前言

第三代半导体材料具有优越的性能和能带结构，广泛应用于射频器件、光电器件、功率器件等制造，并逐步渗透到5G通讯、PD快充、新能源汽车等新兴领域，成为半导体产业的重要发展方向。但不可否认的是，GaN、SiC材料的技术难点仍然存在，国产替代程度不高，成本仍然较高，困扰着我国第三代半导体产业的进程。作为提高产品效率和功率密度的关键材料，第三代半导体材料GaN、SiC的发展现状备受关注。

GaN和SiC材料的技术难点及特点

目前，第三代半导体材料GaN、SiC等已得到市场认可和高度关注。在功率半导体领域，业内人士认为，除了LED发光、射频外，第三代半导体材料SiC的技术难点主要在于衬底缺陷的控制。目前缺陷密度较低的衬底材料主要由欧美、日本厂商生产，国内还需要相当长一段时间才能突破。

同时，第三代半导体材料SiC工艺难控，产品批次波动导致良率低、主材料供应垄断，甚至推论市场价格一直居高不下，目前仅局限于部分应用市场。但相较于SiC自身更低损耗、更高效率、耐高压、耐高温等一系列特性，第三代半导体材料SiC的应用已经开始改变更多行业。

与SiC不同，GaN相对复杂。GaN并非真正意义上的MOSFET，而是HEMT（高电子迁移率晶体管），其开关特性与MOSFET类似。GaN HEMT是一种不依赖于衬底的平面导电结构，可以在蓝宝石或硅衬底上实现，但难以实现常关型器件。珠海镓未来科技有限公司（简称“镓未来”）市场总监张大江认为，解决方案有两种：一是在栅极添加P型掺杂，阻挡二维电子气，实现常关功能；一是在源极串联一个低压MOSFET，控制低压MOSFET提供GaN栅极的负电压关断。这样做的好处是MOSFET抗干扰能力强。

此外，目前第三代半导体材料GaN的技术难点还来自其他多方面。在工艺难度上，GaN材料面临器件良率、一致性、可靠性等挑战；对于GaN企业来说，如何才能完善测试内容和流程，以最快、最精准的方式为客户筛选出合适的器件；GaN的高耐热、耐高频、低Vth等特性，注定了其与传统硅器件的封装方向不同；同时在应用上，第三代半导体材料GaN的加入，颠覆了传统电源行业，新型电源行业对PWM控制芯片、变压器厂商的要求更高。

记者了解到，成都氮硅科技股份有限公司（简称“氮硅科技”）经过长时间的研究和实践，已经建成了一套完整的测试线，不仅可以为客户筛选出正常工作的器件，还可以对器件进行测试分类，为客户提供符合要求的性价比高的产品，并且利用大量的实际测试数据，帮助代工厂的工艺开发提供改进方向。另一方面，氮硅科技大力研究先进的封装封接技术，提升GaN器件的性能和易用性；同时，已经与变压器、PWM芯片各大厂商接洽，共同开发解决方案。

新民微电子（上海）有限公司（简称“新民”）CEO袁伟旺认为，GaN与硅器件类似，高温下内阻呈现2倍以上系数的增加，不同于硅器件的是，开关过程中，额外的电应力导致导通电阻动态增加。因此，GaN器件的技术难点主要在于如何处理因使用时间、环境温度不同而导致的内阻差异，表现如下：

1：RDson随着温度升高呈现不稳定状态，如下图所示：

二：RDson随着时间推移也呈现出不稳定的状态，如下图所示：

基于GaN器件上述问题，解决方案是综合考虑热电应力的因素，考虑采用3-3.5倍RDson裕度设计。SiC器件在当前肖特基二极管的应用中已经基本成熟。SiC MOSFET的主要问题是稳定性，需要经过长期的工艺调试和探索，目前技术难点已基本攻克。

