万字长文解读：碳化硅(SiC)与氮化镓(GaN)的兴起与未来

突破 Si 的瓶颈，SiC/GaN 具备性能上的优势。

SiC：极限功率器件的理想材料。SiC 器件相对于 Si 器件的优势主要来自三个方面：降低电能转换过程中的能量损耗、更容易实现小型化、更耐高温高压。SiC 最大的应用市场来自汽车，与传统解决方案相比，基于 SiC的解决方案使系统效率更高、重量更轻及结构更加紧凑。目前 SiC 器件在EV/HEV 上应用主要是功率控制单元（PCU）、逆变器、DC-DC 转换器、车载充电器等方面。全球 SiC 产业格局呈现美国、欧洲、日本三足鼎立态势。其中美国全球独大，占全球 SiC 产量的 70%~80%；欧洲拥有完整的SiC 衬底、外延、器件以及应用产业链；日本是设备和模块开发方面的领先者。中国企业在衬底、外延和器件方面均有所布局，但是体量均较小。

GaN：5G 应用的关键材料。相较于已经发展十多年的 SiC，GaN 功率器件是后进者，它拥有类似 SiC 性能优势的宽禁带材料，但拥有更大的成本控制潜力，在射频微波领域和电力电子领域都有广泛的应用。GaN 是射频器件的合适材料，特别是高频应用，这在 5G 时代非常重要。电力电子方面，GaN 功率器件因其高频高效率的特点而在消费电子充电器、新能源充电桩、数据中心等领域有着较大的应用潜力。目前 GaN 产业仍旧以海外企业为主，国内企业在衬底外延和设计制造领域都逐渐开始涉足，其中三安集成已经能提供成熟的 GaN RF/GaN Power 代工工艺。

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一、硅的瓶颈与宽禁带半导体的兴起

（一）Si 材料的历史与瓶颈

上世纪五十年代以来，以硅（Si）材料为代表的第一代半导体材料取代了笨重的电子管引发了集成电路（IC）为核心的微电子领域迅速发展。然而，由于硅材料的带隙较窄、电子迁移率和击穿电场较低，Si 在光电子领域和高频高功率器件方面的应用受到诸多限制，在高频下工作性能较差，不适用于高压应用场景，光学性能也得不到突破。

随着 Si 材料的瓶颈日益突出，以砷化镓（GaAs）为代表的第二代半导体材料开始崭露头角，使半导体材料的应用进入光电子领域，尤其是在红外激光器和高亮度的红光二极管等方面。第三代半导体材料的兴起，则是以氮化镓（GaN）材料 p 型掺杂的突破为起点，以高亮度蓝光发光二极管（LED）和蓝光激光器（LD）的研制成功为标志，包括 GaN、碳化硅（SiC）和氧化锌（ZnO）等宽禁带材料。

第三代半导体（本文以 SiC 和 GaN 为主）又称宽禁带半导体，禁带宽度在 2.2eV 以上，具有高击穿电场、高饱和电子速度、高热导率、高电子密度、高迁移率等特点，逐步受到重视。SiC 与 GaN 相比较，前者相对 GaN 发展更早一些，技术成熟度也更高一些；两者有一个很大的区别是热导率，这使得在高功率应用中，SiC 占据统治地位；同时由于 GaN具有更高的电子迁移率，因而能够比 SiC 或 Si 具有更高的开关速度，在高频率应用领域，GaN 具备优势。

（二）SiC/GaN：稳定爬升的光明期

虽然学术界和产业界很早认识到 SiC和GaN相对于传统 Si 材料的优点，但是由于制造设备、制造工艺与成本的劣势，多年来只是在小范围内得到应用，无法挑战 Si 基器件的统治地位，但是随着 5G、汽车等新市场出现，SiC/GaN 不可替代的优势使得相关产品的研发与应用加速；随着制备技术的进步，SiC 与 GaN 器件与模块在成本上已经可以纳入备选方案内，需求拉动叠加成本降低， SiC/GaN 的时代即将迎来。

