众所周知，硅基材料是半导体产业的基础，然而随着传统硅基功率器件发展达到极限，寻求新型硅基材料以突破性能瓶颈，推动半导体产业持续革新已成为业界亟待解决的重大挑战。在此背景下，第三代半导体材料应运而生，以其独特的性能优势和广阔的应用前景，成为创新增长的重要方向。

第三代半导体是以碳化硅（SiC）和氮化镓（GaN）为代表的宽禁带半导体材料，具备高频、高效、高功率、耐高压、耐高温、抗辐射能力强等优越性能，是支撑新能源汽车、光伏储能、高速轨交、智慧电网、新一代移动通信等产业持续发展的核心材料。

那么在未来科技与经济发展中有着重要角色的第三代半导体将开启一个怎样全新的半导体时代？

 · 第三代半导体时代已悄然来临

在半导体技术的演进历程中，共经历了三个发展阶段，根据材料性质区分了第一代、第二代、第三代半导体。其中第一代半导体是由单体元素构成的半导体，可以称为“元素半导体”，指的是以锗（Ge）、硅（Si）为代表的半导体，主要应用于低电压、低频、中功率晶体管和光电探测器。第一代半导体引发了以集成电路为核心的微电子领域迅速发展，奠定了微电子的产业基础，带来了信息产业的飞跃。

第二代III-V族化合物半导体，以砷化镓（GaAs）和磷化铟（InP）为代表，这些化合物与硅相比，具有光学跃迁概率、电子饱和漂移速率高以及耐高温、抗辐射等特点，在超高速、超高频，低功耗、低噪声器件和电路，特别是在光电子器件和光电存储方面占有独特的优势。

第三代半导体以碳化硅（SiC）、氮化镓（GaN）为代表，是继第一代Si和第二代GaAs、InP等材料之后的新一代半导体材料，主要由宽禁带半导体构成，其禁带宽度远大于传统硅材料，通常在2.3eV以上。这种特性赋予了第三代半导体材料一系列无可比拟的优势，使其在电力电子、射频微波、光电子等领域展现出巨大的应用价值。

相比于前两代半导体材料，第三代半导体具有较宽的禁带宽度、临界击穿场强高、热导率高、抗辐射能力强、频率高等优势，成功突破了传统硅基半导体的性能瓶颈。

1、高频特性：宽禁带半导体的电子迁移率显著高于硅，这意味着电子在材料内部移动的速度更快，从而支持更高的工作频率。

2、高效能：由于宽禁带半导体具有较高的击穿电场强度，器件可在更高电压下稳定运行，同时降低导通电阻，减少功率损耗。

3、高功率密度：得益于上述高频和高效性能，第三代半导体器件能够在较小的体积内处理更大的功率，实现系统的小型化、轻量化。

4、耐高压、耐高温：宽禁带半导体的禁带宽度大，热导率高，使得器件在高压、高温环境下仍能保持良好的工作状态。

5、抗辐射能力强：第三代半导体材料对电离辐射具有较高的抵抗性，不易因辐射导致性能退化，因此在核设施、航天器等强辐射环境中表现出优异的稳定性，为高可靠电子系统的构建提供了有力保障。

第三代半导体材料的诸多优异特性为众多前沿科技领域带来了变革性的创新动力，成为了新能源汽车、光伏储能、高速轨交、智慧电网、新一代移动通信等产业持续发展的重点核心材料。

 · SiC、GaN的兴起与未来

目前第三代半导体材料和器件的应用中，较为成熟的是SiC和GaN半导体材料，而氧化锌、金刚石、氮化铝等材料的研究尚属起步阶段。

作为第三代半导体材料的代表，SiC器件因高电子饱和速率、耐高温、高热导率等优点，适用于大功率高频功率器件，如汽车、工业、光伏用途等。根据TrendForce分析，随着国内外厂商的相继扩产，以及与汽车、新能源客户合作项目明朗化，推动2023年整体SiC功率元件市场规模达22.75亿美元，年增长41.4%，预计至2026年SiC功率元件市场规模可望达53.28亿美元。