除了PD快充，GaN正在向大功率电源发起进攻

镓未来是国内领先的GaN功率器件制造商，致力于Cascode结构GaN产品的研发和生产。据介绍，该结构结合了硅器件的易用性和GaN器件的高频高效特性，可实现高达10KW的高功率密度电源解决方案。产品主要用于大功率服务器电源、基站电源等。近期，镓未来针对快充应用推出了两款小尺寸SMD Cascode GaN器件G1N65R240PB和G1N65R480PA，分别对应65W和33W快充应用，凭借其强大的抗干扰能力和简单的驱动方式，帮助用户实现简洁高效的GaN快充设计。

目前，氮硅科技的GaN功率器件在PD、LED电源等消费领域的应用已逐渐成熟，白色家电、数据中心、光伏等行业，甚至汽车电子领域的厂商纷纷对氮硅科技的GaN功率器件表现出浓厚兴趣。据悉，未来氮硅科技产品将配合自研的GaN驱动芯片，逐步布局更大功率、更稳定的GaN功率器件及模组市场。

记者了解到，新敏GaN功率MOS主要应用在超级快充、LED电源以及小型化高密度电源领域。其中超级快充是传统GaN的主攻市场，而LED电源、小型化高密度电源如断路器、微基站电源等是创新领域，也是新敏主要布局的市场。

作为第三代半导体材料GaN的主要市场，PD快充已逐渐成熟，未来LED、基站、服务器等大功率电源或将成为GaN材料的热门应用市场。

SiC将在汽车电源市场大放异彩

深圳市迈普森半导体有限公司（简称“迈普森”）自成立以来，一直致力于第三代半导体材料SiC的研发、生产和推广。双模组合为客户提供了更加稳定的选择。目前公司SiC产品已在PD快充、照明电源、光伏逆变器、服务器电源等领域得到成熟应用；根据电压段对应的不同市场，结合最新工艺技术，对关键参数进行差异化，使产品更加适合用户的设计。目前MPS已批量供应SiC MOS超低内阻产品，并具备与进口品牌共享市场的能力，并持续投入研发，通过持续改进为客户带来更具性价比的选择。

据介绍，MPS在第三代半导体材料领域积极布局轨道交通及车载电源市场，已与国内多家头部汽车厂商达成协议，部分产品已开始车载试用。

目前新民的SiC器件主要应用在逆变器，包括微型逆变器和大功率逆变器。目前新民推出的主要产品是SiC肖特基二极管和肖特基模块。据悉，新民第三代半导体材料市场将主要布局在充电桩、服务器电源等高效率、大功率的供电场合。

截止今年，泰科天润半导体技术（北京）有限公司（简称“泰科天润”）已深耕SiC芯片领域十年，产品已广泛应用于工业（如大功率LED电源、PC电源、通信电源、光伏逆变器及充电桩充电模块等）、车载电源（如OBC、DCDC等）、消费类（如PD快充）市场。

泰科天润市场营销副总裁邱琦认为，未来电源的发展方向是小型化、轻量化和高功率密度，而电动汽车等新兴领域必将成为碳化硅器件的主要应用领域之一。因为如果电动汽车电机电子控制采用全碳化硅解决方案，平均需要消耗六片六英寸碳化硅晶圆。新能源汽车也需要大量电力。

新能源汽车需要大量的汽车电子电气元件，这些器件对整机的整体价值、尺寸、体积、动态性能、过载能力、耐久性和可靠性起着至关重要的作用。硅基IGBT作为主导功率器件，应用于新能源汽车的电机控制器中，而电机及其控制器约占整车成本的7%-10%，是仅次于电池的第二大成本部件，是决定整车能效的关键器件。同时，为了实现更高的功率密度和高可靠性，快充功率器件需要具备更强的性能，而基于第三代半导体材料SiC的新一代汽车功率器件也将大放异彩。

国产替代进程仍将持续，成本将逐步下降

从2018年缺货潮，国外大厂齐心协力供货国外客户，到2020年疫情冲击，国外大厂东南亚生产基地遭减产重创，国内品牌大厂屡屡承担出货重任。加之大力发展第三代半导体上升为国家战略，加之国内庞大的需求市场，国产化替代空间空前，也给了国内整个第三代半导体产业链迭代的机会。

