第三代半导体概况

（一）半导体发展历程

半导体行业，基于核心材料特性的不同，划分为第一代半导体、第二代半导体和第三代半导体，其中第二代半导体和第三代半导体又统称为“化合物半导体”。

第一代半导体，指的是主要以硅（Si）和锗（Ge）为材料制造的半导体。20世纪50年代，锗凭借在低电压、低频率、中功率晶体管及光电探测器中的应用主导半导体市场，但因耐高温与抗辐射性能不足，于60年代末被硅材料取代。硅半导体材料具有耐高温、抗辐射的特征，且高纯度溅射二氧化硅（SiO2）薄膜的应用显著提升了其稳定性与可靠性，如今硅已成为最主流的半导体材料。

第二代半导体，以化合物半导体材料砷化镓（GaAs）、磷化铟（InP）为主要代表制造的半导体元器件。第二代半导体材料发明于20世纪80年代，相较于第一代硅基材料，由于其禁带略宽、电子迁移率高且具有直接带隙结构，使其在高频信号处理以及光电子领域具有更优越的性能。随着信息技术和互联网的发展，第二代半导体材料在卫星通信、移动通信、光通信和GPS导航等领域得到了广泛应用。但是，砷化镓和磷化铟材料的稀缺性和高成本，以及它们的毒性和环境污染问题，限制了这些材料的进一步应用。

第三代半导体，是指使用碳化硅（SiC）、氮化镓（GaN）、金刚石（C）、氧化锌（ZnO）等宽禁带材料制造的半导体，目前市场上主要集中在碳化硅（SiC）、氮化镓（GaN）两个领域。与第一代和第二代半导体材料相比，第三代半导体材料具有更宽的禁带宽度、更高的击穿电场、更高的热导率、更大的电子饱和速度以及更高的抗辐射能力，更适合制作高温、高频、抗辐射及大功率器件，是功率半导体性能升级的主要选择。其中，碳化硅（SiC）器件具备耐高压、低损耗和高频三大优势，可以满足高温、高压、大功率等条件下的应用需求，广泛应用于新能源汽车、光伏、工控等领域；氮化镓（GaN）器件具备高开关频率、耐高温、低损耗等优势，可用于制作功率、射频、光电器件，广泛应用于消费电子、新能源车、国防、通信等领域。

三代半导体材料将长期共存。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，以硅基为基础的集成电路是消费电子、逻辑芯片的绝对主流，占全球半导体市场份额90%以上。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，砷化镓、磷化铟专注高速高频、光电子细分市场，碳化硅、氮化镓在新能源、工业领域有不可替代的作用。不过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。从协同来看，不同半导体进行技术融合和异质集成，兼顾性能和成本，满足多元场景，已成为未来趋势。比如，将氮化镓与低成本硅衬底结合，可用于快充和射频场景；将碳化硅与硅基IGBT结合，形成的混合模块能提升电网转换效率。

（二）第三代半导体优点

由于卓越的物理性能，第三代半导体具有以下优势。

能量转换效率更高。传统的硅基材料导通电阻较高，在进行电力传输或转移的过程中会造成能量的大量损耗。第三代半导体元件具备高导热特性，材料又有宽能隙、耐高压和承受大电流的特性，可以降低导通时的损耗，更符合高温作业环境和高能效利用的要求。以新能源汽车为例，相比用传统硅芯片（如IGBT），用第三代半导体材料芯片（如SiC MOSFET和GaN HEMT）驱动的电动汽车能量耗损低5倍左右，由此大幅增加续航里程。

芯片性能提升。第三代半导体采用宽禁带材料，关断时候的漏电电流更小，导通时候的导通阻抗更小，且寄生电容远远小于硅工艺材料，所以芯片运行速度更快，功耗消耗更低，待机时间更长，还能用较大工艺节点实现硅材料先进节点的部分性能。

可承受高频高压和高温。凭借宽禁带特性，第三代半导体临界击穿电场强度高，可承受数倍于传统硅基器件的电压，且高热导率保证高功率运行时的散热与热稳定性，能在薄漂移层下实现高压阻断，减少能量损耗，适用于电动汽车、高压电网和 5G 基站等领域。

有助于实现产品小型化。使用碳化硅（SiC）和氮化镓（GaN）材料制备的功率元器件具备高速开关动作和耐热性较高两个特性，开关频率越高，构成电力转换器的电感器等部件实现小型化就越容易。另外，耐高温、电能利用率高也是电力转换器小型化的必要条件。实际应用中，采用碳化硅（SiC）器件可将电力驱动系统体积减小3-5倍。