二、SiC：极限功率器件的理想材料

（一）SiC：极限功率器件的理想的材料

SiC 是由硅和碳组成的化合物半导体材料，在热、化学、机械方面都非常稳定。C 原子和 Si 原子不同的结合方式使 SiC 拥有多种晶格结构，如4H、6H、3C 等等。4H-SiC 因为其较高的载流子迁移率，能够提供较高的电流密度，常被用来做功率器件。

SiC 从上个世纪 70 年代开始研发，2001 年 SiC SBD 商用，2010 年 SiC MOSFET 商用，SiC IGBT 还在研发当中。随着 6 英寸 SiC 单晶衬底和外延晶片的缺陷降低和质量提高，使得 SiC 器件制备能够在目前现有 6英寸Si 基功率器件生长线上进行，这将进一步降低SiC材料和器件成本，推进 SiC 器件和模块的普及。

SiC 器件相对于 Si 器件的优势主要来自三个方面：降低电能转换过程中的能量损耗、更容易实现小型化、更耐高温高压。

（二）SiC 产业链：欧美占据关键位置

SiC 生产过程分为 SiC 单晶生长、外延层生长及器件制造三大步骤，对应的是产业链衬底、外延、器件与模组三大环节。

全球 SiC 产业格局呈现美国、欧洲、日本三足鼎立态势。其中美国全球独大，全球 SiC 产量的 70%~80%来自美国公司，典型公司是 Cree、Ⅱ -Ⅵ；欧洲拥有完整的 SiC 衬底、外延、器件以及应用产业链，典型公司是英飞凌、意法半导体等；日本是设备和模块开发方面的领先者，典型公司是罗姆半导体、三菱电机、富士电机等。

国内企业在 SiC 方面也多有布局。SiC 衬底方面，天科合达、山东天岳、同光晶体等均能供应 3 英寸~6 英寸的单晶衬底。SiC 外延片方面，厦门瀚天天成与东莞天域生产 3 英寸~6 英寸 SiC 外延片。SiC 器件 IDM 方面，中电科55所是国内少数从4-6寸碳化硅外延生长、芯片设计与制造、模块封装领域实现全产业链的企业单位，其 6 英寸碳化硅中试线已投入运行，旗下的控股子公司扬州国扬电子为“宽禁带电力电子器件国家重点实验室”的重要实体单位，专业从事以碳化硅为代表的新型半导体功率模块的研制和批产，现有一条于 2017 年投产、产能 50 万只/年的模块工艺线。泰科天润已经量产 SiC SBD，产品涵盖 600V/5A～50A、 1200V/5A～50A 和 1700V/10A 系列。深圳基本半导体拥有独创的 3D SiC 技术，推出的 1200V SiC MOSFET 性能达到业界领先水平。SiC 器件 Fabless 方面，上海瞻芯电子于 2018 年 5 月成功地在一条成熟量产的 6 英寸工艺生产线上完成 SiC MOSFET 的制造流程。代工方面，三安光电旗下的三安集成于 2018 年 12 月公布商业版本的 6 英寸碳 SiC 晶圆制造流程，并将其加入到代工组合当中。根据公司新闻稿，目前三安SiC 工艺技术可以为 650V、1200V 和更高额定电压的肖特基势垒二极管（SBD）提供器件结构，公司预计在不久后会推出针对 900V、1200V和更高额定电压的 SiC MOSFETs 产品。

（三）SiC 市场：汽车是最大驱动力

SiC 器件正在广泛地被应用在电力电子领域中，典型市场包括轨交、功率因数校正电源（PFC）、风电（wind）、光伏（PV）、新能源汽车（EV/HEV）、充电桩、不间断电源（UPS）等。根据 Yole 的预测，2017~2023 年， SiC 功率器件市场将以每年 31%的复合增长率增长，2023 年将超过 15亿美元；而 SiC 行业龙头 Cree 则更为乐观，其预计短期到 2022 年， SiC 在电动车用市场空间将快速成长到 24 亿美元，是 2017 年车用 SiC整体收入（700 万美元）的 342 倍。

