华峰研究：第三代半导体——SiC、GaN风口已至
发布时间：2020.08.07
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1. 第三代半导体：SiC、GaN风口已至
2. GaN
2.1 GaN：性能突出光电、电力电子、射频领域应用预期高
2.2 GaN产业链：材料到器件自成体系上游把持发展方向
2.3 异质衬底及外延：各有专精，GaN on GaN为终极选择
2.4 GaN单晶制备——产业链核心：技术分流日本企业呈垄断态势
2.5 GaN应用领域及市场规模
2.5.1 射频应用：5G大风助推GaN全面入场国内厂商呈后发、追赶态势
2.5.2电子电力领域：取代Si基器件快充领域最先放量
2.6 LED领域：GaN可实现全光谱覆盖激光器领域优势突出
2.7 挑战：材料、器件、封装的失效机理与可靠性评价体系任重道远
3. SiC
3.1 SiC简介：结构繁多三种主要形态SiC各有应用
3.2 SiC产业链：国际主流为IDM厂商国内企业从上游布局切入
3.3 SiC衬底：半绝缘型衬底“精、贵、难“国内追赶空间仍大
3.4 SiC外延：Cree主导小偏角衬底将成主流
3.5 SiC器件及市场：SiC SBD、MOSFET“齐头并进”取代硅基器件
3.5.1 SiC SBD：在低于1200V以下应用场景可取代Si SBD
3.5.2 SiC MOSFET：高压应用场景取代Si MOSFET
3.6 SiC器件应用：汽车电子为最大突破口
3.7 SiC器件总市场：2020-2022年将迎飞速增长
3.8 封装：分立器件仍使用传统封装高频时代将被共包装技术取代
3.9 展望
4. 近年来第三代半导体产业政策及投资情况
4.1 政策
4.2 国内2019年以来半导体产业相关投资项目
4.3 国内20119年以来半导体产业相关并购事件
报告要点：
第三代半导体材料具有优越性能，正在电力电子、射频领域以及LED领域等对硅基材料器件形成替代；5G及贸易战、国产替代大环境助推下，第三代半导体材料的需求将大幅增加。但其技术难度高，国内现有生产厂商生产能力将难以满足。同时，由于第三代半导体材料可用于国防，属于禁运的高科技材料，无法进口。因此，第三代半导体材料将供不应求，产能扩展需求极大。
GaN材料的主要应用领域有通信射频、电力电子及LED三大场景。根据不同衬底分类，来看，GaNonSi成本低，与硅基器件制程系统协同效果最好，有望在中等功率领域率先迎来放量；GaNonSiC受益于SiC出众的导热性能，在大功率高频器件领域未来可期；GaNon蓝宝石受益于蓝宝石出色的发光性能，在LED领域已经得到广泛应用。GaN自支撑衬底目前仅在LED、激光领域有所应用，急需GaN衬底生产商在技术和生产成本方面做出重大突破，并成为GaN产业链的终极解决方案。
SiC材料的主要应用领域有电力电子和通信射频两大领域。射频段，SiC多用于GaN的衬底材料，综合材料特点，在高频高压领域发挥最大效益；SiConSiC将在电子电力，尤其是汽车电子市场迎来最快收益，其器件主要有SiCSBD和SiC MOSFET两种，对应不同的应用场景。
本文对GaN的产业链、衬底制备及应用场景和SiC的产业链、衬底制备以及应用场景做了详尽阐述，分析了行业现有问题、技术工艺特点以及国际国内发展情况。
总体来看，国内第三代半导体产业距国际主流发展进程仍有相当大的差距，解决方案不仅要从上游材料质量入手，还对相关厂商的技术储备、客户、市场信息等有相当高的要求，任重道远。
投资建议
1.产业发展风险及问题：
GaN和SiC衬底外延制作成本、工艺难度远远高于Si，整个产业链的发展目前仍依赖于上游端材料的制备，具体来看，SiC衬底6英寸产品可以成熟量产，发展进度高于GaN衬底的2英寸-4英寸水平。
虽然GaN和SiC在器件各自应用领域应用时可以大大降低系统搭建成本，提升表现性能，但由于其上游材料制作成本偏高，因此总成本目前与Si基器件存在较大差距，具体来看，SiC器件的设计封装的优化进展稍快于GaN。
驱动芯片目前多适配硅基器件，针对GaN和SiC需搭建自有生态体系。
2.产业上游厂商判断标准：
SiC、GaN衬底、外延片生产尺寸、良率、成本、量产能力，产品性能（位错率）；
SiC、GaN设备供应情况、生产技术理论制程，先进程度；
SiC、GaN生长技术是否为自主研发，专利储备，是否流片。
3.第三代半导体产业特点及关键成功因素分析：
4.国内第三代半导体产业发展方向：
第三代半导体产业为学科交叉产业，对产业的理解程度及人才培养要求十分重要。GaN和SiC产业融汇材料物理、半导体物理、通信等多个专业的知识，学科的交叉极大的提升了技术复杂度，成为国内企业乃至整个国家进入行业的天然壁垒。
需要大量实验与时间的积累，提高整个产业的成熟度。GaN及SiC产业涉及衬底材料的完整性、外延层生长及性能控制、欧姆接触质量、工艺稳定性、器件可靠性以及成本控制等，产业化难度远超想象。
需要建立完整的评估技术体系来保证整个产业的发展方向。国内第三代半导体产业亟待建立长效机制，需要研发和掌握GaN、SiC从材料衬底、外延、器件到设计封装的工艺、电路以及可靠性评估在内的完整技术体系，需要多年的持续运营打磨，才能完成各个技术板块的相互配合及高度协作。
需要依靠市场和客户，带动技术的发展。国际主流第三代半导体厂商均具有深耕多年的行业经验，国内厂商在该方面还有很大提升空间。
1、第三代半导体：SiC、GaN风口已至
第三代半导体是指化合物半导体，包括SiC(碳化硅)、GaN（氮化镓）、ZnO（氧化锌）、GaO（氧化镓）、AlN（氮化铝），以及金刚石等宽禁带半导体材料（导带与禁带间能隙差Eg>2.3eV。第三代半导体具有高击穿电场、高饱和电子速率、高热导率、高电子迁移率等优点。以SiC和GaN为代表物质制作的器件具有更大的输出功率和更好的频率特性。
资料来源：华峰资本
第二代半导体虽性能突出，但资源稀缺，价格贵，有毒性，应用存在局限性。同样具有宽禁带、低载流子密度、优光电特性、耐热、抗辐射性能好的第二代半导体受制于价格、大尺寸晶圆制备难度以及资源稀缺等，应用领域十分受限。近年来，全球贸易摩擦持续加剧，半导体作为信息产业的基石，更是成为了本次贸易战的重中之重；5G建设推进，新能源汽车上量上速，均对半导体材料提出了更高的要求，第三代半导体（宽禁带半导体）火速成为产业焦点。本文详细介绍这其中最具代表性的GaN和SiC两种材料。
2、GaN
GaN，即氮化镓，属于三五族半导体。GaN极其稳定，为高熔点材料，熔点高达1700℃。常温常压下，GaN晶体呈六方纤锌矿结构，硬度极大。GaN是直接能隙半导体，能隙宽度高达3.4eV，为宽禁带半导体。直接能隙的带隙特点使得GaN中电子跃迁不会放出大量热量，使得其具有很好的发光性能；而十分宽的带隙则使得GaN具有很高的临界及及临界击穿电压。更高的电子饱和速率则使得GaN可适应更好的工作温度，在高频领域获得应用。
