站上风口的第三代半导体备受追捧，氮化镓挑起半导体界的大梁

第三代半导体虽然发展已经有一段时间，但今年以来，才逐渐开始广为人知，尤其是我国在今年发布的十四五规划，将第三代半导体纳入其中，再度引起市场对第三代半导体的关注。

第三代半导体材料的碳化硅（SiC）、氮化镓（GaN），与第一代半导体材料的硅（Si）、第二代半导体材料的砷化镓（GaAs）相比，有着尺寸小、效率高、散热迅速等特性。适合应用于5G基地台、加速快充以及电动车充电桩等相关产品领域，也是目前为止，技术已经足以应用商业化的产品。

爆发中的第三代半导体材料

功率半导体下游细分领域带动需求爆发式增长，将带动第三代半导体材料应用 。功率半导体在电子行业中应用广泛，且技术相对成熟。目前是以硅片为衬底，带隙宽度较小，市场普遍认为，增长弹性不大，整体规模保持稳定。与之有差异的是，未来功率半导体将呈现高性能、高增长、高集中度的发展趋势，从而带动第三代半导体材料应用需求，主要原因有以下几点：

1、下游新兴行业增量显著；

2、自给率仍然偏低，替代空间巨大；

3、未来集中产品碎片化将有所改善，高端产品如 IGBT、MOSFET产品性能和技术壁垒同步提升，下游对高端产品的依赖度会随之增加。功率半导体市场规模较大，高性能驱使下，新型半导体衬底材料渗透率有望进一步提升。

硅的瓶颈与宽禁带半导体的兴起

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。

▲硅材料面临诸多性能限制

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。

▲半导体材料特性对比

▲半导体材料与器件发展史

第三代半导体（ 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x，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。

▲SiC、 GaN 与 Si 性能差异

▲SiC、 GaN 与 Si 各有优势领域

氮化镓将引领半导体革命

由于碳化硅、氮化镓之外的其他第三代半导体材料大多处于实验室研发阶段。从应用领域上来讲，氮化镓可以在1～110GHz范围的高频波段应用三大领域是LED（照明、显示）、射频通讯、高频功率器件；碳化硅主要应用领域在电网、轨道交通、电动汽车及充电桩领域。氮化镓适用于高频领域，碳化硅则主要适用于高压领域。

从两者各自的特性，碳化硅是衬底材料最优的选择，以此生长碳化硅的外延片适合高压功率半导体，生长氮化镓的外延片适合中低压功率半导体、LED、射频。如果搭配碳化硅的衬底，氮化镓性能会更优异。

氮化镓的应用研究比碳化硅要晚，但是近些年表现更为抢眼，原因有二：首先，氮化镓在降低成本方面显示出了更强的潜力。目前主流的氮化镓技术厂商都在研发以硅为衬底的氮化镓的器件，以替代昂贵的碳化硅衬底。

有分析预测到2019年氮化镓MOSFET的成本将与传统的硅器件相当。其次，由于氮化镓器件是个平面器件，与现有的硅半导体工艺兼容性强，这使其更容易与其他半导体器件集成。

近几年，氮化镓凡是出现，必定引起行业震动。

在miniLED应用方面，去年6月硅谷创业公司Mojo Vision公开了超高效和明亮的微米级氮化镓LED屏幕，在芯片上使用氮化镓像素制成完整的阵列。

射频应用方面主要是基站PA，去年底三安集成为华为代工PA芯片，采用高频性能更好的GaN材料。

在功率器件氮化镓主要用在低压上，今年2月13日小米发布的体积更小、性能和功率倍增的65W氮化镓充电器引爆充电器市场，氮化镓相关概念股瞬间大涨，截止到2月17日A股相关上市公司中，三安光电、士兰微、华微电子和海特高新均实现了大涨，21只个股市值累计增加292亿。行业预计2025年氮化镓的市场规模超过100亿美元。