SiC 是制作高温、高频、大功率、高压器件的理想材料之一，技术也已经趋于成熟，令其成为实现新能源汽车最佳性能的理想选择。与传统解决方案相比，基于 SiC 的解决方案使系统效率更高、重量更轻及结构更加紧凑。目前SiC器件在 EV/HEV上应用主要是功率控制单元、逆变器、 DC-DC 转换器、车载充电器等方面。

新能源车的功率控制单元（PCU）。PCU 是汽车电驱系统的中枢神经，管理电池中的电能与电机之间的流向、传递速度。传统 PCU 使用硅基材料半导体制成，强电流与高压电穿过硅制晶体管和二极管的时的电能损耗是混合动力车最主要的电能损耗来源。而使用 SiC 则大大降低了这一过程中能量损失，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。丰田中央研发实验室（CRDL）和电装公司从 1980 年代就开始合作开发 SiC 半导体材料， 2014 年双方正式发布了基于 SiC 半导体器件的新能源汽车 PCU，是这一领域的典型代表。

车用逆变器。SiC 用在车用逆变器上，能够大幅度降低逆变器尺寸及重量，做到轻量化与节能。在相同功率等级下，全 SiC 模块的封装尺寸显著小于 Si 模块，同时也可以使开关损耗降低 75％（芯片温度为 150°C）；在相同封装下，全 SiC 模块具备更高电流输出能力，支持逆变器达到更高功率。特斯拉 Model 3 采用了意法半导体（后来增加了英飞凌）生产的SiC逆变器，是第一家在主逆变器中集成全SiC功率模块的车企。2017年 12 月 2 日，ROHM 为 VENTURI 车队在电动汽车全球顶级赛事“FIAFormula E” 锦标赛第四赛季中提供了采用全SiC 功率模块制造的逆变器，使得相对于第二赛季的逆变器尺寸下降 43%，重量轻了 6kg。

车载充电器。SiC 功率器件正在加速其在车载充电器领域的应用趋势，在今年的功率器件展 PCIM Europe 2018（2018 年 6 月 5~7 日在德国纽伦堡举行）上，多家厂商推出了面向 HEV/EV 等电动汽车充电器的 SiC功率器件产品。据 Yole 统计，截至 2018 年有超过 20 家汽车厂商在自家车载充电器中采用 SiC SBD或 SiC MOSFET 器件，且这一市场在2023 年之前保持 44%的增长。

（四）重要 SiC 企业梳理

1、Cree

Cree 旗下的 Wolfspeed 是生产 SiC 肖特基二极管、SiC MOSFET 元件以及模块，以及 GaN 器件的先驱公司，在 SiC/GaN 材料方面具有 30年经验，在 SiC 功率市场与 GaN 射频器件市场具有领导地位。

在 SiC 功率器件市场，Wolfspeed 占据市场最大的份额，是行业第一家商用 SiC MOSFET 的企业，服务上千家客户；在GaN 射频器件市场， Wolfspeed 市场份额位居第二，具备十年以上的 GaN HEMT 生产经验，出货量超过 1500 万只；在 SiC 材料市场，Wolfspeed 是第一家提供商业化 SiC 晶圆产品的企业（1991 年），且在其后的 30 年发展中引领了SiC 晶圆尺寸的由小变大（目前为 8 寸），是名副其实的市场引领者。

Wolfspeed同时提供 GaN-on-SiC 代工服务，改变了行业传统的 IDM业态。

Wolfspeed虽然目前是Cree三大部门（LED、LED照明应用、Wolfspeed）中体量最小的，但已经是公司最核心的业务部门。Wolfspeed 2018 年实现营收 3.29 亿美元，同比增长 25.47%；毛利率高达 47%。根据公开业绩说明会，Wolfspeed 的目标是在 2022 年收入番两番，达到 8.5 亿美元，届时将成为 Cree 最大的收入来源。在 Wolfspeed 看来，到 2022年只要有25%的目标市场转换为SiC和GaN，就将是20亿美元的市场，是现今市场的 8 倍，公司为极具潜力的 SiC 和 GaN 已经做好了准备。