资料来源：IEEE
基于以上特性，GaN在光电、电力电子以及射频领域均有广泛应用。光电领域来看，LED、激光器以及光电探测器均是GaN很具商业价值的应用场景。射频领域来看，应用场景主要有5G宏基站，毫米波小基站，军用雷达以及微信通讯领域。电力电子领域应用则主要包括智能电网、高速轨道交通、新能源汽车以及消费类电子快充等领域。
资料来源：华峰资本
2.2 GaN产业链：材料到器件自成体系 上游把持发展方向
GaN产业链自成体系，上游材料研发制造段决定整个产业的发展方向与速度，是其和Si产业链最显著的不同点。GaN产业链包括上游衬底制作厂商，外延片制备厂商，中游GaN器件设计、制造、封装厂商，以及下游应用领域企业。由于GaN的制备及所能做到晶圆片的尺寸和Si相比仍有较大差距，因此目前产业链整体发展仍由上游材料制备把握。
资料来源：华峰资本
就整个GaN产业来看，国际主流企业为IDM模式，国内企业从技术、产能、客户信任度等差距较大。GaN国际大厂包括Qorvo、住友，恩智浦、三菱等，其都为IDM模式，产能、解决方案、市场渠道以及客户信任度等都十分完善。国内IDM厂商主要有中电科13所/55所及苏州能讯、苏州能华等，但和国际主流厂商相比差距明显。
GaN行业IDM厂商有向代工业务布局的发展趋势。作为行业先驱， GaN-on-SiC MMIC 技术的领导者，Cree旗下的Wolfspeed运用世界上最大的宽禁带半导体生产线为客户提供从设计协助到制造、测试服务，缩短下游客户产品推出周期。传统硅晶圆代工厂台积电开始提供GaN代工服务，三安光电也在做GaN领域代工项目。
资料来源：华峰资本
2.3 异质衬底及外延：各有专精，GaNonGaN为终极选择
GaN外延片所使用的衬底的种类直接决定GaN外延片的质量，并对GaN器件所能达到的综合性能以及其下游应用前景有决定的影响。GaN器件根据生长衬底不同可分为多种。不同衬底材料与GaN的适配程度如下图所示。蓝宝石衬底与GaN晶格失配度较高，且电学性能很差，因此难以做电力电子、射频器件，但在LED领域受益于蓝宝石较好的光学性能而应用广泛。
资料来源：华峰资本
GaNonSi价格优势突出，基于现有Si材料成熟的制程体系，器件在中等功率器件竞争中最具优势，预计将较快放量。GaNonSi成本低、工作速度快，是中等功率、高效率电力电子器件的理想材料。在高功率领域，受制于Si较差的晶格适配度以及导热性能，器件性能难以与SiC器件和GaNonSiC器件对标。目前用于电力电子器件的GaNonSi基本实现6英寸量产及8英寸研发，预计将很快扩大市场容量。
GaNonSiC在电子电力功率器件方面功效突出，大功率领域未来可期。SiC本身导热性能最高，功率性能最好，器件散热能力最强，结合GaN自身极佳的开关特性、高频特点，有望在大功率领域获得最佳的应用场景。
GaNonGaN综合性能最为突出，但制备技术最难，成本下降前优先使用在LED、激光领域。但受益于GaN衬底材料上生长的外延片具有最低的晶格适配度，所制作的器件有望完全在射频、LED、电力电子领域替代现有的蓝宝石基GaN及Si基GaN的解决方案，并将与GaNonSiC各有所长，成为GaN产业链的终极选择。
2.4 GaN单晶制备——产业链核心：技术分流 日本企业呈垄断态势
GaN外延片性能为GaN材料发展优先。GaN器件具有优秀的性能，而衬底材料及其外延片是基础。因此，GaN器件的发展以性能优先，兼顾成本的原则应用于各领域。由于同质外延GaN-on-GaN所使用的GaN半绝缘衬底的制造难度非常高，而且世界上现有的半绝缘GaN衬底几乎都是2寸，目前主要以异质外延为主，如GaN-on-sapphire、GaN-on-Si、GaN-on-SiC等。但是异质外延技术的固有缺点，如晶格失配，热膨胀失配以及化学互溶性差等，导致外延制备出来的GaN衬底存在高位错密度，马赛克晶体结构，双轴应力和外延片的翘曲等缺陷。
异质外延技术位错密度高，制成的GaN器件功率及稳定性较难保证。异质外延技术所制作出来的GaN外延片，一方面由于位错密度高，会降低载流子迁移率、发光寿命及材料热导率，同时位错会形成非辐射复合中心及光散射中心，从而降低电子器件发光效率；另一方面由于电极金属及杂质金属元素扩散至位错中，形成的漏电流会降低器件的输出功率，严重影响器件的稳定性。
低缺陷密度、厚膜和大尺寸是衬底发展方向。目前GaN器件的发展以性能优先，兼顾成本的逻辑在推进，如5G基站PA采用的是GaN-on-SiC，而没有选择GaN-on-Si。缺陷密度是影响GaN器件性能的重要因素，因此低缺陷密度是GaN衬底材料的重要发展方向。就大尺寸来说，由于GaN衬底目前主要为2英寸，4英寸很少，6英寸基本没有，因此极大限制了GaN衬底在器件上的应用。
资料来源：华峰资本
HVPE法目前在GaN衬底市场中占据85%的市场份额。日本为HVPE法目前的最大玩家。布局企业有三菱化学、日立电缆及住友化工。其中住友化工目前可以制取少量的4英寸半绝缘型GaN衬底，但因工艺技术问题暂时无法量产。
国内来看，东莞中稼在实验室条件下可制取少量4英寸产品，而苏州纳维、上海镓特目前也只有2英寸产品。三家厂商均采用的是蓝宝石衬底，HVPE的方法生产GaN衬底，均采用剥离方法。总体上，2019年我国同质衬底已实现2-3英寸衬底小批量产业化，4英寸样品实现，综合指标已经达到国内先进水平。
HVPE（氢化物气相外延）法为目前最为广泛采用的GaN衬底生长方法，只有结合晶格失配度最低的种晶SCAM才可发挥最大功效。HVPE法设备简单，生长速率快，可进行大尺寸均匀生长。问题在于，使用异质衬底的HVPE法缺陷密度极高，十分影响器件性能，而GaN大尺寸种晶又较难制备。目前，业界先驱办法采用R 酸 （ CA ）作为种晶材料。其和GaN的晶格失配度仅为1.8%，结晶缺陷可以抑制的很低。
资料来源：华峰资本
HVPE法是产业化最佳路径，目前技术主要被日本企业垄断。氨热法和钠融法仅处于实验室阶段，工艺条件苛刻，设备要求高，且生长出来的GaN单晶尺寸较小。特别地，氨热法要想长大尺寸GaN，需要添加量更大的气体，安全性难以保障。HVPE（氢化物气相外延）技术由于生长速率高，工艺成本低、设备维护简单，已成为量产制备GaN衬底主流的技术。目前日本三菱化学虽已经在氨热法上有所布局，但其采用的是先利用氨热法生产小尺寸GaN后再利用HVPE法进一步生产。波兰著名氨热法公司Ammono受限于氨热法难以量产，目前已经濒临破产。
GaN自支撑衬底目前主流产品为2英寸，4英寸已实现商用。而GaN自支撑衬底主要生产工艺为剥离法，如果晶柱切断法获得突破，将大幅降低GaN器件的生产成本，加速GaN器件的大规模应用。
