半导体材料是制作半导体器件和集成电路的电子材料，也是整个半导体产业的基础，其具备半导体性，导电能力介于导体与绝缘体之间。

1.1.第一代半导体材料

第一代半导体材料主要是指硅(Si)、锗(Ge)半导体材料，兴起于二十世纪五十年代，带动了以集成电路为核心的微电子产业的快速发展，被广泛的应用于消费电子、通信、光伏、军事以及航空航天等多个领域。在上世纪90年代之前，硅材料占据了绝对主导地位，目前大多数的半导体器件及集成电路产品还是使用硅晶圆来制造，硅器件占到了全球销售的半导体产品的95%以上。

而世界上第一只晶体管是由锗生产出来的，相对于硅，锗最外层电子能级较高，所以具备更好的导电性能，但是相对会产生更多不必要的热量，此外硅产品具备更低的价格以及更多的储量，因此最终硅取代了锗。

1.2.第二代半导体材料

第二代半导体材料是以砷化镓(GaAs)、锑化铟(InSb)为主的化合物半导体，其主要被用于制作高频、高速以及大功率电子器件，在卫星通讯、移动通讯以及光通讯等领域有较为广泛的应用。砷化镓和磷化铟半导体激光器成为光通信系统中的关键器件，同时砷化镓高速器件也开拓了光纤及移动通信的新产业。

1.3.第三代半导体材料性能优势明显

第三代半导体材料包括了以碳化硅(SiC)、氮化镓(GaN)为代表的宽禁带化合物半导体。第一二代半导体材料工艺已经逐渐接近物理极限，在微电子领域的摩尔定律开始逐步失效，而第三代半导体是可以超越摩尔定律的。

相比于第一代及第二代半导体材料，第三代半导体材料在高温、高耐压以及承受大电流等多个方面具备明显的优势，因而更适合于制作高温、高频、抗辐射及大功率器件。

在器件的性能对比上，GaN材料以及SiC材料在通态电阻以及击穿电压方面都具备较大的优势。

第三代半导体材料应用可以分为微电子以及光电子领域，具体可以细分为电力电子器件、微波射频、可见光通信、太阳能、半导体照明、紫外光存储、 激光显示以及紫外探测器等领域，有望突破传统半导体技术的瓶颈，与第一代、 第二代半导体技术互补，对节能减排、产业转型升级、催生新的经济增长点将发挥重要作用。

1.4.国家持续推出政策支持第三代半导体产业发展

国家对于第三代半导体产业发展提供了持续不断的政策方面的支持，2016年，国务院推出了《国务院关于印发“十三五”国家科技创新规划的通知》， 其中首次提到要加快第三代半导体芯片技术与器件的研发；2019年6月商务部及发改委在鼓励外商投资名单中增加了支持引进SiC超细粉体外商企业；2019年11月工信部印发《重点新材料首批次应用示范指导目录》，其中GaN单晶衬 底、功率器件用GaN外延片、SiC外延片，SiC单晶衬底等第三代半导体产品进入目录；2019年12月国务院在《长江三角洲区域—体化发展规划纲要》中明确要求加快培育布局第三代半导体产业，推动制造业高质量发展。

除了行业政策推动，在财税政策方面，第三代半导体同属于集成电路产业，同样享受国家对集成电路企业所得税优惠政策，先后包括 2019年5月财政部及税务总局印发的《关于集成电路设计和软件产业企业所得税政策的公告》， 针对依法成立且符合条件的集成电路设计企业和软件企业，在2018年12月31日前自获利年度起计算优惠期，第一年至第二年免征企业所得税，第三年至第五年按照25%的法定税率减半征收企业所得税，并享受至期满为止；并在 2020年7月再次推出《新时期促进集成电路产业和软件产业高质量发展的若干政策》，对于国家鼓励的集成电路设计、装备、材料、封装、测试企业和软件企业，自获利年度起，第一年至第二年免征企业所得税，第三年至第五年按照25%的法定税率减半征收企业所得税。

除了国家层面的支持政策外，据CASA统计显示，2019年我国地方各级政府共计出台32项政策，进一步支持第三代半导体产业的发展，支持的方面包括集群培育、科研奖励、人才培育以及项目招商等，2019年各地通过政策将实质性的人、财、物资源注入，推动着各地产业集聚加速。