今年得益于国家的支持和国内半导体产业的不懈努力，国产第三代半导体正以惊人的速度增长。在第三代半导体方面，国内外半导体之间的差距并不像第一代和第二代半导体那样明显。就SiC二极管而言，国内产品已基本实现国产化，并进入了工业级和汽车级领域；就SiC Mosfet而言，国内外仍然存在一定差距；就GaN而言，我国GaN射频设备市场规模在持续增长，主要支柱和主要增长动力是无线​​通信基础设施等。就硅基GaN而言，现在主要应用于手机PD快充产品，由于消费类产品对成本非常敏感，且产品本身的技术门槛低于工业级和车规级，近期国内外之间的差距将不再明显。

袁伟旺预计，未来几年，SiC肖特基将全面实现国产化，目前SiC MOS仍以日本ROHM、美国cree和欧洲意法半导体、英飞凌为主，MOS国产化仍需技术工艺进一步打磨，但长期趋势仍是国产化。

目前第三代半导体器件发展方向明确，国内原厂占据天时地利。对于国内第三代半导体材料SiC环境，近两年在中美贸易战、国外疫情、东南亚封装厂停产等压力下，早年对国内厂商持观望态度的国外厂商逐渐张开怀抱，国内客户也抱有开放心态与国内原厂沟通。另一方面，部分国外友商与欧美汽车厂商结缘较深，对其他客户的供货能力有所下降，由于供货不足，国内标杆客户会考虑包括国产SiC在内的国产半导体。

邱奇认为，从4英寸到6英寸碳化硅材料，甚至未来的8英寸，第三代半导体材料SiC的成本会下降，这将使细分的硅市场下沉。

迈普生产品经理杨勇表示，未来第三代半导体材料与国外厂商产品的差距会越来越小，直至赶上甚至超越，价格也一定会越来越贴近大气。氮硅科技市场经理柯炜则认为，3-5年内，国产GaN功率器件成本必然会接近传统硅基MOS价格，成为市场新宠。

第三代半导体材料的国产替代进程依然任重道远。袁伟旺认为，目前第三代半导体中，GaN器件仍以Navitas、PI和加拿大GaNSystem为主，工业和汽车领域还有很长的路要走。

第三代半导体材料发展新方向

众所周知，使用第三代半导体材料的目的是提高产品效率和功率密度。大功率产品主要从Si IGBT发展到SiC MOSFET，目前已开始在车载应用中全面替代，效率的提升和重量的减轻直接提升了电动汽车的续航能力。中小功率产品则是从Si MOSFET发展到GaN HEMT，主要应用领域是数据中心电源和充电适配器。

数据中心所消耗的能源约占总发电量的10%，采用第三代半导体材料GaN设计的电源，可将效率提升3到5个点，从而为全国节省千分之三到五的用电量。这对碳中和有非常重要的意义。在充电适配器方面，采用氮化镓可以使体积缩小一半，基本已经成为消费者的刚需。尤其是随着PD3的推出，未来你只需要带一个PD适配器，就可以给任何便携电器充电。这将是一个千亿级的市场。

杨勇认为，随着国家“碳中和”战略基调的提出和对第三代半导体的持续支持，未来中国必将引领全球第三代半导体材料SiC消费市场。同时随着国内第三代半导体材料SiC工艺开始逐渐成熟，并已进入稳定生产，相信在不久的将来第三代半导体材料问题能够得到根本解决。

国产化趋势势不可挡，第三代半导体是我国弯道超车的主打产品，随着技术的进步，会有非常广阔的市场空间。“第三代半导体材料除了SiC、GaN，砷化镓（GaAs）等化合物也是未来的重要力量，在目前的5G PA、电力线宽带载波等领域都会有广阔的应用。”袁伟旺说。

结语

在国家政策的推动和半导体产业的支持下，以GaN、SiC为代表的第三代半导体材料成为半导体产业发展的重要焦点。特别是在PD快充、新能源汽车领域，第三代半导体材料GaN、SiC的使用大大促进了产品的创新和迭代。针对目前国产替代的现状，随着国内厂商不断研发创新、突破技术难关，国内第三代半导体产业的地位将占据一席之地；半导体材料的成本也将下降，在智能电网、轨道交通等更高功率的电源等诸多领域都将看到GaN、SiC等第三代半导体材料的身影。

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