三种主流器件
第三代化合物半导体在国防军工、信息安全、能源安全方面意义重大，美国、欧洲等国家和地区相继发布政府或军队层面技术和产业扶持计划。
全球推动第三代半导体功率器件产业和技术发展的国家计划
我国也相继发布国家计划，高度重视和推动产业发展。
中国第三代半导体功率器件发展目标
由于第三代半导体具有广阔的市场前景，国际巨头纷纷加大力度布局。一方面，通过企业并购获取新技术；另一方面加大研发和投资建设生产线，扩充新产能。
2014年-2017年第三代半导体行业重要并购事件
目前第三代半导体功率器件发展方向主要有SiC和GaN两大方向，SiC拥有更高的热导率和更成熟的技术，而GaN高电子迁移率和饱和电子速率、成本更低的优点，两者的不同优势决定了应用范围上的差异，GaN的市场应用偏向高频小电力领域，集中在600V以下；而SiC适用于1200V以上的高温大电力领域。
SiC和GaN的应用领域不同
目前氮化镓器件有三分之二应用于军工电子，如军事通讯、电子干扰、雷达等领域；在民用领域，氮化镓主要被应用于通讯基站、功率器件等领域。氮化镓基站PA的功放效率较其他材料更高，因而能节省大量电能，且其可以几乎覆盖无线通讯的所有频段，功率密度大，能够减少基站体积和质量。
GaN器件的主要竞争对手是Si器件和SiC器件。GaN器件相对Si器件有明显的性能优势，而GaN可以用廉价易得的Si做衬底，使得GaN器件相比于SiC器件具有更显著的成本优势。GaN功率器件的定位为高频率、小体积、成本敏感、功率要求低的电源领域，如轻量化的消费电子电源适配器、无人机用超轻电源、无线充电设备等。
GaN器件与Si器件竞争劣势在于价格较贵，很多厂商已经开始开发GaN集成系统使得在系统层面具有成本竞争力（耗尽型和增强型器件均可以做集成化），在另一个层面，系统级封装（SiP）也将降低模组的成本。
1）WaveTek认为，对于5G解决方案，需要功率放大器兼具高线性度和高效率的特性。由于传统的LDMOS器件在高频段、高带宽的应用效率不及第三代化合物半导体的GaN器件，随着未来工作频率进一步提高，GaN器件（<50V）的优势会进一步显现。目前GaAs和GaN能够满足完整的5G实施方案所需的高频性能。根据Yole测算，整体射频用GaN器件市场空间从2017年的3.8亿美元增长到2023年的13亿美元，CAGR22.9%。其中最主要应用为电信部分，包括智能手机射频前端模组、基站等，第二大应用为军工，包括雷达、夜视仪等。
2017-2023 用于射频GaN 器件市场容量CAGR将达到22.9%
由于缺乏低成本的GaN衬底，目前主流的外延生长方式为GaN-on-SiC和GaN-on-Si。Qorvo目前的GaN器件都采用GaN-on-SiC的工艺，Qorvo认为SiC衬底外延出的GaN器件具有更高的可靠性以及更低的整体成本。
高频性能的需求促使GaN 器件在射频中渗透率增长，而对于物联网等追求低功耗、低成本的应用，则可使用CMOS工艺器件替代
2）电力电子领域是GaN另一大应用市场，高压（650V）/低压（<200V）GaN功率器件能为AC-DC、DC-DC隔离电源、负载点电源功能带来附加值，因此在数据中心、通信、交流快速充电等领域发挥越来越重要的作用。根据Yole预测，GaN功率器件市场规模将从2017年的2,300万美元扩展到2022年的4.6亿美元，其中供电电源为最大应用，2022年占比达到52.3%。
3）Sony认为，由于GaN材料能够拓展光谱至蓝绿光范围（369-525nm），因此能够进入某些新兴的应用领域并取得更好的效果。例如，在405nm波长下，GaNVCSEL能够取代GaAsVCSEL应用在2D/3D打印机中，由于蓝光的波长短于红光，因此可以实现更精细的分辨率；又例如在488nm波长下，GaNVCSEL能够使用在生物传感器中，可以扩大塑料光纤中光通信的效率，在红色和红外线中低成本的波导具有很高的光损失，但在绿色光线中不会发生。我们预计仅就智能手机用VCSEL市场规模2017年就已达到1亿美元左右，相信未来随着GaN器件的发展将有效增加VCSEL在各个应用领域的渗透率。
由于GaN 基VCSEL 能够拓展光谱至蓝绿光，因此能扩展更多应用领域
氮化镓射频器件高速成长，复合增速23%，下游市场结构整体保持稳定。研究机构YoleDevelopment数据显示，2017年氮化镓射频市场规模为3.8亿美元，将于2023年增长至13亿美元，复合增速为22.9%。下游应用结构整体保持稳定，以通讯与军工为主，二者合计占比约为80%。