在十三五期间，科技部通过“国家重点研发技术”支持了超过30项第三代半导体相关的研发项目，通过对基础前沿技术的研究，对产业发展起到了持续助推的作用。

2019年针对第三代半导体的产业投资金额逐年提升，根据CASA统计，2019年投资金额共计265.8亿元，整体相比2018年投资金额上升54.53%，其中SiC项目金额220.8亿元，占比83.07%，GaN 项目金额45亿元。

1.5.国内外第三代半导体产业链日益完善

第三代半导体产业链与一般半导体产业链模式相类似，一般分为衬底、外延生长、设计、制造以及封装这五个流程，同样也存在IDM模式，实现了设计制造的一体化。

从氮化镓产业链公司来看，国外公司在技术实力以及产能上保持较大的领先。GaN龙头企业以IDM模式为主，其中Qorvo拥有自身的晶圆代工厂以及封测厂，在国防以及5G射频芯片领域具备较大优势，在2017年Qorvo最早推出39Ghz双通道GaNFET，并在2018年推出业内最强GaN-on-SiC晶体管；Infineon则是专注于功率半导体领域，主要产品集中在6英寸GaN产线上，8英寸产线 也在准备当中，公司是市场上唯一可以提供氮化镓等全系列功率产品的公司。国内厂商包括苏州能华、华功半导体以及英诺赛科等，其中英诺赛科建成中国首条8英寸硅基氮化镓外延与芯片大规模量产生产线，公司产品在氮化镓快充领域具备国际领先的技术实力。GaN衬底市场主要由日本住友电工、三菱化学也以及新越化学主导，其市场份额占到90%以上，可以成熟提供4英寸以及6英寸GaN衬底，国内厂商包括苏州纳维以及东莞中镓，目前已经实现2英寸氮化镓衬底产品量产，对于4英寸氮化镓仍处于研发及试生产阶段，与国际领先厂商技术还存在一定差距。

市场上主流的GaN外延片供应商包括日本NTTAT，其可以提供用于大功率集成电路及高频率通信领域的高品质氮化镓外延片；比利时公司EpiGaN可提供4、6英寸氮化镓外延晶圆，广泛用于5G通讯、高效电力电子、射频功率、 传感器等领域，目前公司已经率先实现了8英寸硅基氮化镓晶圆量产，生产工艺处于行业先进水平。国内厂商包括晶湛半导体、苏州能华以及华功半导体等， 其中晶湛已经建成了年产1万片6英寸氮化镓外延片生产线，在全球拥有超过150家著名半导体客户，技术实力已经向国际领先水平靠近。

从事GaN芯片设计厂商包括EPC、GaN Sys以及Navitas等公司，其主要是面向功率器件设计，安谱隆以及RFHIC主要面向射频相关领域，其中安谱隆在2018年被中国资本以18亿欧元收购，极大提升了我国在GaN器件设计领域的实力。

为设计公司提供晶圆代工的厂商包括稳懋、TSMC、富士通、世界先进、Cree等，国内海威华芯、三安集成等新兴代工厂也具备GaN晶圆代工能力。

SiC产业链同样以IDM模式为主，主要的市场份额被Infineon、Cree、罗姆以及意法半导体占据。Cree子公司Wolfspeed覆盖了SiC全产业链生产能力， 在市场上占据了主导地位，在SiC器件领域市场份额达到了62%；Infineon在SiC领域的功率器件同样也具备较多的技术积累，于1992年开始SiC领域研发，2001年推出全球首个商业化SiC二极管，2006年推出全球首个采用SiC组件的商用电源模块，目前已经发展至第五代。与国际巨头相比，国内IDM厂商泰科天润、瑞能半导体以及华润微还有较大差距。

SiC衬底龙头为美国Cree，占据了市场约40%的份额，此外还包括道康宁、 II-VI以及Rohm等公司，市场份额超过90%。国内厂商包括山东天岳、天科合达以及河北同光等，其中天科合达具备数十年的销售经历，在2019年销售金额已经达到了1.55亿元，净利润为三千万，业绩持续上升；其次是山东天岳， 其在2020年也得到了华为的入股支持，未来有较大的增长空间。

