雖然目前主流第二代半導體材料GaAs占據了化合物半導體市場上79%的份額，但得益於頻率、亮度、耗電量以及高頻噪聲等方面的優勢，各大廠商都認為第三代化合物半導體（GaN以及SiC）在應用端將有更優異的表現。未來，當射頻市場向高頻率演進，同時電源市場向高電壓高功率挺進，GaN以及SiC在這兩大市場上將成為主流解決方案材料。

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化合物半導體應用和材料之間的關係

第三代半導體在諸多性能上都具有優勢

未來，對應頻率以及電壓不同的要求，將會出現三種主流器件：1）對應高頻率的RFGaN（<50V），2）對應高功率的GaNHEMT（從低壓的<200V到高壓的650V），3）對應超高功率的SiCMOSFET（從600V到2,000V以上均可支持）。三種器件對比，RFGaN和GaNHEMT的大規模商用化時間點會早於SiCMOSFET。

未來對應不同要求，GaN以及SiC材料將會出現三種主流器件

第三代化合物半導體在國防軍工、信息安全、能源安全方面意義重大，美國、歐洲等國家和地區相繼發布政府或軍隊層面技術和產業扶持計劃。

全球推動第三代半導體功率器件產業和技術發展的國家計劃

我國也相繼發布國家計劃，高度重視和推動產業發展。

中國第三代半導體功率器件發展目標

由於第三代半導體具有廣闊的市場前景，國際巨頭紛紛加大力度布局。一方面，通過企業併購獲取新技術；另一方面加大研發和投資建設生產線，擴充新產能。

2014年-2017年第三代半導體行業重要併購事件

目前第三代半導體功率器件發展方向主要有SiC和GaN兩大方向，SiC擁有更高的熱導率和更成熟的技術，而GaN高電子遷移率和飽和電子速率、成本更低的優點，兩者的不同優勢決定了應用範圍上的差異，GaN的市場應用偏向高頻小電力領域，集中在600V以下；而SiC適用於1200V以上的高溫大電力領域。

SiC和GaN的應用領域不同

GaN在微波、電力電子以及光電領域的應用

目前氮化鎵器件有三分之二應用于軍工電子，如軍事通訊、電子干擾、雷達等領域；在民用領域，氮化鎵主要被應用於通訊基站、功率器件等領域。氮化鎵基站PA的功放效率較其他材料更高，因而能節省大量電能，且其可以幾乎覆蓋無線通訊的所有頻段，功率密度大，能夠減少基站體積和質量。

GaN器件的主要競爭對手是Si器件和SiC器件。GaN器件相對Si器件有明顯的性能優勢，而GaN可以用廉價易得的Si做襯底，使得GaN器件相比於SiC器件具有更顯著的成本優勢。GaN功率器件的定位為高頻率、小體積、成本敏感、功率要求低的電源領域，如輕量化的消費電子電源適配器、無人機用超輕電源、無線充電設備等。

GaN器件與Si器件競爭劣勢在於價格較貴，很多廠商已經開始開發GaN集成系統使得在系統層面具有成本競爭力（耗盡型和增強型器件均可以做集成化），在另一個層面，系統級封裝（SiP）也將降低模組的成本。

1）WaveTek認為，對於5G解決方案，需要功率放大器兼具高線性度和高效率的特性。由於傳統的LDMOS器件在高頻段、高帶寬的應用效率不及第三代化合物半導體的GaN器件，隨著未來工作頻率進一步提高，GaN器件（<50V）的優勢會進一步顯現。目前GaAs和GaN能夠滿足完整的5G實施方案所需的高頻性能。根據Yole測算，整體射頻用GaN器件市場空間從2017年的3.8億美元增長到2023年的13億美元，CAGR22.9%。其中最主要應用為電信部分，包括智慧型手機射頻前端模組、基站等，第二大應用為軍工，包括雷達、夜視儀等。

2017-2023 用於射頻GaN 器件市場容量CAGR將達到22.9%

由於缺乏低成本的GaN襯底，目前主流的外延生長方式為GaN-on-SiC和GaN-on-Si。Qorvo目前的GaN器件都採用GaN-on-SiC的工藝，Qorvo認為SiC襯底外延出的GaN器件具有更高的可靠性以及更低的整體成本。

高頻性能的需求促使GaN 器件在射頻中滲透率增長，而對於物聯網等追求低功耗、低成本的應用，則可使用CMOS工藝器件替代

2）電力電子領域是GaN另一大應用市場，高壓（650V）/低壓（<200V）GaN功率器件能為AC-DC、DC-DC隔離電源、負載點電源功能帶來附加值，因此在數據中心、通信、交流快速充電等領域發揮越來越重要的作用。根據Yole預測，GaN功率器件市場規模將從2017年的2,300萬美元擴展到2022年的4.6億美元，其中供電電源為最大應用，2022年占比達到52.3%。

3）Sony認為，由於GaN材料能夠拓展光譜至藍綠光範圍（369-525nm），因此能夠進入某些新興的應用領域並取得更好的效果。例如，在405nm波長下，GaNVCSEL能夠取代GaAsVCSEL應用在2D/3D印表機中，由於藍光的波長短於紅光，因此可以實現更精細的解析度；又例如在488nm波長下，GaNVCSEL能夠使用在生物傳感器中，可以擴大塑料光纖中光通信的效率，在紅色和紅外線中低成本的波導具有很高的光損失，但在綠色光線中不會發生。我們預計僅就智慧型手機用VCSEL市場規模2017年就已達到1億美元左右，相信未來隨著GaN器件的發展將有效增加VCSEL在各個應用領域的滲透率。