碳化硅产品及产业链

（一）碳化硅器件概况及应用

功率器件可用于对电能进行处理、转换与控制。相较于硅基功率器件，以碳化硅为衬底制成的功率器件，具备耐高压、耐高温、能量损耗低以及功率密度高的优点，能够推动功率模块向小型化、轻量化发展。具体而言，在相同规格下，碳化硅基MOSFET的尺寸相较于硅基MOSFET能大幅缩小至后者的1/10，其导通电阻至少可降至硅基MOSFET的1/100；同时，与硅基IGBT相比，相同规格碳化硅基MOSFET的总能量损耗可显著降低70%之多。

碳化硅功率分立器件主要有碳化硅二极管（如肖特基二极管SBD、JBS二极管、PiN二极管等，以SBD为主）、MOSFET（金属氧化物半导体场效应晶体管）、IGBT（绝缘栅双极型晶体管）、JFET（结型场效应晶体管）等。从用量和市场份额来看，SiC MOSFET、SiC SBD、SiC IGBT占据主体，如下表所示。

汽车应用为碳化硅功率器件最核心的应用下游，占比在75%以上。碳化硅器件主要被应用于电动汽车的主驱逆变器、DC-DC转换器、车载充电器（OBC）等部件中，在新能源汽车的功率电子系统中起着关键作用。主驱逆变器是碳化硅器件价值量最大的应用，为了提高充电效率，800V高压系统密集上车，碳化硅电驱成为电动车标配，当前还在向20万元以下车型普及。根据NE时代统计，我国新能源上险乘用车800V车型中碳化硅车型渗透率由2023年20%不到增至2025年1月的71%，2024年我国新能源上险乘用车主驱模块中碳化硅MOSFET占比为15.4%，2025年1月进一步提升至18.9%。根据Wolfspeed的预测，2026年汽车中主驱逆变器所占据的碳化硅价值量约为83%，其次为OBC，价值量占比约为15%；DC-DC转换器中SiC价值量占比在2%左右。

此外，碳化硅在光伏领域的应用也愈发成熟。碳化硅器件可帮助有效提高光伏发电转换效率，降低能量损耗，提升设备循环寿命。在AI数据中心领域，碳化硅具有极小的反向恢复损耗，可以有效降低能耗，可以提升服务器电源的功率密度和效率，缩小数据中心的体积，降低数据中心的建设成本，因此主要应用在AI服务器电源的PFC（功率因数校正）中，现在多数企业都在采用碳化硅二极管替代硅二极管，碳化硅MODFET替代硅MOSFET。

沟槽型SiC MOS具有性能和成本优势。MOSFET是碳化硅器件当前最主要的类型，以往主要采用平面栅工艺和结构。沟槽型碳化硅 MOSFET相对于平面型碳化硅MOSFET有更高的单元密度、更低的导通电阻、更小的寄生电容、更高的晶圆密度，并且能够减小开关损耗、提升导通性能，可以显著降低单个器件的成本，但受限于工艺水平和栅氧可靠性等问题，量产进程较慢。当前英飞凌、罗姆、芯联集成等国内外龙头厂商均在积极推动沟槽栅SiC MOSFET的研发和量产。

碳化硅器件制造主要采用IDM模式。由于第三代半导体采用成熟制程工艺（多在100纳米以上），设备投资规模相对较小、可从数亿元起步，以6英寸碳化硅芯片为例，每万片/年产能对应投资0.5-0.9亿元，产能规模越大、单位产能投资越低。在新能源汽车、新能源等下游应用高速成长阶段，第三代半导体项目融资相对容易，叠加集成电路领域对国产替代的高度重视，主要第三代功率半导体厂商因此多数选择设计、制造、封测一体化的IDM模式，且以往使用Fabless模式的厂商也纷纷转型IDM模式。

（二）碳化硅产业链

碳化硅产业链主要包括衬底、外延、器件制造（设计、制造、封测）三大环节。从工艺流程上看，首先由碳化硅粉末通过长晶形成晶碇，然后经过切片、研磨、抛光、清洗后得到基片，即碳化硅衬底，作为后续外延生长的物理支撑和热管理载体；碳化硅衬底经过外延生长，即表面通过化学气相沉积（CVD）或分子束外延（MBE）技术生长一层单晶薄膜，形成外延片；外延片经过光刻、清洗、刻蚀、离子注入、沉积、金属钝化等步骤加工成碳化硅晶圆，再经过切割、减薄、封装、测试，形成碳化硅器件（多个器件可封装为模块）；碳化硅器件及模块通过验证后，可进入应用环节。

