前言

第三代半導體材料具有優越的性能和能帶結構，廣泛應用於射頻裝置、光電裝置、功率裝置等製造，並逐漸滲透到5G通訊、PD快充等新興領域和新能源汽車。半導體產業的重要發展方向。但不可否認的是，GaN、SiC材料的技術難度依然存在，國產替代程度不高，成本依然較高，困擾著我國第三代半導體產業的進程。作為提高產品效率和功率密度的關鍵材料，第三代半導體材料GaN和SiC的發展現狀備受關注。

GaN和SiC材料的技術困難及特點

目前，第三代半導體材料GaN和SiC已獲得市場的認可和高度關注。在功率半導體領域，業界人士認為，除了LED發光和射頻之外，第三代半導體材料SiC的技術困難主要在於基板缺陷的控制。目前低缺陷密度的基板材料主要由歐美日廠商生產，在國內需要較長時間才能突破。

同時，第三代半導體材料SiC製程難以控制，產品批次波動導致良率低下，壟斷主要材料供應。甚至推斷市場價格一直居高不下，目前僅限於部分應用市場。但與SiC自身更低損耗、更高效率、耐高電壓、耐高溫等一系列特性相比，第三代半導體材料SiC的應用已開始改變更多產業。

與SiC不同，GaN相對複雜。 GaN並非真正意義上的MOSFET，而是HEMT（高電子遷移率電晶體），其開關特性與MOSFET類似。 GaN HEMT是一種不依賴基板的平面導電結構，可在藍寶石或矽基板上實現，但難以實現常關型裝置。珠海鎵未來科技有限公司（簡稱「鎵未來」）市場總監張大江認為，解決方案有兩種：一是在閘極添加P型摻雜，阻擋二維電子氣，實現常關功能；一是在源極串聯一個低壓MOSFET，控制低壓MOSFET提供GaN閘極的負電壓關閉。這樣做的好處是MOSFET抗干擾能力強。

此外，目前第三代半導體材料GaN的技術困難也來自其他多方面。在製程難度方面，GaN材料面臨裝置良率、一致性、可靠性等挑戰；對於GaN企業來說，如何改善測試內容和流程，以最快、最準確的方式為客戶篩選職缺？良好的設備； GaN的高耐熱、耐高頻、低Vth等特性注定了其與傳統矽元件的封裝方向不同；同時，在應用上，第三代半導體材料GaN的加入顛覆了傳統電源產業。新電力產業對PWM控制晶片和變壓器製造商提出了更高的要求。

記者了解到，成都氮矽科技有限公司（簡稱「氮矽科技」）經過長期的研究和實踐，建成了一套完整的測試線，不僅可以為產品選擇正常工作的裝置。 。分類，為客戶提供符合要求的高性價比產品，並利用大量實際測試數據幫助鑄造廠的製程開發提供改進方向。另一方面，氮矽科技大力研究先進封裝與密封技術，提升GaN元件的性能與易用性；同時聯絡各大變壓器、PWM晶片廠商開發解決方案。

新民微電子（上海）有限公司（簡稱「新民」）CEO袁偉旺認為，GaN與矽元件類似，高溫下內阻呈現2倍以上的增大係數。與矽元件不同，開關過程中，額外的電應力會導致導通電阻動態增加。因此，GaN元件的技術困難主要在於如何處理不同使用時間和環境溫度所帶來的不同內阻，具體如下：

1：隨著溫度升高，RDson呈現不穩定狀態，如下圖所示：

二：RDson隨著時間的推移也呈現不穩定的狀態，如下圖所示：

基於GaN元件上述問題，解法是綜合考慮熱電應力的因素，考慮採用3-3.5倍RDson裕度設計。 SiC裝置在目前肖特基二極體的應用中已經基本成熟。 SiC MOSFET的主要問題是穩定性，需要經過長期的製程調試和探索，目前技術難點已基本攻克。

除了PD快充，GaN正在進攻大功率電源

鎵未來是中國領先的GaN功率元件製造商，致力於Cascode結構GaN產品的研發和生產。據介紹，該結構結合了矽元件的易用性和GaN元件的高頻高效特性，可實現高達10KW的高功率密度電源解決方案。產品主要用於高功率伺服器電源、基地台電源等。憑藉其強大的抗干擾能力和簡單的驅動方法，幫助使用者實現簡單且高效的GaN快充設計。