1、新能源汽车

在新能源汽车领域，SiC器件主要应用于新能源汽车的功率控制单元（PCU）、逆变器（Inverter）、DC-DC转换器、车载充电器等方面。在功率等级相同的条件下，采用SiC器件可将电驱、电控等体积小型化，满足功率密度更高、设计更紧凑的需求，同时也能使电动车续航里程更长。而换言之，新能源汽车产业也打开了SiC功率器件的市场空间。

随着新能源汽车产业的蓬勃发展，电子系统在车辆总成本中的占比呈现出显著增长趋势，根据罗兰贝格的估算，预计到2025年，一台纯电动车的电子系统成本预计将达到7030美元，相较于2019年一台燃油车的3145美元，增长幅度高达3885美元，其中功率半导体在汽车半导体总成本中的比重尤为突出。据Strategy Analytics数据显示，纯电动汽车中功率半导体占比约为55%，远超过传统汽车的21%，凸显新能源汽车对高性能、高能效功率器件的强烈需求，为SiC器件在汽车领域的广泛应用奠定了坚实基础。

也就是说，新能源汽车未来将是 SiC 的第一大应用市场。据统计，2027年全球导电型SiC功率器件市场规模有望达63亿美元，2021-2027年CAGR达34%；2027年新能源汽车导电型SiC功率器件市场规模有望达50亿美元，占比高达79%。

不仅如此，全球已有多家车企的多款车型使用SiC。特斯拉是第一家在主逆变器中集成全SiC功率器件的汽车厂商，在MODEL 3上使用24个SiC MOSFET模块，代替IGBT作为主驱逆变器的核心部件，器件体积缩小到原来的1/10，同时使逆变器效率从Model S的82%提升到90%。且如今全球已有超过20家汽车厂商在车载充电系统中使用SiC功率器件。

2、光伏行业

作为光伏系统中至关重要的能量转换设备，逆变器的性能与效率直接影响着整个系统的发电效能和经济性。近年来，光伏电站直流端电压等级显著提升，逐渐从传统的1000V向更高层次的1500V乃至预期中的2000V演进，而在这一进程中催生了对SiC功率器件的旺盛需求。据统计，2017年全球光伏逆变器出货量仅为98.5GW，预计到2023年将增长至281.5GW。

因此，随着光伏逆变器出货量在全球范围内呈现强劲增长态势，以及SiC功率器件在逆变器中的渗透率稳步提升，光伏SiC功率器件市场将迅速增长。中国作为全球光伏产业的重要基地，其市场动态极具代表性，根据CASA数据，2021年中国光伏领域第三代功率半导体的渗透率超过13%，市场规模约4.78亿元，同比增长56%，预计2026年光伏用第三代半导体市场空间将接近20亿元，五年CAGR超过30%。显而易见，光伏第三代半导体功率器件市场前景广阔。

左图：全球光伏逆变器出货量

右图：光伏逆变器中SiC功率器件占比

和SiC一样，氮化镓（GaN）也是一种在功率器件中存在巨大潜力的材料。GaN侧重高频性能，广泛应用于基站、雷达、工业、消费电子领域，尤其在5G基站以及快充两个领域复合增速较快的背景下，有望成为GaN市场快速增长的主要驱动力。

3、5G基站

5G基站中主要使用的是GaN功率放大器和微波射频器件。GaN材料在耐高温、耐高压及承受大电流方面具备优势，与传统通信芯片相比具备更优秀的功率效率、功率密度和宽频信号处理能力，应用在5G基站中更加合适。

具体而言，GaN器件的高电子迁移率和击穿电压赋予其更高的工作频率和输出功率，从而提升射频信号的传输距离和覆盖范围；同时，其较低的导通电阻和热阻有助于减少功率损耗，提高能源利用效率，这对于追求绿色低碳、节能降耗的5G基站建设来说至关重要。此外，GaN器件出色的线性度和宽带特性使其能够轻松应对5G系统中复杂的多载波、多频段、多天线（MIMO）传输需求，确保数据传输的高速度、大容量和低延迟。

以锗化硅基MIMO天线为例，它是由1024个元件构成，裸片面积达到4096平方毫米，辐射功率为65dBm，若用GaN材料进行设计与制造，整体元件数量骤减至192个，裸片面积大幅缩减至仅为250平方毫米，且仍能保持原有的辐射功率水平，此时，GaN材料的优势得以充分显现。