2、英飞凌

Infineon是市场上唯一一家提供涵盖 Si、SiC 和 GaN 等材料的全系列功率产品的公司，开发的CoolSiC技术具备非常大的潜力。Infineon于1992年开始 SiC 领域研发，2001 全球首次 SiC 二极管推出商业市场，于 2006年推出全球首个采用 SiC 组件的商用电源模块，目前已经已经发展至第五代。公司近年在奥地利投入三千五百万欧元对 SiC 设备和相关工艺的研发。

2018 年 2 月 Infineon 与 Cree 宣布签订了战略性长期供货协议，负责向后者提供SiC 晶圆；11 月收购 Siltectra 获得 Cold Split 技术，相比传统研磨 90％的材料浪费，该技术将耗材成本降低 50％，并将整体切片成本降低 30％。

3、ROHM（罗姆半导体）

ROHM 是日本首家、全球第四家具备 SiC 器件量产能力的半导体厂商，其优势在于实现从衬底到模块的垂直整合。根据 Yole 的统计，Infineon和 Cree 两家公司占据了整个 SiC 市场份额 68%，其后便是 ROHM。为了把握 SiC 材料快速增长的机遇，根据公开业绩说明会，公司计划分批投入共计 600 亿日币，至 2025 年时将 SiC 的产能提升至 2017 年的 16倍。力争到 2025 年，ROHM 能在全球 SiC 市场的份额达到 30%。

ROHM 专注于汽车和工业市场。截至 2017 财年，汽车和工业的销售已经占到总销售额的 44%，根据公司业绩说明会，预计 2020 年更将达到50%，其中汽车占 35%，工业占 15%。公司预计汽车、工业方面将分别实现年均增长 11%、13%(2017 年 3 月—2021 年 3 月)。

三、GaN：5G 应用的关键材料

（一）GaN：承上启下的宽禁带半导体材料

GaN 材料与 Si/SiC 相比有独特优势。GaN 与 SiC 同属于第三代宽禁带半导体材料，相较于已经发展十多年的 SiC，GaN 功率器件是后进者，它拥有类似 SiC 性能优势的宽禁带材料，但拥有更大的成本控制潜力。与传统 Si 材料相比，基于 GaN 材料制备的功率器件拥有更高的功率密度输出，以及更高的能量转换效率，并可以使系统小型化、轻量化，有效降低电力电子装置的体积和重量，从而极大降低系统制作及生产成本。

GaN 是极稳定的化合物，又是坚硬的高熔点材料，熔点约为 1700℃， GaN 具有高的电离度，在Ⅲ—Ⅴ族化合物中是最高的（0.5 或 0.43）。在大气压力下，GaN 晶体一般是六方纤锌矿结构。

GaN 器件逐步步入成熟阶段。基于 GaN 的 LED 自上世纪 90 年代开始大放异彩，目前已是 LED 的主流，自 20 世纪初以来，GaN 功率器件已经逐步商业化。2010 年，第一个 GaN 功率器件由 IR 投入市场，2014年以后，600V GaN HEMT 已经成为 GaN 器件主流。2014 年，行业首次在 8 英寸 SiC 上生长 GaN 器件。

随着成本降低，GaN 市场空间持续放大。

GaNRF 市场即将大放异彩。根据 Yole 估计，大多数低于 6GHz 的宏网络单元实施将使用 GaN 器件，到 2023 年，GaN RF 器件市场规模达到13 亿美元。

（二）GaN 在电力电子领域与微波射频领域均有优势

GaN 在电力电子领域主要优势在于高效率、低损耗与高频率。GaN 材料的这一特性使得其在消费电子充电器、新能源充电桩、数据中心等领域具有很大的应用前景。

GaN 在微波射频领域主要优势在于高效率、大带宽与高功率。为射频元件材料，GaN 在电信基础设施和国防军工方面应用已经逐步铺展开来。

（三）GaN 产业链：海外企业为主，国内企业逐步涉足

GaN 与 SiC 产业链类似，GaN 器件产业链各环节依次为：GaN 单晶衬底（或 SiC、蓝宝石、Si）→GaN 材料外延→器件设计→器件制造。目前产业以 IDM 企业为主，但是设计与制造环节已经开始出现分工，如传统硅晶圆代工厂台积电开始提供 GaN 制程代工服务，国内的三安集成也有成熟的 GaN 制程代工服务。各环节相关企业来看，基本以欧美企业为主，中国企业已经有所涉足。