目前，氮矽科技的GaN功率元件在PD、LED電源等消費領域的應用已逐漸成熟。白色家電以及資料中心、光伏等行業，甚至汽車電子領域的製造商紛紛對Nitrosil Technology的GaN功率裝置表現出了濃厚的興趣。據悉，未來氮矽科技產品將配合自主研發的氮化鎵驅動晶片，逐步佈局更高功率、更穩定的氮化鎵功率元件及模組市場。

記者了解到，新民氮化鎵功率MOS主要應用於超級快充、LED電源和小型化高密度電源。其中，超快充是傳統氮化鎵的主要市場，而LED電源、小型化高密度電源，如斷路器、微基地台電源是創新領域，也是氮化鎵主要佈局的市場。

作為第三代半導體材料GaN的主要市場，PD快充已逐漸成熟。未來，LED、基地台、伺服器等高功率電源可能成為GaN材料的熱門應用市場。

SiC將在汽車電源市場大放異彩

深圳市麥普森半導體有限公司（簡稱「麥普森」）自成立以來一直致力於第三代半導體材料SiC的研發、生產和推廣。雙重組合為客戶提供了更穩定的選擇。目前，該公司SiC產品已在PD快充、照明電源、光伏逆變器、伺服器電源等領域成熟應用；根據電壓段對應的不同市場，結合最新製程技術，對關鍵參數進行差異化，使產品更適合使用者。設計。目前，MPS已批量供應SiC MOS超低內阻產品，具備與進口品牌分享市場的能力，並持續投入研發，透過持續改善為客戶帶來更多性價比的選擇。

據介紹，MPS在第三代半導體材料領域積極佈局軌道運輸和車載電源市場，並與國內多家領先汽車製造商達成合作協議，部分產品已開始車載試驗。

目前，新民的碳化矽元件主要應用於逆變器，包括微型逆變器和高功率逆變器。目前，新民推出的主要產品是碳化矽肖特基二極體和肖特基模組。據悉，新民第三代半導體材料市場將主要佈局在充電樁、伺服器電源等高效率、高功率的供電場合。

截至今年，泰科天潤半導體科技（北京）有限公司（「泰科天潤」）已深耕SiC晶片領域十年，產品已廣泛應用於產業（如高-功率LED電源、PC電源、通訊電源、光電逆變器及充電樁充電模組等）、車用電源（如OBC、DCDC等）、消費性（如PD快充）市場。

泰科天潤行銷副總裁邱琪認為，未來電源方向是小型化、輕量化和高功率密度，而電動車等新興領域必然是碳化矽元件的主要應用領域之一。因為如果電動車馬達電​​控採用全碳化矽解決方案，平均要消耗六片碳化矽六吋晶圓。新能源汽車也有動力。

新能源汽車需要大量的汽車電子電氣元件，這些元件對整機的整體價值、尺寸、體積、動態性能、過載能力、耐久性和可靠性起著至關重要的作用。矽基IGBT作為主導功率元件，應用於新能源汽車的馬達控制器中，而馬達及其控制器約佔整車成本的7%-10%，是僅次於電池的第二大成本零件，是決定整車能源效率的關鍵裝置。同時，為了實現更高的功率密度和高可靠性，快充功率元件需要具備更強的性能，而基於第三代半導體材料SiC的新一代汽車功率元件也將大放異彩。

國產替代進程仍將持續，成本逐漸下降

從2018年的斷貨潮、國外大型廠商統一集中供貨國外客戶，到2020年受疫情影響，國外廠商在東南亞的生產基地受到減產的嚴重影響，國內品牌廠商屢屢承擔起發貨的重任。此外，大力發展第三代半導體已上升為國家戰略。結合國內龐大的需求市場，存在著前所未有的國產化與替代空間，也給了國內第三代半導體整個產業鏈一個迭代的機會。