GaN产业链包括上游的衬底和外延环节、中游的器件和模块制造环节以及下游的应用环节。目前IDM厂商较多，包括德国英飞凌、美国Cree、美国Avogy、美国Exagan和日本三菱电机等。随着行业的发展，GaN功率器件领域涌现了一批初创设计企业，与拥有生产线的IDM企业或代工厂合作开发GaN器件产品，如EPC、Transphorm、GaNSystem等设计公司已与OnSemi、富士通半导体、台积电、X-Fab等代工厂达成合作协议。
GaN功率器件产业链
SiC功率器件的研发始于1970年代，80年代SiC晶体质量和制造工艺获得大幅改进，随着90年代高品质6H-SiC和4H-SiC外延层生长技术的成功应用，各种SiC功率器件的研究和开发进入迅速发展时期。
在发展SiC功率半导体器件过程中，首先推出的是SiC肖特基二极管（SiCSBD），2001年Infineon公司推出300V-600V（16A）产品，接着CREE在2002年推出600V-1200V（20A）的产品，它们主要用在开关电源控制及马达控制中，随后ST、Rohm、Fairchild、TOSHIBA等厂商纷纷推出相应产品。目前SiCSBD主要有电压为600V、650V、900V、1200V、1700V和3300V等产品。
SiC在高温、高频、高压、热导率、衰减电场特性方面都表现良好，可以支持600伏以上甚至到2,000伏的电压，非常适用于宽带隙功率器件，因此可大量使用在电网、太阳能/风电逆变器、高铁等应用上。但由于成本太高以及良率问题，专业机构认为SiC大规模商用化的时间点会比GaN晚。
目前，SiC功率器件市场仍然主要受功率因素校正器（PFC）和光伏（PV）应用中使用的二极管驱动。在电源PFC电路中使用碳化硅肖特基二极管，电源效率提高显而易见，同时由于不再需要考虑软开关或无损吸收技术，缩短了电源的开发周期、减少了元件数量、简化了电路结构，更为重要的是它减小了对周围电路的电磁干扰，提高了电源的可靠性，使产品具有更高的竞争力。
未来5-10年在汽车中使用SiC功率器件将推动行业的快速发展，SiC在汽车中的应用包括主逆变器、车载充电器及DC/DC转换器等。据Yole统计，截至2018年，有超过20家汽车厂商已经准备好将在车载充电器中应用SiC肖特基二极管或者SiCMOSFET。特斯拉是第一家在其Model3中集成全SiC功率模块的车企，工程设计部门直接与意法半导体的合作，特斯拉逆变器由24个1-in-1功率模块组成，这些模块组装在针翅式散热器上。
DieSize和成本是碳化硅技术产业化的核心变量。我们比较目前市场主流1200V硅基IGBT及碳化硅基MOSFET，可以发现SiC基MOSFET产品较Si基产品能够大幅减少DieSize，且表现性能更好。但是目前最大阻碍仍在于WaferCost，根据yoledevelopment测算，单片成本SiC比Si基产品高出7-8倍。
SiC较Si基产品能够大幅减少DieSize
资料来源：yoledevelopment，国盛证券研究所
硅基IGBT与碳化硅基MOSFET wafer cost 对比
研究机构IHS预测到2025年SiC功率半导体的市场规模有望达到30亿美元。在未来的10年内，SiC器件将开始大范围地应用于工业及电动汽车领域。纵观全球SiC主要市场，电力电子占据了2016-2017年最大的市场份额。该市场增长的主要驱动因素是由于电源供应和逆变器应用越来越多地使用SiC器件。
碳化硅市场空间（百万美元）
资料来源：yoledevelopment，国盛证券研究所
SiC近期产业化进度加速，上游产业链开始扩大规模和锁定货源。根据整理CREE公告，可以发现近期碳化硅产业化进度开始加速，ST、英飞凌等中游厂商开始锁定上游晶圆货源：
类似于集成电路的制造，SiC器件的生产也已经开始出现分工，但目前仍以IDM模式为主。SiC产业链包括上游的衬底和外延环节、中游的器件和模块制造环节以及下游的应用环节。由于功率半导体的投资额较硅半导体要低，IDM厂商较多，包括德国英飞凌、美国Cree、美国通用、日本Rohm和日本三菱电机等。其中值得一提的是Cree，拥有多年碳化硅衬底生产经验，并且其旗下的Wolfdspeed是全球领先的射频与功率器件公司，拥有垂直一体化的生产能力。但由于大陆与台湾地区企业的进入，近年来专业分工
模式也在增多，代工企业包括大陆的三安集成、瑞典Ascatron、法国离子束、德国X-Fab以及台湾地区的汉磊科技等。
SiC电力电子器件产业链
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