切断法是降低成本的理想工艺。拆解GaN生产成本来看，晶体生长占30%，而后道加工占比高达70%。一般GaN衬底的生产制作采用的是剥离法。剥离法是指在蓝宝石上生长GaN薄层衬底，然后再剥离开的方法，工艺较为繁琐，生产效率不高。提高生产效率的方式要从提高GaN生长能力这个根源探究。类比硅基半导体来看：硅生长较为容易，一般的单晶硅生长路径是先制得多晶硅或无定形硅，然后用直拉法或者悬浮区熔法，从熔体中长出棒状单晶硅，再通过切割的方式制出一片一片的薄晶圆。因此，若GaN衬底可以用同样的长晶柱、切割成薄片的形式制作，其生产效率可能有几个量级的提升。国内目前已有前沿企业在切断法有所布局。
2.5 GaN应用领域及市场规模
2.5.1 射频应用：5G大风助推GaN全面入场 国内厂商呈后发、追赶态势
电信行业对更高数据传输速率的需求及工业系统对更高分辨率的需求，助推了应用于这些领域电子设备工作频率的不断上升。同时，许多系统需要在较宽的频谱中工作，使得新设计通常也会有增加带宽的要求。在这样的背景下，人们倾向于使用一个涵盖所有频带的信号链。GaN的出现，革命性的席卷了整个行业。
对比不同半导体工艺技术来看，SiGe虽然只适配较低的工作电压（2V-3V），但其和硅集成电路工艺兼容性高，因而仍有其适用场景。GaAs适用于微波频率，工作电压为5V-7V，多年来一直广泛应用于功率放大器。硅基LDMOS技术工作电压达28V，但其器件功率会随带宽的增大而减小，因而难以适配于3.5GHz以上的应用场景。
资料来源:analog
资料来源:analog
LDMOS不适用于高频，GaAs需多级叠加才能提供足够功率，而GaN高温、高频、大功率特性使得其在射频组件中优势突出。目前，GaN已经成为射频功率应用中硅基LDMOS器件和GaAs在高频领域的主要对手。硅基LDMOS器件只能用于3.5GHz以下的应用，而GaAs虽然可以适用于40GHz的高频领域，但其需通过多级放大叠加才能达到功率指标，因此器件尺寸通常比较大。而GaN既能适应高频段，又可提供高功率的特性，从而能极大较少晶体管数量和器件尺寸。下图中给出了一个多级GaAs功率放大器和其等效GaN功率放大器的比较，可以看出，使用GaN相比GaAs，等效功率下芯片尺寸可有几倍的缩小。
资料来源:analog
GaN的带隙电压高于硅基LDMOS器件和GaAs，从而可以适配更高的电压。带隙电压由半导体材料自身特性决定，直接决定所制取器件可以适配的最高电压。GaN的带隙电压为3.4eV，对比Si带隙电压1.12eV和GaAs的1.42eV来看，深带隙的特性使得GaN器件具有更高的击穿电压，从而允许使用更高电轨，以满足更高的功率需求。对比来看，GaN的供电轨通常为28-50V，GaAs为5-7V。同等尺寸的器件，GaN器件具更高的功率密度。同时基于GaN很好的散热性能，其器件相比GaAs可以更好地减小功耗。
资料来源：微波杂志
提高5G系统容量及频谱利用率的关键技术是MassiveMIMO，其存在对小尺寸、高集成的功率放大器的需求。MassiveMIMO技术是指大规模天线阵列技术，其通过使用多个发射天线和多个接收天线来提高频谱的利用率，从而实现空间分集。4GLTE已经实现了通过OFDM（正交频复用，一种优秀的多载波调制技术）来解决其频率的选择性深衰落问题，但一般只支持2天线、4天线，上下行分集的最多天线数量被限制在8个或以下。而5G下MassiveMIMO技术的天线和通道数量可以达到64/128/192个。这使得5GMassiveMIMO与4GLTE相比，数字信号处理性能提升16倍。该种系统设计的挑战对小尺寸、高性能、低成本的PA提出了新的需求。此外，因为5G调制机制的复杂性增高，PA在深度回退条件（高达或超过8dB）下需要非常高效。
资料来源：天线产业联盟
GaN-on-Si使得 Sub-6GHz5G宏基站的MassiveMIMO天线阵列高度集成，同时满足高频、带宽特性。6GHz以下5G基站和网络OEM部署的PA正在从硅基LDMOS技术转换到GaN。GaN本身相比硅基LDMOS，可以在3.5GHz以上波段使用，其高击穿电压、高电流密度、低通态电阻等特性使得GaN在高频段和宽带宽条件下具备高效率，使得MassiveMIMO系统可以更加紧凑。同时，GaN在更高温度下能够可靠运行，因而可以使用尺寸更小的散热器，从而实现更紧凑的尺寸。
5G毫米波微基站的RFEE模块有更高频率，更高带宽，更高数据速率及降低系统功耗的需求。RFEE对整个射频系统的功率输出、选择性以及功耗都只至关重要。5G下，RFEE有集成、缩小尺寸、降低功耗、高输出功率、更宽的带宽、改进的线性度以及提高灵敏度等需求，此外还有与收发器、天线间的耦合需求。
GaN-on-SiC PA的引入使得5GRFEE的致密集成及功能可以实现，同时为“寸土寸金”的PCB板节省空间。其具体优势有：（1）提供更高频率和更高带宽：采用GaN-on-SiC的DohetryPA比硅基LDMOS器件具有更宽的带宽和更高的功率附加效率。（2）提供更高的速率，受益于GaN的软压缩特性和跨频段特性。（3）最大限度降低系统功耗：GaN在提供高输出功率的同时即极大地降低了系统的功耗。
资料来源：半导体行业观察
5G手机射频模块量、率齐升，高频段下GaN或将成为手机PA唯一选择。一般3G及以下手机配备1-2个PA，4G手机内PA数量平均为3-6个，5G下Massive MIMO技术应用会带来手机端天线大幅度增加，相应地，单个手机的PA数量也将迎来显著增长，预计达到16个以上。目前Sub 6GHz手机射频器件仍是GaAs的主场，但中长期发展至更高频的毫米波阶段后，GaAs由于热导率较低，散热性较差，其射频器件可承受的功率相对较低，无法应用于28GHz以上的手机PA，GaN是唯一的选择。
智能手机引入GaN功率器件需要解决系统、手机工作电压以及制造成本问题，落地时间相对不会很快。在智能手机端，GaN应用也面临着一些问题：(1)需要结合数字技术对GaN功率器件的线性度优化（2）需要提升智能手机工作电压以充分发展GaN效率带宽优势（3）成本需要进一步降低。
GaNonSiC难以在毫米波级别频段使用，GanonGaN将成为5G终极解决方案。SiC目前受益于较好的热导率，和GaN组合可以发挥一定效益。但当应用到5G频段的毫米波级别时，SiC衬底做制作的器件难以与GaN自支撑衬底制作器件对标，其输出功率和作业频率都难以达到毫米波所需标准。
国内GaN射频器件发展正赶超国际水平。2019年，大功率GaN器件工作频段已达到Ku波段，输出功率达到千瓦量级。GaN微波功率单片集成电路工作频段达W波段，输出功率突破百瓦量级；应用于5G移动通信的Sub-6GHzGaN功率器件实现600W以下系列化产品，并已推出基于0.5µm、0.35µm 线宽的可规模化量产的产品。硅基 GaN 射频器件性能位于国际前列水平，工作频率145GHz-220GHz，已经实现规模量化供货，经装机验证， 一次性装机直通率小于300ppm。