从完整的产业链来看，上游为衬底及外延片等原材料生产，以及碳化硅生产设备；中游为器件制造，按照应用领域不同，可以分为功率分立器件、微波射频器件；下游为市场终端应用，主要包括电动汽车、新能源、工业控制、轨道交通、卫星雷达、通信基站、消费电子（AI眼镜）等。

碳化硅器件市场格局

（一）市场规模

据Yole Group在2024年9月发布的报告，全球碳化硅功率器件市场规模在2023年已达27.46亿美元，其中新能源汽车应用占比超70%，核心器件涵盖主驱逆变器、OBC车载充电机及DC/DC转换器等关键系统。随着800V高压架构渗透率在2024年持续提升，叠加衬底制造良率提升带来的成本下行，行业正迎来规模化拐点，Yole预测到2029年全球碳化硅功率器件市场规模将攀升至98.73亿美元，CAGR24%，其中新能源汽车应用占比有望突破80%。

根据灼识咨询数据，全球碳化硅功率半导体器件市场于2020年至2024年呈现显著增长，销售额由2020年的6亿美元增至2024年的26亿美元，年复合增速为45.4%。预计到2029年，全球碳化硅功率半导体器件行业的销售额将达到136亿美元，2024年至2029年的年复合增速为39.9%。全球碳化硅功率半导体器件在全球功率半导体市场中的渗透率由2020年的1.3%增至2024年的4.9%，并预计到2029年将达到17.1%。

（二）竞争格局

碳化硅衬底市场格局

（一）产品概况

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，支撑氮化镓（GaN-on-SiC）功率放大器在高频段的高效运行。

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，对于可靠性、安全性的要求相对宽松，门槛较低；车规级衬底对于可靠性、安全性的要求极高，全球能供应主驱衬底的企业较少。

碳化硅衬底在智能眼镜领域展示出显著的应用潜力。碳化硅衬底具备优异的光学和热学特性，其高折射率、轻质高强、散热优异性能，被认为是光学AI/AR眼镜的最佳材料，可帮助AI/AR眼镜突破重量、显示效果、耐用性瓶颈，有望成为AI/AR眼镜主流光学方案并推动行业迈向规模化商用。目前由于价格昂贵，只有高端市场使用碳化硅镜片。随着碳化硅衬底成本快速下探，有望在AI/AR眼镜大众市场得到应用，预计2025年第二季度发布的雷鸟X3 Pro将成为第一个搭载碳化硅镜片的量产型AR眼镜。

大尺寸衬底材料将大幅降低成本。碳化硅衬底的尺寸（按直径计算）主要有2英寸（50mm）、3英寸（75mm）、4英寸（100mm）、6英寸（150mm）、8英寸（200mm）等规格。目前国际主流商用碳化硅衬底尺寸为6英寸。单片8英寸衬底可用面积约为6英寸的1.8倍，边缘浪费减少、材料利用有效率显著提升，芯片产出量大约是6英寸的2倍。根据Wolfspeed报告显示，以32mm²面积的裸片（芯片）为例，6英寸可以切出448颗，8英寸可以切出845颗，裸片数量增加近90%；由于边缘芯片的良率较低，6英寸的边缘裸片数量占比会达到14%，8英寸的这一占比降低至7%，8英寸衬底利用率相比6英寸提升了7%。根据天科合达的测算，从6英寸提升到8英寸，规模化生产后，单位成本预计能够降低35%。

国内外企业加速布局8英寸及以上碳化硅衬底。国际头部企业，例如Wolfspeed、安森美Onsemi、罗姆Rohm等正向8英寸升级，均计划在2025年前后实现8英寸SiC衬底的量产。我国碳化硅衬底主流尺寸是4/6英寸，其中半绝缘型碳化硅衬底以4英寸为主，导电型碳化硅衬底以6英寸为主，头部企业（如天岳先进、天科合达）也已经实现8英寸量产。根据集邦咨询预测，2024年8英寸产品市占率不超过2%，到2026年市场份额将成长到15%左右，2030年出货份额将突破20%。