GaN 衬底：主流产品以 2~3 英寸为主，4 英寸也已经实现商用。GaN衬底主要由日本公司主导，日本住友电工的市场份额达到 90%以上。我国目前已实现产业化的企业包括苏州纳米所的苏州纳维科技公司和北京大学的东莞市中镓半导体科技公司。

GaN 外延片：根据衬底的不同主要分为 GaN-on-Si、GaN-on-SiC、 GaN-on-sapphire、GaN-on-GaN 四种。GaN-on-Si：目前行业生产良率较低，但是在降低成本方面有着可观的潜力：因为 Si 是最成熟、无缺陷、成本最低的衬底材料；同时 Si可以扩展到 8 寸晶圆厂，降低单位生产成本，使其晶圆成本与 SiC 基相比只有其百分之一；Si 的生长速度是 SiC 晶体材料的 200 至 300 倍，还有相应的晶圆厂设备折旧以及能耗成本上的差别等。GaN-on-Si 外延片主要用于制造电力电子器件，其技术趋势是优化大尺寸外延技术。GaN-on-SiC：结合了 SiC 优异的导热性和的 GaN 高功率密度和低损耗的能力，是 RF 的合适材料。受限于SiC 的衬底，目前尺寸仍然限制在 4 寸与 6 寸，8 寸还没有推广。GaN-on-SiC外延片主要用于制造微波射频器件。GaN-on- sapphire：

GaN 器件设计与制造：GaN 器件分为射频器件和电力电子器件，射频器件产品包括 PA、LNA、开关器、MMIC 等，面向基站卫星、雷达等市场；电力电子器件产品包括 SBD、常关型 FET、常开型 FET、级联（Cascode）FET 等产品，面向无线充电、电源开关、包络跟踪、逆变器、变流器等市场。按工艺分，则分为 HEMT、HBT 射频工艺和 SBD、 Power FET 电力电子器件工艺两大类。

（四）GaN 市场：射频是主战场，5G 是重要机遇

GaN 是射频器件的合适材料。目前射频市场主要有三种工艺：GaAs 工艺，基于 Si 的 LDMOS（横向扩散金属氧化物半导体）工艺，以及 GaN工艺。GaAs 器件的缺点是器件功率较低，低于 50W。LDMOS 器件的缺点是工作频率存在极限，最高有效频率在3GHz 以下。GaN 弥补了GaAs 和 Si 基 LDMOS 两种老式技术之间的缺陷，在体现GaAs 高频性能的同时，结合了 Si 基 LDMOS 的功率处理能力。

在射频 PA 市场， LDMOS PA 带宽会随着频率的增加而大幅减少，仅在不超过约 3.5GHz 的频率范围内有效，采用 0.25微米工艺的 GaN 器件频率可以高达其 4 倍，带宽可增加 20%，功率密度可达 6~8 W/mm （LDMOS 为 1~2W/mm），且无故障工作时间可达 100万小时，更耐用，综合性能优势明显。

在更高的频段（以及低功率范围），GaAs PA 是目前市场主流，出货占比占 9 成以上。GaAs RF 器件相比，GaN 优势主要在于带隙宽度与热导率。带隙宽度方面，GaN 的带隙电压高于 GaAs（3.4 eV VS1.42 eV），GaN 器件具有更高的击穿电压，能满足更高的功率需求。热导率方面， GaN-on-SiC 的热导率远高于 GaAs，这意味着器件中的功耗可以更容易地转移到周围环境中，散热性更好。