资料来源：Yole
中国厂商在GaNRF领域整体属于中下游级别，发展空间较大。在Yole制作的GaNRF器件全球厂商实力图鉴中，中电科属于国际中游位置，而新进的海威华芯、华进创威等属于行业新入厂商。整体来看，国内厂商与国际前列厂商Cree、东芝、富士等差距明显。
市场：发展前景明朗可量化
根据Yole数据，2019年全球GaN射频器件市场规模达5.37亿美元，预计2023年将达到13.24亿美元的市场规模。
资料来源：Yole
5G基站建设是GaN目前最大的市场。据Yole统计，2018年基站用GaN射频器件市场规模达1.5亿美元。5G商用宏基站将以MassiveMIMO阵列式天线为主，其通道高达64个。按一个基站有3个扇区计算，单个基站PA模块需求量高达192个。
资料来源：Yole
预计到2023年，GaN PA模块在基站的渗透率会超过85%，带动GaN PA需求量超过1.94亿只。预计到2023年，基站用GaN射频器件的市场规模将达5.21亿美元，2018-2023年CAGR达28%。按应用领域细分市场如下：
GaN的国防领域市场规模预计将从2018年的2.7亿美元增长至2024年的9.77亿美元，CAGR达23.91%。
GaN无线基础设施的市场规模将从2018年的3.04亿美元增长至2024年的7.52亿美元，CAGR达16.3%。
GaN有线宽带市场规模从 2018年的1,550万美元增长至2024年的6,500万美元，CAGR达26.99%。
GaN射频功率场规模从2018年的 200万美元增长至2024年的10,460万美元，CAGR达93.38%，具有很大的成长空间。
国内来看，2019年我国GaN微波射频市场规模约为48.56亿元，相比218年同比增长200%。预计2019年-2024年，市场有望保持42%的年增长率。
2019年GaN射频市场分类及占比资料来源：CASAresearch
2019年我国5GGaN射频应用规模达23亿元，为GaN射频市场主要驱动因素。根据中国信息通信研究院数据显示，我国2020年5G宏基站需求量将达到近50万座。
就整个产业来看，近年来我国GaN射频产业产值增长迅速，从2016年的2.785亿元增长至2019年的38亿元，四年间体量扩增接近15倍。细分来看，GaN装置领域为射频市场中占比最大的部分，2019年占比超过60%。预计未来随衬底工艺的成熟和器件综合性能的进一步提升，我国GaN射频市场将保持持续高速增长。
资料来源：CASAresearch
2.5.2 电子电力领域：取代Si基器件 快充领域最先放量
在电力电子领域，与传统的硅半导体材料相比，其可以让功率器件在更高的电压、频率和温度下运行。其优势主要体现在：
（1）GaN禁带宽度是Si的3倍，击穿电场是Si的10倍。因此，同样额定电压的GaN开关功率器件，其导通电阻比Si器件低3个数量级，因此导通损耗大大降低。
（2）由于GaN晶体管内不含体二极管，因此不存在反向恢复损耗。
（3）GaN晶体管的输入电荷非常小，不存在栅极驱动损耗。
（4）GaN器件的功率密度很大，达硅基LDMOS器件的四倍以上。
（5）GaN功率器件支持更高的开关频率(1MHz,对比Si则为<100KHz)，可大幅减小无源器件体积，使得GaN器件十分具有吸引力。
资料来源：华功半导体官网
GaN在电力电子器件的应用主要为电源设备，如电源适配器，无线充电设备等。与SiC对比来看，GaN更适合在100-600V的低中压领域应用。其原因是GaN器件多为横向结构（JEFT），难以达到SiCMOSFET（垂直结构）的高电压能力。由于结构中包含可以实现高速性能的异质结二维电子气体，因此GaN器件相比SiC器件可有更高的频率性能。又因其可承载电压低于SiC器件，因此GaN器件主要适用于高频率、小体积、有成本要求、功率要求相对较低的电源器件。
具体来看，GaN有望在汽车电子、快充等领域获得青睐。
快充：GaN快充成为行业热门 核心GaN芯片仍属国产空白
采用GaN为材料的充电器具有体积小（仅为原来1/4）、重量轻、转换效率高、发热低、安全性强的优势。根据充电器内部电路架构的不同，会使用1或2颗GaN电力电子器件，平均转换效率超过90%。Gartner数据显示，全球智能设备年均出货量超过20亿台，随GaN市场渗透率的迅速提升，快充市场有望成为GaN在电力电子领域的最大推动力。
GaN快充充电器缩小体积的核心原理在于GaN卓越的开关频率提升了高频变压器的效率，缩小体积。充电器的一个核心需求就是将我国通用的220V电压转为电子产品可承受的最大电压（例如iPhone产品一般为5V）。实现这一功能的是高频变压器，其在充电头中空间占比较大。提高变压器的开关频率可以提升单位时间内能量转换次数，从而提高转换功率。GaN功率器件相比硅基功率器件，开关速度有高达100倍以上的增长，这使得高频变压器的体积可以大幅缩小，从而大幅减小整个充电器的体积。
充电器用高频变压器 资料来源：八方资源网
2018年，世界第一家GaNIC厂商Navitas和Exagan推出了使用GaN集成解决方案的45W快速充电电源适配器。截止到2019年底，多家厂商都推出GaN快速充电器。国内厂商包括OPPO、小米。2020年华为P40发布会上，华为更是发布了65WGaN双口超级快充充电器。该产品支持Type-A和Type-C双口充电。
资料来源:公开资料整理
资料来源：紫米官网资料来源：充电头
上图给出了紫米品牌GaN65w电源适配器和苹果usb-C61w电源适配器的体积对比图。可以看出，横截面积上该款GaN快充充电器为50mmX50mm，相比苹果ipad用充电器缩小了超过45%，体积缩小近50%。
资料来源：《GaNFET的结构、驱动及应用综述》
拆解ANKER GaN充电器来看，其减小体积、增大功率密度的“芯”即为Navitas生产的NV6115和NV6117GaN芯片。这种单片GaNFast功率集成电路的额定功率为650V，可于5×6mm的QFN封装中使用，实现许多软开关拓扑应用中的高速、高频率、高效率操作。而国内目前暂无同类产品。
汽车电子：应用场景丰富
GaN在汽车电子领域拥有多样应用场景。对于汽车的新型高电压（如48V）
总线系统，GaN可提高效率、缩小尺寸并降低系统成本。同时，激光雷达使用脉冲激光快速提供车辆周围环境的高分辨率360三维图像，GaN技术可使激光信号发送速度远高于同类硅器件，使自主驾驶车辆能够看得更远、更快、更清晰。GaN工作效率高，能以低成本实现最大的无线电源系统效率。用于高强度LED前照灯时，GaN技术可提高效率，改善热管理并降低系统成本。而更高的开关频率允许在 AM 波段以上工作并降低EMI。综合来看，GaN在汽车电子方面拥有丰富的应用场景。