因此，在面对5G时代对通信基础设施提出的诸多挑战，GaN技术的广泛应用无疑为构建高效、紧凑、节能的下一代通信网络提供了强有力的技术支撑，极大地提升了通信系统的可靠性。

GaN在5G射频系统中优势明显

以上，面对第三代半导体材料和技术的加速发展，以及广阔的应用前景和产业需求的持续升级，全球各国已将此视为提升未来核心竞争力的重要手段和重要支撑，全方位、多层次推动第三代半导体的研发和产业化进程成为全球的发展方向。

 · 全球第三代半导体产业链全景

当前全球SiC产业格局呈现出美国、欧洲、日本三足鼎立的局面。美国凭借其强大的科研实力与成熟的市场环境，牢牢占据全球SiC产业的主导地位，产量占比高达70%-80%；欧洲则依托完整的SiC衬底、外延、器件以及应用产业链，不仅在技术研发层面保持前沿，更在电力电子市场中拥有强大的影响力和话语权；日本以其在精密制造领域的深厚底蕴，成为SiC设备和模块开发的绝对领先者。

韩国则聚焦于SiC产业链上游的核心环节，如高纯SiC粉末制备、高纯SiC多晶陶瓷、高质量SiC单晶生长、高质量SiC外延材料生长等，力求在源头上掌握核心技术。此外，韩国还启动了针对功率电子的国家项目，重点围绕Si基GaN和SiC，旨在全面提升其在功率器件领域的竞争力。

当然，中国在第三代半导体领域的崛起也不容忽视，尤其是在LED领域，中国已接近甚至达到国际先进水平，这不仅为国内积累了丰富的半导体材料研发经验与产业化能力，更为进一步拓展第三代半导体在射频通信、新能源汽车、电力传输等领域提供了坚实的技术基础与产业支撑。

2022年中国第三代半导体市场规模达到111.79亿元，同比增长39.2%，2018-2022年复合增长率为43%，增长速度惊人。展望未来，互联网与信息技术的持续进步，对半导体的需求会越来越高，预计2023年第三代半导体市场规模将达到152.15亿元，2028年市场规模将达到583.17亿元，2023-2028年复合增长率为30.83%，随着市场的饱和，增速虽有所下降，但整体市场规模依然稳定持续增长。

2023-2028年中国第三代半导体市场规模预测情况

然而，由于中国开展SiC、GaN材料和器件方面的研究工作比较晚，与国外相比水平仍较低，具体表现在以下几个层面：

1、中国半导体材料处于中低端领域

由于半导体材料领域高端产品技术壁垒高，而中国企业长期研发和累积不足，导致中国半导体材料在国际中处于中低端领域。另外，中国半导体材料自给率整体偏低，主要依赖进口，尤其是晶圆制造材料，目前我国半导体材料企业多集中于6英寸及以下生产线，少数企业已开始涉足8英寸、12英寸生产线。

2、半导体设备依赖进口

当前，我国半导体设备的国产化率尚不足两成，市场主要被海外巨头垄断，而半导体设备行业存在显著的技术门槛、市场壁垒及客户认知壁垒，加之我国半导体设备产业起步相对较晚，导致国产规模偏小，对外依赖现象严重。据数据揭示，我国大量进口的半导体设备中，化学气相沉积设备以23%的比重位居首位，其次是占比18%的等离子体干法刻蚀机，引线键合机则以12%的份额位列第三。其后分别为氧化扩散炉、分步重复光刻机、物理气相沉积设备、离子注入机、化学机械抛光机。

综上所述，中国在第三代半导体材料领域的研究与产业化进程中，虽已取得一定进展，但与国际先进水平的差距依然显著。要缩小这一差距，加大研发投入、优化产业结构、提升产业链自主可控能力等是推动我国在第三代半导体实现从跟跑到并跑乃至领跑的核心实施政策。

眼下，第三代半导体已渗透新能源汽车、工业电源、消费类电子等领域，并逐渐成为人工智能、未来智联网等领域发展的核心关键元器件的材料基础，这个预计将形成百亿级的应用市场已陆续拉开竞争帷幕，那么谁能在新的技术风口占得先机，我们拭目以待。