今年得益於國家的支持和國內半導體產業的不懈努力，國產第三代半導體正以驚人的速度成長。在第三代半導體方面，國內外半導體之間的差距並不像第一代和第二代半導體那麼明顯。就SiC二極體而言，國內產品已基本實現國產化，並進入了工業級和汽車級領域；就SiC Mosfet而言，國內外仍然存在一定差距；就GaN而言，我國GaN射頻設備市場規模在持續增長，主要支柱和主要增長動力是無線通信基礎設施等。就矽基GaN而言，現在主要應用於手機PD快充產品，由於消費類產品對成本非常敏感，且產品本身的技術門檻低於工業級和車規級，近期國內外之間的差距將不再明顯。

袁偉旺預測，未來幾年，SiC肖特基將全面國產化。目前SiC MOS仍以日本ROHM、美國Cree以及歐洲義法半導體和英飛凌為主。 MOS的國產化仍需進一步打磨技術工藝，但長期趨勢仍是國產化。

目前，第三代半導體裝置發展方向明確，國內原廠佔據天時地利。對於國內第三代半導體材料SiC環境來說，近兩年，在中美貿易戰、國外疫情、東南亞封裝廠停工等壓力下，坐以待斃的國外廠商可見國內廠商早年對國內廠商的態度逐漸張開懷抱。客戶也以開放的態度與國內原廠溝通。另一方面，一些外國友商與歐美汽車廠商關係較深，對其他客戶的供貨能力則下降。由於供給不足，國內標竿客戶會考慮國產半導體，包括國產SiC。

邱奇認為，從4英寸到6英寸碳化矽材料，甚至未來8英寸，第三代半導體材料SiC的成本將會下降，這將導致細分矽市場下沉。

Mipson產品經理楊勇表示，未來第三代半導體材料與國外廠商產品的差距會越來越小，直到追上甚至超越，價格肯定會越來越接近並且更接近大氣層。氮矽科技市場經理柯偉認為，3-5年內，國產氮化鎵功率裝置的成本必然會逼近傳統矽基MOS的價格，成為市場新寵。

第三代半導體材料的國產替代過程仍任重道遠。袁偉旺認為，目前第三代半導體中，GaN元件仍以Navitas、PI和加拿大的gansystem為主。工業和汽車領域還有很長的路要走。

第三代半導體材料發展新方向

眾所周知，使用第三代半導體材料的目的是提高產品效率和功率密度。高功率產品主要從Si IGBT發展到SiC MOSFET，目前已開始在車載應用中全面替代，效率的提升和重量的減輕直接提升了電動車的續航力。中小功率產品則是從Si MOSFET發展到GaN HEMT，主要應用領域為資料中心電源和充電轉接器。

資料中心消耗的能源約佔總發電量的10%。採用第三代半導體材料GaN設計的電源，可將效率提高3至5個點，從而節省國家千分之三至五的用電量。 。這對於碳中和具有非常重要的意義。在充電轉接器方面，使用氮化鎵可以將體積縮小一半，基本上已經成為消費者的剛性需求。尤其是隨著PD3的推出，未來你只需要帶一個PD適配器就可以為任何便攜式電器充電。這將是一個價值數十億美元的市場。

楊勇認為，隨著國家「碳中和」戰略基調以及對第三代半導體的持續支持，未來中國必將引領全球第三代半導體材料SiC消費市場。同時，隨著國內第三代半導體材料SiC製程開始逐漸成熟，並已穩定生產，相信在不久的將來，第三代半導體材料的問題得以根本解決。

本土化的趨勢是不可阻擋的。第三代半導體是國家彎道超車的主力產品。隨著技術的進步，將會有非常廣闊的市場空間。 「第三代半導體材料不僅是SiC、GaN，砷化鎵（GaAs）等化合物也是未來的重要力量，在目前的5G PA、電力線寬頻載波等領域將有廣泛的應用」。袁偉王說。

結語

在國家政策的推動與半導體產業的支持下，以GaN、SiC為代表的第三代半導體材料成為半導體產業發展的重要焦點。尤其是在PD快充和新能源汽車領域，第三代半導體材料GaN、SiC的使用極大地推動了產品的創新和迭代。鑑於目前國產替代的現狀，隨著國內廠商不斷研發創新、突破技術難關，國內第三代半導體產業的地位將佔有一席之地；半導體材料的成本也將下降，GaN、SiC等第三代半導體材料將出現在智慧電網、軌道運輸等更高功率電源等領域。

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