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本期「C位观察」由CMC资本投资副总裁徐舵执笔，给大家带来半导体材料领域的专题研究上篇：三代半导体——能源升级市场机遇驱动下中国产业的突围与赶超。
徐舵 Elaine Xu
CMC资本 投资副总裁
专注投资领域：通信芯片、模拟芯片、功率器件、半导体材料、工业物联网
长文预警：本文约3800字，
预计阅读时长：10分钟
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序
半导体材料按被研究和规模化应用的时间先后顺序通常分为四代。
第一代：20 世纪 40 年代，硅（Si）、锗（Ge）开始应用，硅的自然储量大、制备工艺简单，是当前产量最大、应用最广的半导体材料，但在高频高功率器件和光电子器件应用上存在较大瓶颈；
第二代：20 世纪 60 年代，砷化镓（GaAs）、磷化铟（InP）被用以制作高速高频、大功率以及发光电子器件，能够应用于卫星通信、移动通信、光通信、GPS 导航等。由于材料资源稀缺、价格昂贵、有毒性、污染环境，使得第二代半导体材料的应用具有一定的局限性；
第三代：20 世纪 80 年代，碳化硅（SiC）、氮化镓（GaN）等为代表的宽禁带（＞2.3eV）半导体迅速发展，具有击穿电场高、热导率高、电子饱和速率高、抗辐射能力强等优势，满足高电压、高频率场景，应用于高电压功率器件、5G射频器件等领域；
第四代：2012年，日本国立信通院首次研发出基于氧化镓的MESFET及SBD，产业正在迅速发展。
图：半导体材料演进及特性
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如何看待GaN、SiC、Ga2O3？
目前现状：GaN可以用于射频器件（SiC半绝缘型衬底生长出的外延）和功率器件，而SiC和Ga2O3主要用于功率器件。从目前的应用情况来看，SiC具有更高的热导率，因此在高压（尤其>1,200V）、高功率应用中占统治地位；GaN具有更高的电子迁移率，因此在高频应用中占有优势。目前≥1,200V的超高压场景下主要应用SiC，≤650V中高压主要应用GaN，650-1200V之间领域两种材料各有所长。目前两者的实际应用重叠度并不高，不过伴随着器件设计结构和材料生产成本的突破，未来两者在部分领域（如车载OBC）会有一定程度的重叠。
GaN：
优点：高迁移率，导通损耗低，器件效率更高（开关速度快、频率高，关断损耗近乎为零）；禁带宽度更宽，更稳定、耐高温高压，器件可靠性好；饱和漂移速度更高，器件工作频率范围更大，由于高频特性，相同功率下，器件所需电感电容少，尺寸更小
弊端：虽然从衡量功率器件性能指标Galiga优值的角度而言，GaN优于SiC，GaN材料理论耐压是SiC的3倍以上，但由于没有同质衬底，制造工艺、器件结构决定了GaN器件最高耐压低于SiC器件。外延层制造工艺不成熟、耗尽层尺寸小、没有反向恢复，导致目前GaN在高压大功率场景下应用较少，低压高频应用场景较多。热导率低，大功率高损耗场合下GaN器件产热很高却很难散热。目前市场应用中，主流设计水平可以达到耐压650V，有少量公司可以达到900V、1,200V甚至更高
SiC：
优点：理想的大功率器件材料，功率密度高，耐压、耐大电流；不仅可以令功率器件体积更小，且可以令与功率器件配套的无源器件和散热器更小；系统能效高；材料硬度强，耐宇宙射线
弊端：传统PVT法或籽晶升华法，晶棒生长慢、晶棒短、质量差，需要大量加工，成本高、产量低、耗时长；材料脆硬度高，加工损耗大
应用：晶体管是天然的E型MOSFET，其高压、高电流的能力使它们很适合用于汽车电源电路、电网、高铁、光伏逆变等场景
Ga2O3：
优点：从衡量功率器件性能指标Galiga优值的角度而言，是SiC的十倍；禁带宽度也远超于SiC与GaN；不同于SiC，加工成本非常低；熔体法长速高；可以复用GaN产线
弊端：导模法下耗材铱价格高；电子迁移率低，无法用于射频器件；P型掺杂难度高；热导率低
应用：目前全球范围内，产业链处于初期发展阶段，美、日、欧对此高度重视，安川电机、罗姆、丰田等产业巨头纷纷布局该领域。据报道，2023年Flosfia将量产10万颗器件用于丰田的新能源车。2022年8月，美国实施对华的Ga2O3禁运
图：三代半导体材料在不同功率、电压场景下的应用分布
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驱动三代半导体的行业应用是什么？
功率：目前影响三代半导体器件全面替代硅基器件最主要因素在于价格和器件的稳定性（Tesla 2022年4月召回12.8万辆Model 3）。