由於GaN 基VCSEL 能夠拓展光譜至藍綠光，因此能擴展更多應用領域

氮化鎵射頻器件高速成長，復合增速23%，下游市場結構整體保持穩定。研究機構YoleDevelopment數據顯示，2017年氮化鎵射頻市場規模為3.8億美元，將於2023年增長至13億美元，復合增速為22.9%。下游應用結構整體保持穩定，以通訊與軍工為主，二者合計占比約為80%。

GaN產業鏈包括上游的襯底和外延環節、中游的器件和模塊製造環節以及下游的應用環節。目前IDM廠商較多，包括德國英飛凌、美國Cree、美國Avogy、美國Exagan和日本三菱電機等。隨著行業的發展，GaN功率器件領域湧現了一批初創設計企業，與擁有生產線的IDM企業或代工廠合作開發GaN器件產品，如EPC、Transphorm、GaNSystem等設計公司已與OnSemi、富士通半導體、台積電、X-Fab等代工廠達成合作協議。

GaN功率器件產業鏈

SiC：功率器件核心材料，新能源汽車驅動成長

SiC功率器件的研發始於1970年代，80年代SiC晶體質量和製造工藝獲得大幅改進，隨著90年代高品質6H-SiC和4H-SiC外延層生長技術的成功應用，各種SiC功率器件的研究和開發進入迅速發展時期。

在發展SiC功率半導體器件過程中，首先推出的是SiC肖特基二極體（SiCSBD），2001年Infineon公司推出300V-600V（16A）產品，接著CREE在2002年推出600V-1200V（20A）的產品，它們主要用在開關電源控制及馬達控制中，隨後ST、Rohm、Fairchild、TOSHIBA等廠商紛紛推出相應產品。目前SiCSBD主要有電壓為600V、650V、900V、1200V、1700V和3300V等產品。

SiC在高溫、高頻、高壓、熱導率、衰減電場特性方面都表現良好，可以支持600伏以上甚至到2,000伏的電壓，非常適用於寬頻隙功率器件，因此可大量使用在電網、太陽能/風電逆變器、高鐵等應用上。但由於成本太高以及良率問題，專業機構認為SiC大規模商用化的時間點會比GaN晚。

目前，SiC功率器件市場仍然主要受功率因素校正器（PFC）和光伏（PV）應用中使用的二極體驅動。在電源PFC電路中使用碳化矽肖特基二極體，電源效率提高顯而易見，同時由於不再需要考慮軟開關或無損吸收技術，縮短了電源的開發周期、減少了元件數量、簡化了電路結構，更為重要的是它減小了對周圍電路的電磁干擾，提高了電源的可靠性，使產品具有更高的競爭力。

未來5-10年在汽車中使用SiC功率器件將推動行業的快速發展，SiC在汽車中的應用包括主逆變器、車載充電器及DC/DC轉換器等。據Yole統計，截至2018年，有超過20家汽車廠商已經準備好將在車載充電器中應用SiC肖特基二極體或者SiCMOSFET。特斯拉是第一家在其Model3中集成全SiC功率模塊的車企，工程設計部門直接與意法半導體的合作，特斯拉逆變器由24個1-in-1功率模塊組成，這些模塊組裝在針翅式散熱器上。

DieSize和成本是碳化矽技術產業化的核心變量。我們比較目前市場主流1200V矽基IGBT及碳化矽基MOSFET，可以發現SiC基MOSFET產品較Si基產品能夠大幅減少DieSize，且表現性能更好。但是目前最大阻礙仍在於WaferCost，根據yoledevelopment測算，單片成本SiC比Si基產品高出7-8倍。

SiC較Si基產品能夠大幅減少DieSize

資料來源：yoledevelopment，國盛證券研究所

矽基IGBT與碳化矽基MOSFET wafer cost 對比

研究機構IHS預測到2025年SiC功率半導體的市場規模有望達到30億美元。在未來的10年內，SiC器件將開始大範圍地應用於工業及電動汽車領域。縱觀全球SiC主要市場，電力電子占據了2016-2017年最大的市場份額。該市場增長的主要驅動因素是由於電源供應和逆變器應用越來越多地使用SiC器件。

碳化矽市場空間（百萬美元）

資料來源：yoledevelopment，國盛證券研究所

SiC近期產業化進度加速，上游產業鏈開始擴大規模和鎖定貨源。根據整理CREE公告，可以發現近期碳化矽產業化進度開始加速，ST、英飛凌等中游廠商開始鎖定上游晶圓貨源：

• 2019年1月公告：CREE與ST簽署一項為期多年的2.5億美元規模的生產供應協議，Wolfspeed將會向ST供應150㎜SiC晶圓。
• 2018年10月公告：CREE宣布了一項價值8,500萬美元的長期協議，將為一家未公布名稱的「領先電力設備公司」生產和供應SiC晶圓。
• 2018年2月公告：Cree與英飛凌簽訂了1億美元的長期供應協議，為其光伏逆變器、機器人、充電基礎設施、工業電源、牽引和變速驅動器等產品提供SiC晶圓。

類似於集成電路的製造，SiC器件的生產也已經開始出現分工，但目前仍以IDM模式為主。SiC產業鏈包括上游的襯底和外延環節、中游的器件和模塊製造環節以及下游的應用環節。由於功率半導體的投資額較矽半導體要低，IDM廠商較多，包括德國英飛凌、美國Cree、美國通用、日本Rohm和日本三菱電機等。其中值得一提的是Cree，擁有多年碳化矽襯底生產經驗，並且其旗下的Wolfdspeed是全球領先的射頻與功率器件公司，擁有垂直一體化的生產能力。但由於大陸與台灣地區企業的進入，近年來專業分工

模式也在增多，代工企業包括大陸的三安集成、瑞典Ascatron、法國離子束、德國X-Fab以及台灣地區的漢磊科技等。

SiC電力電子器件產業鏈

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