持續(xù)高增長的第三代半導(dǎo)體為何如此火熱？

第三代半導(dǎo)體材料又稱寬禁帶半導(dǎo)體材料，主要包括碳化硅（SiC）和氮化鎵（GaN）等。與第一、二代半導(dǎo)體材料相比，第三代半導(dǎo)體材料擁有高禁帶寬度、高飽和電子漂移速度、高熱導(dǎo)率、導(dǎo)通阻抗小、體積小等優(yōu)勢，特別適用于5G射頻和高壓功率器件。

據(jù)集邦咨詢（TrendForce）指出，因疫情趨緩所帶動5G基站射頻前端、手機(jī)充電器及車用能源等需求逐步提升，預(yù)期2021年GaN通訊及功率器件營收分別為6.8億和6100萬美元，年增30.8%及90.6%，SiC器件功率領(lǐng)域營收可達(dá)6.8億美元，年增32%。

圖：GaN、SiC功率器件市場規(guī)模

“十四五”規(guī)劃中把第三代半導(dǎo)體確定為我國集成電路產(chǎn)業(yè)的重要發(fā)展方向。國家政策的支持下，加之行業(yè)應(yīng)用蓬勃發(fā)展，第三代半導(dǎo)體市場發(fā)展一片利好。

本路線精心挑選了11家第三代半導(dǎo)體領(lǐng)域的廠商，主要從SiC功率器件和GaN功率、射頻器件進(jìn)行介紹。

SiC功率器件

傳統(tǒng)半導(dǎo)體工藝在高電壓大電流應(yīng)用中常暴露很多缺陷，如第一代半導(dǎo)體材料硅，其硅基功率MOSFET和IGBT在電壓大于900V時，轉(zhuǎn)換效率、開關(guān)頻率和工作溫度受到限制，無法實現(xiàn)更大功率。碳化硅(SiC)材料恰恰解決了這個問題，因其禁帶寬度大、熱導(dǎo)率高、電子飽和遷移速率高和擊穿電場高等物理性能讓碳化硅器件在高溫、高壓、高頻和大功率電子器件領(lǐng)域中有著不可替代的優(yōu)勢。

圖：SiC 產(chǎn)品應(yīng)用市場預(yù)測

碳化硅材料作為第三代半導(dǎo)體材料之一，可用于制作功率器件，推動了功率半導(dǎo)體行業(yè)的迅速發(fā)展。據(jù)Yole預(yù)測，未來碳化硅器件的應(yīng)用將會更加廣泛，市場的發(fā)展也會更加迅速，主要應(yīng)用集中在5G基建、新能源汽車、充電樁、特高壓、城際高鐵交通等方面。

GaN射頻器件

與碳化硅同屬第三代寬禁帶半導(dǎo)體材料的氮化鎵，擁有與碳化硅相類似的寬禁帶性能優(yōu)勢，但在成本控制潛力上更勝一籌。相較于已經(jīng)發(fā)展十多年的碳化硅，氮化鎵功率器件無疑是后進(jìn)者。

與傳統(tǒng)Si材料相比，基于氮化鎵材料制備的功率器件具有功率密度高、能量轉(zhuǎn)換效率高等優(yōu)勢，能夠減輕電子電力元件的體積和重量，使電子系統(tǒng)更加微小、更加輕便，從而極大降低系統(tǒng)制作及生產(chǎn)成本。

同時，由于氮化鎵功率元件可以在硅基質(zhì)上成長，氮化鎵比碳化硅成本更加低廉，適用于中低壓和高頻領(lǐng)域。

圖：2019-2025年GaN RF器件市場預(yù)測

氮化鎵材料在射頻器件和電力電子器件兩個領(lǐng)域大放異彩。射頻器件產(chǎn)品包括功率放大器（PA）、低噪聲放大器（LNA）、射頻開關(guān)器、單片微波集成芯片（MMIC）等，在5G基站、衛(wèi)星、雷達(dá)和通信設(shè)備等領(lǐng)域應(yīng)用廣泛。據(jù)Yole預(yù)測，2019年到2025年GaN RF器件的應(yīng)用市場復(fù)合增長率將會達(dá)到12%。氮化鎵電力電子器件則更加適用于高頻率、小體積、低成本、功率要求低的情況，主要應(yīng)用方向集中在快充電源市場。