汽车是导电型碳化硅功率器件最大的终端应用市场。根据YOLE的数据，2021年全球导电型碳化硅功率器件市场规模为10.90亿美元，其中应用于汽车市场的导电型SiC功率器件占比约为63%，其次分别是能源、工业等领域。据Wolfspeed，将纯电动汽车逆变器中功率组件改成SiC时，可显著降低电力电子系统的体积、重量和成本，提升车辆5%-10%的续航。据英飞凌，SiC器件整体损耗相比Si基器件降低80%以上，导通及开关损耗减小，有助于增加电动车续航里程。伴随着新能源车系统电压平台的提升，SiC器件的优势也愈发明显。
在光伏发电应用中，基于硅基器件的传统逆变器成本约占系统10%左右，却是系统能量损耗的主要来源之一。而使用SiC材料，可将转换效率可从96%提升至99%以上、能量损耗降低50%以上，设备循环寿命提升50倍。根据CASA预测，在2025年，SiC功率器件占比将达到50%，相比2020年增长40%，并将持续扩大占比。而如英飞凌等系统厂商的设计方案也将逐步由IGBT + SiC Diode进化为SiC MOSFET + SiC Diode。
图：SiC在新能源车的应用
射频：随着通讯频段向高频迁移，GaN射频器件相比LDMOS和GaAs优势逐渐凸显，兼具GaAs高频性能和LDMOS的功率处理能力。在尺寸受限的高频领域，GaN-on-SiC未来会成为主流方案，预计GaN在未来射频市场渗透率将逐步提升至50%。未来有明确增长的领域包括手机射频器件、雷达。同时，欧洲航天局与空客、UMS和OMMIC的项目为GaN在太空应用增加了可能性。目前通信中主流GaAs不仅庞大，而且输出功率降低，凭借8倍的原始功率密度和70%效率提升，GaN取代GaAs有助于实现卫星通讯器件小型化、轻量化，从而提升卫星性能。Norsat、Qorvo、Wolfspeed等产业方也在努力将GaN更多应用于卫星。Wolfspeed的HEMT和MMIC采用支持微信通讯的高效高增益GaN-on-SiC元器件，为卫星通信提供多运营商直播的全视频带宽提供支持。目前移动卫星通信已经部署在固定卫星通讯系统中，由于严格认证周期，GaN在移动卫星系统中渗透率仍有效，但从长远来看，移动卫星通信可能是GaN射频解决方案的下一个市场驱动力。
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有哪些值得关注的领域？
GaN：核心器件设计端的突破，实现器件耐压、体积、系统成本、开关频率上的突破（例如水平结构转为垂直结构）；GaN外延片制备方式的突破，从而实现器件成本或性能的突破（例如自支撑GaN等）。国内有部分创业公司尝试从器件设计角度的突破，但器件的稳定性还需要等待市场的验证；也有少量公司在主攻GaN外延片的制备方法，并初步有特定应用领域的产业化突破。我们目前在紧密关注上述领域的创新。
总体而言，GaN未来飞速增长的领域主要在于功率器件端。根据Yole的数据，2020-2026年GaN射频器件的CAGR为18%，而2021-2027年GaN功率器件器件的CAGR则约为59%。
图：2021-2027GaN射频器件市场规模及CAGR
SiC：SiC市场目前处于供不应求的状态（假定2023年全球新能源车产量1,131量，新能源车SiC模块渗透率为20%，单车0.25片6寸导电型衬底，仅就新能源车领域，需要的6寸衬底片达到57万片，超过目前全球市场实际符合良品率的产量）。而导致这种供不应求状态的原因，在于SiC衬底的综合良率低、气相法生长速度慢，从而导致了产量低、价格高。解决上述痛点的机遇在于实现原材料、长晶工艺（例如外延扩径法、熔体法等）、加工工艺的创新。长晶角度，目前熔体法依然停留实验室层面；长晶和加工工艺国内有部分公司学习和追赶Wolfspeed的技术路线；材料端也有公司试图突破传统的高温合成法，而改用气相沉积的路线。SiC未来的市场将会面临高速增长，一方面来自GaN射频器件的SiC半绝缘型衬底的需求；另一方面来自SiC功率器件增长对SiC衬底和外延的需求。我们目前在紧密关注上述领域的创新。
图：2021-2027SiC功率器件市场规模及CAGR
三代半导体行业经历了30年的发展，已经初步打通了下游标志性场景的验证、产业链的基本完整，对节能减排、产业转型升级也发挥了重要作用。诚然，国外主流大厂在尺寸、良率、产能、器件设计整体上仍领先于中国本土衬底企业。但伴随着下游核心应用产业在国内的爆发和供应链安全考虑（半绝缘型SiC衬底、自支撑GaN禁运），三代半导体在国内具备的全产业链基础和政府的政策资金支持，有望成为半导体行业中中国实现弯道超车的领域。