GaN晶体管有望成为2020年代中后期逆变器首选。2019年，多家企业的GaNHEMT产品获得半导体业内JEDEC认证，并且相继获得汽车级AEC-Q101认证，增强了使用者对GaN晶体管可靠性的信心。据HIS Markit分析，GaN晶体管可能率先突破大尺寸外延瓶颈，从而降低价格，相较SiCMOSFET，GaN晶体管可能会成为2020年代中后期逆变器的首选。
资料来源：Yole
市场：国内GaN功率器件国产化极低 发展需上游推动
综合Yole和HIS Marikt预测，2019年GaN电子电力器件市场规模约为0.76亿美元。预计到2024年，全球GaN电力电子期间市场规模有望超过6亿美元，CAGR高达41%。
资料来源：Yole
以电压大小来划分GaN市场占比，GaN最能发挥优势的电压范围在300-600V，更高电压的范围一般会采用SiC器件。目前，600/650V产品在电力电子领域对应的市场规模最大，预计会占整个GaN在电力电子市场份额的80%,而900/1200V器件和200V器件将各占10%。
目前已经商业推广的Si基GaN电子电力器件最高电压仍为650V，但室温电流已达150A，比2018年性能增强了25%。根据CASAresearch预计，未来5-10年内GaN-on-Si的电力电子器件耐压水平将有望提高至1200V。美国Transphorm的900VGaNFET器件已经开始试产。国内来看，商业化的Si基GaNHEMT工作电流达到35A，但研发进展已达到国内较先进水平。
资料来源：《2019年第三代半导体产业报告》
国内来看，综合SiC和GaN在电力电子市场的数据来看，电源领域是规模最大的市场，约为16.2亿元，占整个第三代半导体电力电子器件市场的58%。
分功率来看，低压段占GaN功率器件所有应用电压领域市场的68%，且未来预计将持续扩大。
资料来源：Yole
根据CASAresearch数据，我国功率半导体市场国产化程度很低，其中IGBT90%以上依赖进口。GaN在电力电子领域渗透率不足1%，且90%以上同样依赖于进口，主要生产商为Cree、英飞凌及Rohm。
功率半导体市场国产化程度较低问题需要从上游GaN衬底、外延厂商技术及量产能力的突破上解决。
2.6 LED领域：GaN可实现全光谱覆盖 激光器领域优势突出
LED是GaN-on-Sapphire应用最多的领域，激光器被认为是GaN自支撑衬底最先会获得应用的领域。GaN蓝光LED早在1993年就已经推出，解决了LED领域高效蓝光缺失的问题。1996年，又实现了LED的白光发射。
GaN-on-Si是MicroLED芯片的天然选择。MicroLED特指其尺寸在3-10μm的自发光LED。其现有主要潜在市场是高分辨率的家用消费电子市场。根据最终运用场景的不同，MicroLED可以直接在Si、GaN或蓝宝石及地上制作高分辨率显示屏，也可以在衬底商制作完成后通过巨量转移的方式使得芯片在更大尺寸且带有逻辑电路的基板上进行组装。
GaN与其他氮化物形成的固溶体可以覆盖从红外到紫外的光谱。可以和InN、AlN以任意比例混合形成固溶体，这些固溶体的禁带宽度可以实现0.7eV-6.2eV之间的连续变化，因此可以覆盖红外到紫外的光谱区域，且由于这几种氮化物都是直接带隙半导体，因此其在可见光和紫外光发射方受到了广泛关注。
节能环保的GaN基LED在固态照明、手机和电脑显示屏以及交通信号等方面都有广泛应用。GaN基半导体激光器可用于光存储领域，由于波长比GaAs基半导体激光器短，因此GaN基半导体激光器能有效提高存储密度和读写速度。
基于半极性GaN激光管的激光光源相比蓝光LED优势突出，已在特定照明领域实现应用。2014年，宝马推出了全球首款车用激光大灯。奥迪亦在其高端产品上推出了激光车灯产品，其激光大灯照射距离大于600米，相比LED灯照明距离超过一倍。
资料来源：BMW
我国在LED领域技术研究进展已经居世界前列水平。2019年，功率型GaN-LED光效超过2001m/W。功率型硅基LED芯片产业化光效达1701m/W，黄光LED发光效率大幅提高至27.9%，创造国际最高值。新型显示技术方面，小间距显示及MiniLED蓝绿显示芯片（50-100μm）的波长一致性、外延尺寸及良率均有较大水平提升，达到产业化要求；紫外 LED 领域，我国产业化UVA LED芯片（390nm-400nm），发光功率达到980mW -1060mW@500mA。在固化应用方面，385nm、395nm的 UVA 器件技术已经实现了在油墨固化设备中替换原有光源；在杀菌消毒领域，280nm 器件输出功率能够达到小功率消毒产品的需求。
2.7 挑战：材料、器件、封装的失效机理与可靠性评价体系任重道远
作为GaN体系最先将得到应用的GaNonSi材料，其面临的问题相对简单，但最为直接，因此我们对其应用问题做简单评析。
（1）大尺寸Si衬底上GaN材料容易龟裂，缺陷密度高，难以支撑1200V器件应用环境。
（2）制备耐高压、稳定可靠的常关型HEMT期间是国际难题。
（3）高频、高功率密度对GaN器件封装提出了极高要求。
（4）驱动、电磁兼容也需要相同的小型化程度进展。
由此看来，GaN器件所面临的问题，并不完全来源于衬底及外延片质量，而是要综合下游段发展进程考量。GaN产业生态建设及技术发展任重道远。
3、SiC
SiC是Si和C的唯一稳定化合物。SiC晶体是目前已知最硬的物质之一，其硬度在20℃时高达莫氏9.2-9.3。SiC升华温度高达2300℃。
资料来源：中国知网，知乎
目前已知的碳化硅有200余种的不同晶体结构形态，但其中只有一种同素异形体属于立方晶系，即3C-SiC，亦称β-SiC。不同晶体结构的SiC有不同领域的应用。其中α晶型4H可以用来制造大功率器件，6H晶型作为最稳定的晶型，可以制作光电器件。β-SiC晶型由于特殊的闪锌矿型结构，可以用来制造高频器件以及其他薄膜材料（如GaN）的衬底。
3.2 SiC产业链：国际主流为IDM厂商 国内企业从上游布局切入
资料来源：华峰资本
未来国内SiC厂商的发展核心要从上游SiC材料品质、尺寸入手。目前国际龙头企业发展模式多为IDM厂商形式，如Cree、东芝、住友等。而国内的IDM厂商主要有中电科、能讯半导体等。国际厂商目前生产的SiC材料从衬底、外延的尺寸、质量方面与国际先进水平仍有较大差距，直接导致SiC设计、封装厂商发展滞后。未来国内厂商势必要从源头做起，首先做大、做精SiC晶圆片，才能带活整个产业链。
3.3 SiC衬底：半绝缘型衬底“精、贵、难“ 国内追赶空间仍大
传统半导体材料如Si、Ge、GaAs、InP等，都课可采用各种熔体法生长，如常见的直拉法、液封直拉法、梯度冷凝法、布里奇曼法等，然而上述方法都不适用于SiC单晶的生长。理论计算显示，符合化学计量比的SiC只有在压力达到105atm，温度超过3200℃时才可以熔融。
SiC衬底目前最常用的制取方法为Lely改良法。其技术路线主要有三种：物理气相运输法、液相法及高温化学气相沉积法。液相法目前仅处于实验室阶段，高温化学气相沉积法成本昂贵，但可持续关注未来技术进展。