（二）市场规模及趋势

市场需求拉动碳化硅衬底产能快速扩张。过去三年，全球碳化硅衬底行业经历大规模产能扩张潮，中国大陆企业尤为突出。伴随6英寸、8英寸产线建设加速推进，我国碳化硅衬底产能高速扩张。根据DT芯材的统计，我国6/8英寸碳化硅衬底年产能从2022年的90万片跃升至2024年上半年的348万片（折合6英寸），增幅达286%，预计2024年底年产能达到400万片。

全球产能过剩叠加技术降本，碳化硅衬底价格持续下降。一方面，全球碳化硅衬底市场已经转向供给过剩，产能过剩导致价格战。根据集微咨询数据，2024年中国6英寸碳化硅衬底的设计产能超过1300万片，但全球实际需求仅150万片，国内实际销售仅75万片，库存积压高达180万片；产能严重过剩让价格战愈演愈烈，国内6英寸衬底价格从2024年初的4000-4500元跌至2500-2800元，全年降幅超过40%，接近成本线。另一方面，产业升级与技术创新持续压缩成本空间。通过优化长晶工艺、引入激光切割等技术提升良率，叠加设备国产化率改善，碳化硅衬底生产成本不断下降。同时要看到，虽然低端6英寸衬底因同质化竞争和良率不足，产能过剩明显，但高端8英寸及车规级产品（如1700V MOSFET）仍供不应求。

价格战导致全球及中国市场收入增长放缓。根据集微网数据，2023年全球碳化硅材料市场规模约为14亿美元，比2022年增长17%；2023年我国碳化硅衬底材料出货89.4万片（折合6英寸），比2022年的30万片增长297.9%，销售收入36.5亿元，同比增长221.2%。2024年全球碳化硅衬底行业呈现“量增价跌”的显著特征。尽管产能快速扩张，但受全球需求疲软、价格战加剧等因素影响，行业整体营收增速放缓。根据集邦咨询数据，2024年全球N-type（导电型）碳化硅衬底产业营收同比减少9%，为10.4亿美元。

（三）竞争格局

伴随国产衬底材料厂商崛起以及全球价格竞争，国际龙头遭受重大冲击。中国碳化硅衬底产能占全球70%，价格较国际厂商低30%-40%，受中国厂商技术迭代和价格挤压，国际大厂份额持续下滑，营收和利润持续恶化。比如美国Wolfspeed作为全球碳化硅衬底和外延片龙头，2024年累计亏损8.64亿美元，股价较峰值暴跌95%，市值从180亿美元缩水至不足10亿美元，并于2025年5月21日申请破产保护。Coherent在全球导电型碳化硅衬底的市场份额排名，从2022年的第二，下滑至2023年的第三、2024年的第四，毛利率显著下滑。日本罗姆ROHM碳化硅业务于2024年首次出现亏损，不得不削减投资计划，推迟产能扩张目标。韩国SK Siltron碳化硅衬底销售额大幅下滑，近期母公司SK集团计划将其出售。安森美在韩国建设的8英寸工厂因韩国本土电动汽车销量下滑和中国企业竞争，已在2025年4月暂停投资建设。随着Wolfspeed等外资龙头退出市场，相应份额预计将被国产厂商吸收。

从企业梯队来看，我国碳化硅衬底第一梯队企业包括天岳先进和天科合达。天岳先进是半绝缘型衬底龙头，全球市占率超30%（2023年），是华为、中兴等5G基站核心供应商，2023年通过特斯拉供应链认证，在8英寸晶圆市场中占据领先地位。天科合达是国内导电型衬底领军者、市占率超70%（2023年），是国内功率电子市场最大的碳化硅衬底供应商，主攻新能源汽车和光伏市场，与英飞凌、比亚迪半导体深度合作。

2024年以来国内行业洗牌加速。根据中国电子材料行业协会半导体材料分会统计，国内从事碳化硅材料研究生产的单位已达100余家。全国衬底企业50多家，但具备批量供货能力的企业较少，目前具有一定规模产能的企业仅有20多家。2024年以来，国内衬底行业价格竞争激烈，行业加速洗牌，中小厂商为抢占市场份额，不惜以低价策略挤压对手生存空间，一些企业经营困难、破产重整。2025年行业洗牌继续，具备技术、资金和产业链协同优势的企业有望脱颖而出。