GaN 是 5G 应用的关键技术。5G 将带来半导体材料革命性的变化，随着通讯频段向高频迁移，基站和通信设备需要支持高频性能的射频器件， GaN 的优势将逐步凸显，这正是前一节讨论的地方。正是这一优势，使得 GaN 成为 5G 的关键技术。

在 Massive MIMO 应用中，基站收发信机上使用大数量（如 32/64 等）的阵列天线来实现了更大的无线数据流量和连接可靠性，这种架构需要相应的射频收发单元阵列配套，因此射频器件的数量将大为增加，使得器件的尺寸大小很关键，利用 GaN 的尺寸小、效率高和功率密度大的特点可实现高集化的解决方案，如模块化射频前端器件。除了基站射频收发单元陈列中所需的射频器件数量大为增加，基站密度和基站数量也会大为增加，因此相比 3G、4G 时代，5G 时代的射频器件将会以几十倍、甚至上百倍的数量增加。在

GaN 在电力电子器件领域多用于电源设备。由于结构中包含可以实现高速性能的异质结二维电子气，GaN 器件相比于 SiC 器件拥有更高的工作频率，加之可承受电压要低于 SiC 器件，所以 GaN 电力电子器件更适合高频率、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 电力电子器件增速最快的是快充市场。2018 年，世界第一家 GaN IC 厂商 Navitas 和 Exagan 推出了带有集成GaN 解决方案（GaNFast™）的 45W 快速充电电源适配器，此 45W 充电器与 Apple USB-C 充电器相比，两者功率相差不大，但是体积上完全是不同的级别，内置 GaN 充电器比苹果充电器体积减少 40%。目前来看，采用 GaN 材料的快速充电器已成星火燎原之势，有望成为行业主流。

（五）重要 GaN 企业梳理

1、Macom

Macom 是硅基 GaN 的引领者，公司在北美、欧洲和亚洲拥有多个研发中心，具备超过 65 年的射频微波器件生产历史。公司产品线广泛，从射频到光器件都有所涉及，下游客户主要包括数据中心，电信以及工业和国防等。Macom 的硅基 GaN 器件主要用于基站，目标是替代 LDMOS以及 SiC 基 GaN。

2、Transphorm

Transphorm创立于 2007 年，覆盖 GaN 完整产业链，从 EPI 到设计、制造，是业内领先的 GaN 器件供应商。公司能生产业内唯一符合 JEDEC认证、AEC-Q101 认证的 GaN 产品，能够满足汽车行业的高标准要求。从 2014 年发布第一代产品开始，至今已经到第三代，产品线逐步完善。公司于 2015 年获得 KKR 7000 万美元投资，于 2017 年获得 1500 万美元投资。

3、苏州能讯

苏州能讯创立于 2007 年，是国内一家 GaN 电子器件生产企业，主要聚焦于 GaN 在微波射频与电力电子领域。公司采用 IDM 模式，自主开发了氮化镓材料生长、芯片设计、晶圆工艺、封装测试、可靠性与应用电路技术。2009 年公司生产出第一个 2000V 高压开关功率器件产品，并在 2010 年完成了中国第一个通讯基站用 120W 氮化镓功放芯片的开发， 2014 年全球发布业界领先的量产氮化镓射频微波器件。

苏州能讯在江苏昆山国家高新区建成了中国第一家氮化镓（GaN）电子器件工厂，厂区占地 55 亩，累计投资 10 亿元。首期产能为 3 寸 GaN晶圆 6000 片，2018 年生产线通过升级改造达到年处理 4 寸氮化镓 5 万片的能力。

4、三安集成

三安光电是 LED 芯片龙头，在 2014 年进入三五族化合物半导体领域，目前已经搭建成涵盖微波射频、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。在微波射频领域，当前已推出具有国际竞争力的 GaAs HBT、pHEMT 以及GaN、SiC 等面向射频应用的先进制程工艺，已建成专业化、规模化的4 寸、6 寸化合物晶圆制造产线，来满足射频无线通信及毫米波客户的代工需求，是国内稀缺的 5G 射频器件代工商。

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