资料来源：华峰资本
物理气相运输（PVT）是目前4、6英寸SiC单晶的主流生长方法，微管密度可以控制的很低，电阻率实现可控。其利用SiC原料及籽晶间的温度梯度，使得处于高温的SiC原料升华，运输到温度较低的籽晶处结晶。由于PVT法极其复杂，因此PVT法生长出来的SiC晶体容易生长出各种缺陷，但目前各国科研人员及企业均在积极研究，使得目前单晶尺寸最大可以长到8英寸，微管密度最低可降为零，电阻率实现可控，从而可以选择生产导电型衬底及半绝缘型衬底。
就制取工艺来看，半绝缘型衬底制备工艺更难，性能更佳，价格是导电型衬底的数倍。本征SiC单晶由于禁带较宽，会呈现半绝缘特性。然而由于生长过程中引入的N、B等杂质，以及坩埚和保温材料中包含的B、Al杂质等，会使得SiC单晶的电阻率不能满足半绝缘型的需要。目前制取半绝缘型SiC的主要解决方案有两种。一种是通过严格控制SiC原料、设备及生长环境的方式直接制取高纯半绝缘型晶体，要求工艺水平极高。另一种方法是通过向SiC晶体中引入深补偿中心，将SiC晶体中非故意掺杂的N、B等浅能级本底杂质补偿掉，以使得晶体达到半绝缘水平。相比之下，导电型SiC衬底制取则相对容易。因此，两种产品的价格有比较大的差异。参考数据来看，单片6英寸n型SiC衬底价格在6000-7000元，而单片6英寸半绝缘型衬底价格甚至会超过20000元。
SiC衬底电阻率的高低和均匀性对器件性能影响甚大，高温高频、大功率射频微波器件必须使用半绝缘SiC单晶作为衬底。其主要原因为，导电型衬底制作的器件，工作时缓冲层不能被完全耗尽，从而其最大输出功率仅为半绝缘型衬底的几分之一。另外，高纯半绝缘SiC衬底的热导率在室温下高达4.9，从而使得所制作的器件具有更好的散热性能。
晶体生长后，需要使用金刚石磨料对SiC晶体进行切割、研磨及机械抛光，并利用化学机械抛光工艺进行表面处理。经过机械抛光后的SiC镜片存在一定厚度的加工损伤曾，该损伤层直接影响SiC外延层的质量，进而影响器件性能。应用于第一、第二代半导体的晶片加工工艺无法去除SiC晶片表面残留的损伤层，因此必须针对性地开发消除SiC晶片表面残留损伤层的化学机械抛光工艺。
大尺寸SiC晶片的整体变形问题需要用即开即用SiC晶片批量加工技术解决。由于SiC硬度极大，晶片加工去除速度较慢，加工时间过长会导致SiC晶片整体变形严重，翘曲度和总厚度变化偏大，在大尺寸晶片中尤为突出。目前开发的即开即用SiC晶片批量加工技术用来加工晶片表面无损伤层，晶片Warp和TTV值控制良好。
国际企业仍占据SiC衬底生产市场主要地位，6英寸材料完全商业化，8英寸材料已进入量产前制样阶段。SiC晶体生长，设备研究完善并已形成生产规模的公司主要有Cree、Ⅱ-Ⅵ、DowCorning、SiCrystal以及Rohm等。这些公司以SiC晶体制作的器件为主业，并主要是IDM型企业。截止到2019年，Cree已经全面转向6英寸SiC产品，首批8英寸SiC衬底已经制样完成，预计2022年实现量产。SiC晶体生长设备主要也被国外厂商占据。目前可以向市面提供晶体生长设备的厂商有AIXTRON、PVATepla、Linn以及美国的GTAT公司。
国内来看，山东天岳、天科合达等均已实现4英寸导电型和半绝缘衬底的产业化，但仍与国际主流企业差距明显。山东天岳目前有望量产6英寸导电型衬底，而中电科2所更是实现了6英寸半绝缘型衬底的制造，8英寸有望继续跟进。目前国内主流厂商均有能力制备低微管密度衬底，自主的6英寸N型4H-SiC 单晶衬底材料技术，微管密度降低到 0.13个/cm2，4英寸半绝缘SiC衬底批量商用，表面粗糙度0.082nm，供货过万片。外延方面，SiC 同质外延目前商业化的尺寸为 4-6 英寸，基平面位错（BPD）≤1cm-2，最大厚度可达 200μm。
根据Cree预测，2022年SiC衬底市场将由2017年的5600万美元激增至12亿美元，CAGR高达80%。
资料来源：Cree
3.4 SiC外延：Cree主导 小偏角衬底将成主流
为了制造SiC半导体器件，需要在衬底表面生长1层或者数层SiC薄膜（或GaN）薄膜。这些薄膜具有不同的n、p导电类型。目前，SiC同质外延生长的主流方法是化学气相沉积法。
碳化硅外延生长方案中，无偏角衬底可能导致生长的外延层结构不纯，极大地影响碳化硅器件的性能。早期碳化硅是在无偏角衬底上外延生长的，即从晶锭上切割下来的晶片其外延表面法线与晶轴(c轴)夹角θ=0°，如SiC晶片的Si(0001)或C(000 )面，外延表面几乎没有台阶，外延生长期望能够由理想的二维成核生长模型控制。然而实际生长发现，外延结果远未如此理想。由于碳化硅是一种多型体材料，外延层中容易产生多型体夹杂，比如4H-SiC外延层中存在3C-SiC夹杂，使外延层“不纯”，变成一种混合相结构，极大地影响碳化硅器件的性能，甚至不能用这样的外延材料制备器件。另外，这样的外延层宏观外延缺陷密度很大，不能用常规的半导体工艺制备器件，即薄膜质量难于达到晶圆级外延水平。
大偏角8°斜切衬底是解决外延问题的过渡方案之一，基平面位错BPD是衡量其质量的重要参数。8°衬底切割法是指切割晶片时使得衬底外延表面朝<1120>方向偏8°，使得外延表面形成高密度的纳米级外延台阶。结果发现，1500℃下可以制备均一相外延层，达晶圆级水平。但是此种方法会引入基平面位错BPD。BPD缺陷密度与衬底偏角呈正比，其带来的扩展Shockley位错会使得器件的性能及可靠性发生不可预测的变化。
外延生长要回归到小偏角斜切衬底方向上来，Cree目前主推4°偏角衬底。Cree在SiC衬底制备方面具有业内领先地位，它的产品是业界的风向标，代表了需求的发展方向。现在Cree主推偏角为 4°衬底，具有深刻的影响。
按照导电型/半绝缘型以及外延材料SiC/GaN的不同，SiC做衬底的外延片可分为四种。对应不同的器件种类。就SiC同质外延材料来看，目前最大、也最先会得到规模化应用的场景为汽车电子领域。
资料来源：华峰资本
3.5 SiC器件及市场：SiCSBD、MOSFET“齐头并进” 取代硅基器件
SiC材料与硅材料相比，具有以下优势：
（1） SiC的禁带宽度达Si材料的三倍，使得SiC器件的泄漏电流比硅器件少了几个数量级，因此SiC的高功率器件功率损耗较小；
（2） SiC的热导率约为Si材料的三倍，使得SiC器件更易散热，从而减少了电路系统对散热设备的依赖，降低了电路系统的体积，提高了SiC集成电路集成度；
（3） SiC的电子饱和漂移速度是Si的两倍，使得SiC高功率器件与Si器件相比具有更低的导通电阻，大大降低了功率器件的导通损耗；
（4） SiC的临界击穿电场是Si的十倍，使得SiC电力器件具有更高的耐压、耐电流，更适用于高压大功率等极端环境。
根据不同结构，SiC电力电子器件主要分为二极管（SBD）和晶体管（MOSFET）两种。