在外延片环节，主要份额被Cree、道康宁、Rohm等占据，国内瀚天天成也具备3英寸、4英寸及6英寸碳化硅外延片的生产能力，是国内排名第一的碳化硅外延片生产商，全球客户超过100家。

由于采用IDM模式具备较好的成本优势，SiC芯片设计企业数量较少，国外主要包括USCi、Bruckewell等，国内主要是瞻芯电子、苏州锴威特以及基本半导体。代工厂商国内包括三安集成，其他地区包括SUNY Poly、离子束、 X-fab等公司。

2. 全球第三代半导体市场蓬勃发展

2.1.SiC及GaN在应用领域上优势互补

GaN和SiC在材料性能上各有优劣，因此在应用领域上各有侧重和互补。SiC与GaN相比，针对SiC材料的研究时间更长，相对技术成熟度更高，其在导热率上具备更多的优势，因此在高功率应用，比如高铁、输变电、新能源汽车以及工业控制等领域占据主要地位；GaN材料的优势在于拥有更高的电子迁移率，因此会比SiC和Si有更高的开关速度，在高频率领域具备优势，例如微波射频以及数据中心等应用场景。

2.2.GaN在射频及快充领域表现亮眼

根据Yole统计数据，2018年GaN整体市场规模为6.45亿美元，其中无线通讯应用规模为3.04亿美元，军事应用规模为2.7亿美元，未来在电信基础设施以及国防两大应用的推动下，预计到2024年，GaN市场规模将增长至20.01亿美元，年复合增长率为21%，其中无线通讯应用规模将达到7.52亿美元，同比增长147.43%，射频相关应用规模从200万美元大幅增长至1.04亿元，增长近50倍。

通讯基站作为GaN增长推动重要的下游之一，根据Qorvo测算，全球4G及5G基站潜在市场在2022年预计将达到16亿美元。

5G射频系统由于要使用到高频载波聚合以及高频带等多种新技术，整体系统复杂度大幅提高，因此使用GaN等新技术将大幅缩减系统功耗，下图中左侧为锗化硅基MIMO天线，其由1024个元件构成，裸片面积为4096平方毫米，辐射功率为65dBm，如果采用GaN材料来制作，整体元件数量将减少至192个，裸片面积仅为250平方毫米，仍能保持辐射功率不变，虽然价格有一定程度的 提高，但是功耗降低了40%，成本可以降低80%。

市场上GaN器件制造工艺分为GaN-on-SiC、GaN-on-Si以及GaN-on-Diamond，其中前两种较为主流。由于GaN-on-SiC在效率、散热性以及尺寸等方面具备优势，因此占据了市场上较多的市场份额。根据Yole预测， 未来随着GaN-on-Si的技术成熟，并在智能手机中大规模应用，有望带动GaN-on-Si市场规模的大幅提升，并在2030年左右超过GaN-on-SiC。

快速充电领域也将是GaN未来重要的增长点。充电器经历了小型化以及高功率发展趋势，从早期的重达300g-700g的充电器，到目前已经减轻至100g以内，充电功率也提高至100w以上，整体体积出现了非常明显的减小。GaN快充在现有的快充技术的基础上，通过将核心器件更换至GaN，使得手机快速充电器可以做到大功率、小体积。

快充功率近年来呈现持续上升的态势，目前最高的充电功率已经超过了100W，并随着充电功率的提升，对GaN器件的偏好也将逐步提升，在100W以上的充电功率，GaN材料将占据绝对的领先地位。在快充领域国内厂商小米、 OPPO以及VIVO走在了行业前端，未来随着技术的逐步成熟，其他手机厂商也将快速跟进，根据yole对相关数据的预测，在正常情况下，到2024年整体快充市场规模将达到3.5亿美元，在乐观假设下，整体市场规模将超过7.5亿美元。

2020年2月13日，小米发布了65W氮化镓充电器，据小米首席执行官雷军介绍，该款充电器具有小巧、高效、发热低等特点，对一块4500mAH的超大电池从0%充电至100%仅需45分钟，小米就此也成为了第一家将氮化镓USB PD快充单独零售的品牌手机企业，并且149元的零售价更是创下行业新低，引发业内人士高度关注。小米GaN充电器Type-C 65W内置智能识别芯片，可以兼容市面上主流智能手机、Type-C接口的笔记本电脑及其它电子设备。