面对行业内卷现状，行业内企业探索不同破局路径。一是通过技术创新快速降低成本、提高良率，提升产品性价比。比如天岳先进探索“PVT+液相法”路线，通过液相法生产高品质籽晶，再利用PVT工艺进行放大生产，从而缩短晶体生长周期，提高产品良率。二是加快8英寸衬底量产进程，避开6英寸市场的激烈竞争，直接进军高端市场。目前8英寸的售价约为6英寸的3倍，市场供不应求，且特斯拉、比亚迪等车企对车规级芯片的可靠性与一致性提出了更高要求，明确指定使用8英寸衬底，这使得8英寸成为高端市场的刚需。从8英寸衬底布局企业情况看，截止2024年，国内已超10家企业8英寸碳化硅衬底进入送样、小批量生产阶段，除了天岳先进与天科合达，还有三安光电、烁科晶体、晶盛机电、南砂晶圆、同光股份、科友半导体、乾晶半导体、超芯星、盛新材料（中国台湾）、粤海金等。三是走向为客户提供解决方案，比如为车企定制车规级芯片衬底，并与宁德时代、华为等下游巨头建立联合研发中心。

国内部分头部企业已提前布局12英寸衬底技术研发与生产。天岳先进在2024年11月推出全球首款12英寸导电型碳化硅衬底样品，此后烁科晶体、天科合达、晶盛机电、南砂晶圆等企业相继宣布成功研制或展示12英寸衬底样品，预计未来几年将逐步实现量产，进一步提高晶圆利用率，降低器件生产成本。

当前国内碳化硅衬底主要企业情况如下表所示。

碳化硅外延片市场格局

（一）产品概况

碳化硅外延片是通过外延生长技术，在碳化硅单晶衬底上沉积一层高质量单晶薄膜的半导体材料，厚度范围从数微米（中低压器件）至100μm以上（高压器件），掺杂浓度和均匀性直接影响器件性能。外延层与衬底需保持晶格一致性（如4H-SiC或6H-SiC取向），以降低缺陷密度。外延片的主要制备工艺主要有化学气相沉积（CVD）和分子束外延（MBE）两种。其中，化学气相沉积是通过高温（1200-1600℃）分解硅烷（SiH₄）和丙烷（C₃H₈）等气体，在衬底表面沉积碳化硅薄膜，具有高均匀性和可控掺杂优势。分子束外延工艺是通过超高真空环境下原子级沉积，适用于高精度射频器件，但生长速率低、成本高。

（二）市场规模

根据灼识咨询数据，全球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%。电动汽车是碳化硅外延片最大的应用领域，2024年占比达到三分之二。

当前碳化硅外延片以6英寸为主，8英寸商业化进程加速。根据灼识咨询数据，2020年至2024年，全球碳化硅外延片销量从24.19万片增长至98.99万片，预计2029年进一步增长至595.94万片。2024年全球4英寸、6英寸、8英寸外延片销量分别为2.99万片、82.28万片、13.71万片，占比分别为3%、83%、14%。预计到2029年，6英寸外延片销量将达到216.05万片，占比为36%，2024年至2029年的年复合增速为21.3%；2029年8英寸外延片销量将达到378.48万片，占比为64%，2024年至2029年的年复合增速为94.2%。

2020年以来碳化硅外延片价格持续下探。伴随原材料（衬底）成本下降、技术成熟以及产能提升，碳化硅外延片下个持续下滑。根据灼识咨询数据，2020年全球6英寸外延片单价为1.14万元/片，至2024年降至7300元/片，预计2029年再降至4400元/片。

（三）竞争格局

外销市场中的碳化硅外延片供应商可分为两类：外延代工厂及具备内部外延制造能力的器件制造商（碳化硅器件IDM厂商）。外延代工厂专注于提供碳化硅外延晶片，不参与碳化硅功率器件的制造，并更多地在碳化硅外延晶片领域进行资本投入。根据灼识咨询数据，2024年外延代工厂占碳化硅外延晶片外销市场的72.7%。碳化硅器件IDM厂商同时涉及外延片生产的企业，国外主要有美国Wolfspeed、Coherent、日本罗姆Rohm、韩国SK Siltron等，国内则包括三安光电、比亚迪半导体、中车时代半导体、安徽长飞先进等企业。

外延片代工领域国产厂商已在全球占据主导地位。根据灼识咨询数据，2024年全球碳化硅外延片外销市场中，瀚天天成、日本昭和电工、河北普兴电子、广东天域、中电化合物位列前5，外销量如下图所示。