第三代半导体概览
半导体行业根据核心材料特性分为第一代、第二代和第三代半导体。第一代半导体以硅和锗为材料，已被硅材料取代。第二代半导体以砷化镓和磷化铟为代表，在高频信号处理和光电子领域具有优越性能，但存在稀缺性、高成本和环境污染问题。第三代半导体使用碳化硅、氮化镓等宽禁带材料，具有更宽的禁带宽度、更高的击穿电场、热导率和抗辐射能力，更适合高温、高频、抗辐射及大功率器件。
各代半导体材料并非完全替代关系，将长期共存。目前市场上的半导体仍以第一代硅基材料为主，第二代、第三代半导体材料在高温、高压和高频领域更多是作为有效补充。随着摩尔定律演进逐渐放缓以及第三代半导体产品成本的降低，未来第三代半导体有望逐渐替代部分硅基半导体市场份额。异质集成成为未来趋势，例如将氮化镓与低成本硅衬底结合，或将碳化硅与硅基IGBT结合。
第三代半导体优点
第三代半导体具有以下优势：能量转换效率更高，芯片性能提升，可承受高频高压和高温，有助于实现产品小型化。
碳化硅（SiC）篇
过去三年，全球碳化硅衬底行业经历激进的产能扩张，中国大陆企业尤为突出。产能过剩叠加技术降本，碳化硅衬底价格持续下降，导致全球及中国市场收入增长放缓，2024年以来国内碳化硅衬底行业洗牌加速。外延片同样经历产能扩张，多数企业产能将在一两年内释放。然而，上游衬底和外延片成本下降、技术成熟以及产能提升，带动下游器件和应用渗透率的提升。
伴随国内新能源汽车自主品牌崛起，国产碳化硅器件企业在车规级市场份额将持续提升。我国碳化硅功率半导体器件企业呈现“头部引领、细分突围、车规级加速渗透”的竞争格局。意法半导体、安森美、英飞凌在中国碳化硅功率模块市场仍占据主导地位，但国产厂商份额迅速提升。国内碳化硅器件企业多数为IDM模式，包括比亚迪半导体、中车时代半导体、芯聚能、士兰微、三安光电等头部企业，纯代工厂主要有芯联集成、积塔半导体、芯粤能等企业。
碳化硅衬底制造是碳化硅产业链技术门槛最高、价值量最大的环节。导电型碳化硅材料制成的功率器件能够更好地适应高压、高温工作环境，在新能源汽车电驱系统、高压充电设施、储能及轨道交通等高压大功率场景具有极大的应用潜力。半绝缘型碳化硅则凭借低载流子浓度与优异的微波损耗特性，成为5G/6G基站射频前端器件的核心衬底材料。碳化硅衬底还可分为工规级、车规级两大类。工规级衬底主要用于工业电源领域，车规级衬底对于可靠性、安全性的要求极高。
碳化硅外延片市场的销售额由2020年的4亿美元增至2024年的12亿美元，年复合增速为34.7%。预计到2029年，市场规模将达到58亿美元，2024年至2029年的年复合增速为38.2%。当前碳化硅外延片以6英寸为主，8英寸商业化进程加速。2020年以来碳化硅外延片价格持续下探。
氮化镓（GaN）篇
氮化镓射频器件已广泛应用于5G通信基站、移动终端、国防军工和卫星通讯中。氮化镓与碳化硅同属于第三代半导体，在功率半导体领域，碳化硅在高压场景中应用较多，但不适用于高频场景，而氮化镓适用于高频、高温、高功率应用，当前逐渐从消费电子快速充电器领域向电动汽车、高功率数据中心、新能源、工业与通信电源等应用场景渗透，预计至2029年市场规模年复合增速保持在40%以上。
氮化镓功率器件市场将持续高速增长。根据集邦咨询数据，2023年全球氮化镓功率元件市场规模约2.71亿美元，至2030年有望上升至43.76亿美元，年复合增速高达49%。
设备篇
半导体设备是国产攻坚的主战场之一。以碳化硅、氮化镓为代表的第三代半导体材料，由于其宽禁带、高击穿场强等材料特性，无法沿用硅基设备的标准化产线，例如在晶体生长设备、外延设备、刻蚀等核心设备方面与硅基设备要求差异较大。国产第三代半导体的发展，要构建“材料-设备-工艺-应用”全面协同创新生态，在全球半导体竞争中占据有利地位，尤其需要设备方面的创新突破支撑。
碳化硅设备方面，单晶生长、切片、研磨抛光、外延各环节国产化率逐步提升，碳化硅单晶炉、外延炉已基本实现国产化，热处理设备国产化率已达到一定水平，刻蚀设备、离子注入设备、模块封装设备、量测设备国产化处于起步阶段。氮化镓设备方面，MOCVD、离子注入机和刻蚀设备等核心设备仍主要依赖进口。