3.5.1 SiCSBD：在低于1200V以下应用场景可取代SiSBD
SiC同质外延所制作的器件能够以高频器件结构的SBD（中文名称为肖特基势垒二极管）结构得到600V以上的高耐压二极管，相比之下，主流的SiSBD产品最高耐压仅为200V。
资料来源：Rohm
SiCSBD可以广泛应用于空调、电源、光伏发电系统中的功率调节器、电动汽车的快速充电器等的功率因数校正电路（PFC电路）和整流桥电路中。如果用SiC-SBD替换现在主流产品快速PN结二极管（FRD:快速恢复二极管），能够明显减少恢复损耗。有利于电源的高效率化，并且通过高频驱动实现电感等无源器件的小型化，而且可以降噪。
资料来源:CASA research
SiC SBD的制备原理为，采用n+型4H-SiC衬底（主流产品为350μm厚），载流子浓度为5E18/cm3。然后在其上生长一层n-型导电4H-SiC外延膜，其厚度一般为6μm或12μm，载流子浓度为1015~1016/cm3。
耐压高于1000V的SiC SBD制备困难，需要转而采用MOSFET结构。若要制备单管耐压高于一万伏的SiC SBD，需要生长厚达120-200μm的外延层。目前商用碳化硅外延设备生长速率一般为每小时10μm，且不能持续生长，一般只能生长3-5小时，因此生长厚度100μm以上的材料十分困难，限制了高压应用。另外，大功率器件若仍有很厚的导电层衬底，其工作电阻将不可忽视。
目前商业化的SiCSBD最高耐压水平已达到3300V，但90%以上的产品耐压范围仍然集中在650V和1200V，工作电流集中在60A以下，而1700V和3300V产品则很少。由于商业化的SiCSBD产品目前已经覆盖了大部分的应用需求，因此2019年推出的新产品有所减少。值得一提的是，2019年推出的4款SiCSBD均符合车规级AEC-Q101标准，从而可以应用于新能源汽车、光伏等领域的电力电子器件市场。
3.5.2 SiCMOSFET：高压应用场景取代SiMOSFET
SiC MOSFET的制备与Si有所不同。Si和 4H-SiC的区别在于前者可以用体材料作为承压层来制备MOSFET，而后者不可以，需要通过CVD技术以外延镀膜的方法制备类似体材料HPSI或n（n沟 -道）或p-(p沟道)作为承压层，而且需要将所用衬底进行减薄。
资料来源：中国知网
功率MOSFET作为电压控制型单极性器件，具有输入电流小，功率增益高，开关频率高等优点，且其电流具有负的温度系数，因此易于并联运行，没有二次击穿现象，且有较宽的安全工作区，因此受到工业、商业的欢迎。
资料来源：CreeWolfspeed
MOSFET的核心性能指标包括漏-源极间最大允许电压VDS、漏极电流ID以及功耗Ptot。其中功耗是衡量器件性能最核心的指标。
MOSFET功耗来自于静态的导通损耗和动态的开关损耗。导通损耗受漏-源极间导通电阻RDS（ON）影响，封装条件相同时，VDS越高，对应的导通电阻RDS（ON）越大，导通损耗越大。开关损耗则受栅极电荷、寄生电容等参数影响，而栅极电荷Qg与导通电阻RDS（ON）成反比。
MOSFET设计升级的核心在于尽可能降低导通电阻，从而缩小尺寸降低导通损耗；同时寻求导通电阻和栅极电荷等指标的平衡。
资料来源：Rohm
SiCMOSFET相比SiMOSFET，更加耐压，导通损耗和开关损耗均更低。因 SiC击穿场强为Si的近10倍，从而使得MOS器件具有更高耐压，半导体层更薄，漂移区阻值降低至1/300，最终降低导通损耗，减少器件功耗及尺寸。1200V及以上的Si半导体器件多采用IGBT结构，但是IGBT由于拖尾电流的影响，开关频率低。
SiCMOSFET将成为未来五年推动SiC市场急剧扩张的主要推动力。2019年，商业化的SiCMOSFET最高耐受电压为1700V，工作电流在65A以下，主要有650V、900V、1200V以及1700V四个电压水平。据Yole预测，未来五年SiCMOSFET将成为市场扩展主动力。
资料来源：CASA research
1700SiC模块在性能上有望替代SiIGBT模块。在2019年，三菱新推出了最高工作电压达3300V的全SiC模块；Rohm研发了1700V/250A全SiC模块，其压力标准已经高于目前新能源汽车的需求，预计可在室外发电系统和工业高压电源中发挥作用。
目前SiC器件领域主要玩家仍为安森美、罗姆、英飞凌、意法半导体以及科锐等国际半导体巨头。根据Mouser数据，这五家合计生产的SiCSBD产品占全球市场比例将近70%。
国内来看，SiC 器件方面国内外产品涵盖的电压等级已经基本无差别。SiC SBD 覆盖了 600V-3300V的电压范围。目前泰科天润已经实现了600~1200V/1~50ASiCSBD的量产，并同时具有1700V和3300V电压等级产品。商业化的SiC SBD目前最高耐压为 6.5kV，工作电流 25A，实现批量供货；SiC MOSFET方面，推出多款应用于新能源汽车电机驱动的 1200V 大功率器件及模块产品，全 SiC 功率模块最高规格为 1200V/600A。车用 SiC 电机控制器、车用自主 1200V SiC 芯片及模块、车用高温大电流 SiC MOSFET 双面银芯片等技术取得重要突破。同时，已经开发出了60kW全SiC直流充电机，整体效率达96%，相对硅基样机提升2%；制出满足公交充电站应用的400kW全SiC直流充电机样机；实现了国产SiC充电设备的量产。
3.6 SiC器件应用：汽车电子为最大突破口
新能源汽车风声正劲，功率半导体价值凸显。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：电机驱动器、车载充电器（OBC）/非车载充电桩、 电源转换系统（车载 DC/DC）。随着新能源汽车的发展，对功率半导体器件的需求量将会日益增加。根据Infeneon统计平均一辆传统燃油车使用的半导体器件价值为 355 美元，而新能源汽车使用的半导体器件价值为 695 美元， 几乎增加了一倍， 其中功率器件增加最为显著，由 17 美元增加至 265 美元，增加了近 15 倍。
SiC MOSFET在汽车电子中的引入使得汽车电力系统的功率密度显著提高，开关损耗降低，并且改善了电动汽车OBC的热管理。
资料来源：Cree
根据Cree测算，从系统物料清单成本上比较，使用SiCMOSFET相比Si基器件可使得整车电子元件成本下降13%。
资料来源：Cree
SiC在汽车电子中的主要应用领域如上图所示。其主要应用场景有：
（1） 板外直流快速充电器
车外充电器可将传入的外部交流电（AC）转换为EV生态系统所需的直流（DC）电源模式，并将其存储在电池中。