目前GaN快充电源主要采用的是650V氮化镓功率芯片(GaNFET)代替传统MOSFET作为功率开关，由于制造工艺上具有较大的难度，现阶段全球具备成熟GaN充电器的厂商十分有限，主要包括美国PI、纳微半导体以及中国的英诺赛科。

根据充电头网统计，目前市场上已经出现了数十款各品牌的GaN快充充电器，包括Anker、Baseus、MI、OPPO等知名品牌，价格基本上在200元左右， 未来随着氮化镓快充开始渗透手机和笔记本等电子设备的配件市场，市场容量有望迅速扩大。

2.3.SiC重点应用于电动汽车领域

根据Yole相关报告，SiC器件市场规模在2018年为4.3亿美元左右，到2019年增长至5.64亿美元，未来仍将保持稳步增长，预计在2025年整体市场规模将达到32亿美元左右，年均复合增长率保持在30%以上。

从SiC下游应用占比来看，目前电动汽车领域占据了主要市场，未来随着SiC车用逆变器的大规模采用，汽车市场占比还将持续上升，成为SiC市场增长的主要推动力。SiC用在车用逆变器上，能够大幅度降低逆变器尺寸和重量， 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硅模块，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模块具备更高的电流输出能力，支持逆变器达到更高功率。

单独看车用SiC市场，2018年至2019年电动汽车市场对碳化硅逆变器的态度出现了极大的转变，特斯拉在行业内率先使用SiC技术，Model 3采用了意法半导体和英飞凌的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，其他厂商也开始考虑碳化硅产品的使用问题，继特斯拉之后，比亚迪也在2019年小批量的使用了碳化硅逆变器，其中比亚迪汉EV，是国内首款应用自主研发SiC模块的电动汽车，这不仅是自主应用第三代半导体材料的开始，更是SiC进入中高端量产车的开端。

据Cree测算，SiC逆变器能够提升5-10%的续航，节省400-800美元的电池成本，与新增200美元的SiC器件成本抵消后，能够实现至少200美元的单车成本下降。据罗姆测算，预计到2026年几乎所有搭载800V动力电池的车型都将采用SiC方案。

此外，车载OBC和DC/DC，已经开始采用SiC器件，将PFC电路中二极管切换为了SiC SBD，或者将OBC的DC/DC电路MOSFET管改为SiC MOSFET。全SiC方案也有望从2021年开始量产。

在2018年，车用SiC市场规模为4.2亿美元左右，占到整体市场份额的27%，预计到2024年，车用SiC模块市场规模将增长至19.3亿美元，占到SiC市场份额的一半左右，年均复合增长率高达29%。

整体来看，虽然第三代半导体发展速度很快，但是目前依旧处于早期的产品导入阶段，根据中国电子技术标准化研究院以及yole数据显示，2019年， 第三代半导体SiC以及GaN的渗透率合计约为1.77%，预计到2023年可以提升至4.75%左右。

2.4.我国第三代半导体市场趋势向上

从国内市场来看，第三代半导体主要应用领域为消费电子、工业以及新能源汽车领域，占比分别为28%、26%以及11%，消费电子领域中快充为产品打开了新的应用空间；工业领域中，新一代半导体器件可以显著降低开关损耗并提高开关频率，极大提高能量转换效率，达到节能减排的目的；在新能源汽车领域，特斯拉率先在汽车逆变器模组上采用了SiC材料，指明了未来产业的发展方向，各大整车厂也开始跟进，推动力第三代半导体器件在汽车领域的发展。

根据CASA统计，2016年至2019年我国第三代半导体产业值呈现持续提高的态势。2019年，我国SiC和GaN下游产业包括电力电子以及微波产值共计达到了64亿元，同比增长了53.07%，近三年的复合增长率高达260%。

在电力电子领域，随着产业技术的成熟，SiC及GaN器件相较于Si 器件的性能优势愈发明显，第三代功率器件的渗透率逐步提升，应用领域越发广泛，除了传统的光伏逆变以及新能源汽车领域，消费电子以及数据中心等商业电源市场也成为新的增长点。根据CASA预测，到2024年我国第三代半导体电力电子器件市场规模将达到200亿元左右，年均复合增速超过40%。

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