SiC功率器件在充电桩领域应用可以提升电源系统开关频率和效率，并降低无源器件（电感、电容等）的重量和体积，提升系统效率。以电动车充电桩设施的三相电力转换系统为例，1200V的SiCMOSFET可为DC-DC转换级建构一个LLC全桥级。而Si解决方案则依赖于650V Si超接面MOSFET，通常需要两个串联的LLC全桥来支援800V的DC链路，而四组SiCMOSFET加驱动器IC即可取代八组Si超接面MOSFET加上驱动器IC。除此之外，SiCMOSFET可以使得效率大幅提升，每个导通状态下仅需打开两个切换位置（Si基则为四个），从而提高充电周期效率。
意法半导体正在开发最高40KW的充电板解决方案，充电站可以将多个电源板组装在一起，使充电桩输出功率达到200KW以上，这样车辆完全充满电只需要不到一个小时。未来若输出功率能达到350KW以上，则一辆功率为90KW的电动车充满电的时间有望缩短至几十分钟。
（2） 车载电池充电器OBC
此组件将电池子系统的直流电源转换为主驱动电机的交流电源。当车辆从电网接收外部电源时，设备的整流器电路将交流电源转换为直流电源，为蓄电池充电。该系统还通过再生制动收集车辆动量产生的动能，并将其也发送到蓄电池。
碳化硅的引入可以使得充电过程中的每个阶段执行速度都更快，同时降低能耗及热量。根据Cree计算，SiC车载充电器的能量损失和热产生量相比Si车载充电器降低了60%。
另一个例子来源于EV电池系统的OBC系统设计。EV 电池系统的 OBC 设计是另一个用例，650V SiC MOSFET 通过使设计人员能够提高效率，同时增强在不降低重量、尺寸和设计复杂性的情况下支持双向功率流的能力，从而提供竞争优势。这大大减少了OBC的大小和重量，这些 OBC 将来自电网的交流电源转换为车辆内电池的直流电源。
SiC主导的双向OBC系统可以使得电动汽车可以为其他电动汽车等交流电设备充电。与单向 OBC 在失去电荷时闲置在车辆中不同，双向 OBC 不仅从电网中拉出电荷，而且还补充电荷。这种双向性还使最终用户能够为其他交流动力设备提供能量，或向另一辆已耗尽电量的车辆提供相当于"跳跃启动"的 EV。
SiC车载充电器市场前景广阔，各大汽车厂商纷纷布局。根据Yole统计，截止2018年底，全球有超过20家汽车厂商在自家车载充电器中采用了SiC SBD或SiCMOSFET器件。其中行业先行者为比亚迪及特斯拉。吉利、大众、雷诺、尼桑等也纷纷布局。预计直到2023年，该市场将持续保持44%的增长速度。
资料来源：Yole
（1） EV动力总成/逆变器、功率控制单元
对EV动力总成来说，大功率SiCMOSFET相对Si基器件可减小漏电源，使得高电流状态下电能损耗减少。SiC MOSFET逆变器相比IGBT逆变器，其开关损耗可降低80%，且逆变器为直接集成逆变器，无需另外安装液体冷却器。同时，SiC MOSFET逆变器的热管理性能更好。根据Cree测算，SiC逆变器能够提升 5-10%的续航，节省400-800美元的电池成本（80kWh 电池、102 美元/kWh），与新增200美元的SiC器件成本抵消后，能够实现至少200美元的单车降本。Model3中每个逆变器中包含48个功率SiCMOSFET，使得Model3的车身相比ModelS减小了20%。
对功率控制单元PCU来说，SiC可以降低硅基半导体器件施加高压电和强电流时的电能损耗。将传统PCU 配备的Si 二极管置换成SiC二极管，Si IGBT 置换成 SiC MOSFET，就可以降低10%的总能量损耗，同时也可以大幅降低器件尺寸，使得车辆更为紧凑。
根据Cree预测，2022年，SiC在汽车电子中的市场将会超过24亿美元，相比2017年的700万美元市场空间有接近350倍的增长。
图：全球汽车电子行业中SiC市场 资料来源：Cree
2019年来看，国际上已有超过20家汽车厂商在车载充电机（OBC）中使用SiC器件，特斯拉Model3的逆变器即采用了意法半导体生产的全SiC功率模块。在汽车充电基础设施方面，台达联手通用等研发400kW超快速充电系统（XFC）中使用SiC功率半导体器件。电驱方面，科锐也联手采埃孚推动电驱动领域合作，推进采用SiC基逆变器的电驱动动力总成开发。
3.7 SiC器件总市场：2020-2022年将迎飞速增长
汽车逆变器的SiC解决方案将成为SiC器件市场增长的主推动力。根据Yole预测，全球SiC器件市场在2020-2022年将保持高达40%的年均复合增长率，并突破10亿美元的门槛。其中，汽车逆变器用SiC将会受益于亚洲及欧洲政府对电动汽车的优惠政策。根据ROSKILL&UBS预测，预计十年内，电动汽车的市占率将由不足2%增长至15%，这势必会扩大汽车用SiC充电设备的需求。
随着SiC的高性能无源器件、驱动器以及传感器设备和生态系统的建设和完善，SiC将对传统Si市场进行覆盖。随着传统Si基市场对SiC的开放，势必会加剧SiC产业链从衬底、外延以及下游器件的、应用端的竞争。预计2025年底会覆盖10%的Si基器件市场。更长远来看，SiC的3300V-10KV级产品有望部署在铁路牵引、风力、船舶和工业用途的MW电机驱动器、高压直流功率转换、固态断路器等应用领域。
3.8 封装：分立器件仍使用传统封装 高频时代将被共包装技术取代
SiC分立器件目前多数仍采用传统的Si基封装技术。然而，起初SiC的分立器件仍然采用的是传统的硅基封装技术，例如TO247-3L。随着650V级SiC开关器件的引入，预计将采用更多的Si封装技术，如DFN8x8、TOLL、DPAK-3L和D2PAK-3L等。
图：SiC分立器件已经广泛采用分立表面封装和全孔封装技术
资料来源：UnitedSiC
SiC全模块封装技术研发已经有相当的进展，未来可期。目前，三菱、富士等公司已经可以提供基于IPM技术的SiC模块封装技术。内置栅极驱动器的汽车电子级的IPM封装技术可以最大限度地减少高频开关损耗，尽管目前来说成本仍然较高，但其可为8-25KW的电源和车载充电器提供很好的性能。
3.9 展望
SiC全产业链正不断适配，逐步逼近SiC产业突破性发展的临界点。上游端，6英寸衬底材料成熟，厂商对SiC的材料特性以及缺陷控制都有了比较深入的理解；设计、封装来看，优秀的栅极驱动器为核心的生态系统简化了器件设计，改进的分立封装、IPM等模块化封装技术也在不断进步；整个产业来看，适配大规模应用的各项准备也在稳步推进。
全方位的进步使得SiC器件相比于Si基器件来看，在电路上有着大得多的想象空间。其中，电源供应和车载充电器领域有望成为SiC高速渗透的第一发展区。
总体来看,SiC产业的发展速度将受益于上游衬底材料技术的率先突破和器件设计和封装的优化，发展较GaN相比“快人一步”。
4、近年来第三代半导体产业政策及投资情况
以下资料来源:综合公开资料及2019年《第三代半导体产业报告》
4.1 政策
4.2 国内2019年以来半导体产业相关投资项目
4.3 国内2019年以来半导体产业相关并购事件
