宽禁带半导体行业深度：碳化硅与氮化镓的兴起与未来

1、微电均是国内功率半导体企业，在 SiC 功率器件研发上已经有所布局。风险提示。SiCGaN 5G GaN内容目录硅的瓶颈与宽禁带导的兴起. - 6-6788SiC10SiC12重要SiC企业梳理1419GaN19GaN21GaN22GaN5G24GaN262930图1：硅料临多能限制. - 6-6364：SiC、GaNSi75：SiC、GaNSi各有优势领域76：SiCGaN87SiC889：SiC910：SiC911：SiC912：SiC1013：SiC产业链及主要工序1014：SiC15：SiC1216：SiC1217：2022SiC241218：SiC1319SiCPCU1320SiC1

2、32120SiC1422：CreeSiC301523SiCPCU1524SiC1525：WolfspeedGaN-on-SiC1626：Wolfspeed（）1627：Wolfspeed1628：Wolfspeed20228.51729：Infineon1992SiC1730：ColdSplit1831：ROHMSiC1832：ROHMSiC1833：ROHM1934：ROHMSiC1919图36：型GaN HEMT. - 19-37：GaN2038：GaN6820392040：GaNRF2023132141：Si2142：GaN2143：GaN2244：GaNRF2023132345：GaN

3、2346：GaN2447GaN2448RF器件工艺技术对比2449GaAsGaN2550：GaN2551：GaN5G2552：GaN2553：GaN5G2654：Navitas45W29W2655GaN2656：Macom2757：MacomGaN2758：MacomGaN2759：Transphorm28292962：ASiC/GaN29硅的瓶颈与宽禁带半导体的兴起Si 材料的历史与瓶颈上世纪五十年代以来，以硅（Si）（IC） 图 1：硅材料面临诸多性能限制资料来源：公开资料， Si （GaAs）（GaN）p 化硅（SiC）（ZnO）材质SiGaAsGaNSiC禁带结构间接带隙直接带隙材质S

4、iGaAsGaNSiC禁带结构间接带隙直接带隙间接带隙直接带隙禁带宽度（eV）1.11.43.43.3电子迁移率（cm/Vs ）1350850020001000介电常数11.913.1910.1击穿场强（kV/cm）0.30.43.32.8电子饱和漂移速率(107cm/s)112.72.2热导率(W/cmK)1.50.51.34.9器件理论最高工作温度175350800600资料来源：赛迪智库， 资料来源：自行绘制， SiC 2.2eV SiC 与GaN GaN GaN SiC Si GaN图4：SiC、GaN与Si性能差异图5：SiC、GaN与Si各有优势领域资料来源：Yole， 资料来源：

5、Onsemi官网， SiC/GaN：稳定爬升的光明期SiC和GaN相对于传统SiSi 5G GaNSiC/GaN图 6：SiC 与 GaN 处于稳步爬升的光明期资料来源：自行绘制， SiC：极限功率器件的理想材料SiC C Si 原子不同的结合方式使SiC 6H3C 4H-SiC 图7：三种不同的SiC结构图8：SiC晶圆资料来源：公开资料， 资料来源：公开资料， SiC70年SiCSBDSiC MOSFETSiC IGBT6英寸SiCSiC 6 英寸SiSiC推进SiC图 9：SiC 功率器件的发展历史资料来源：CREE、Infineon、RONM 官网， SiC Si 降低能量损耗。SiC

6、 SiC 耗大大低于同等IGBT IGBT IGBT 开关工作，全SiC 。SiC SiC Si 1/10 左右。更耐高温SiC800摄Si 更高；SiC 3.7W/cm/K 1.5W/cm/K图10：SiC能大大降低功率转换中的开关损耗图11：SiC更容易实现模块的小型化、更耐高温资料来源：TechWeb官网， 资料来源：TechWeb官网， SiC 产业链：欧美占据关键位置SiC SiC SiC衬底Lely46 8 6 SiC6SiCSiC 外延（CVD）n p 4 寸/6 寸SiC SiC器件6001700V SiC SBD、MOSFET1200V SiC Si 56 10%23 Si

7、产品23 SiC 逐步占领Si图12：SiC器件生产流程图13：SiC产业链及主要工序资料来源：GlobalPower， 资料来源：公开资料整理， 全球SiC SiC 70%80%CreeSiC 图 14：SiC 产业链各环节公司资料来源：材料深一度， SiC SiC 衬底36 SiC外延片3 6 SiC SiC 方55所是国内少数从4-66 2017 50 万只年的模块工艺线。泰科天润已经量产 SiC SBD，产品涵盖 600V/5A50A、1200V/5A50A 1700V/10A 3D SiC1200VSiCMOSFETSiC 器Fabless 20185 6 SiC MOSFET 代工

8、方面2018126英寸碳SiC晶SiC 650V、1200V 900V1200V 和更高额定电压的SiC MOSFETs图 15：SiC 产业以欧美日为主资料来源：公开资料整理， SiC 市场：汽车是最大驱动力SiC CidV（VV（UPS）Yole 20172023 SiC 31%2023 SiC Cree 2022 SiC242017SiC （700342图16：SiC器件应用领域广泛图17：2022年SiC在电动车市场规模达到24亿美金资料来源：Yole， 资料来源：Cree官网， SiC 决方案相比，基于SiC SiC 器件在EV/HEV 图 18：SiC 器件在四个关键领域提升电动汽

9、车的系统效率资料来源：Cree 官网， 新能源车的功率控制单元（U。UPCU SiC 则大大降低了PCU Si SiC 二极管，Si IGBT SiC MOSFET10%1980 年代就开始合作开发SiC SiC PCU图19：采用SiC的PCU尺寸大大减小图20：罗姆的SiC赛车用逆变器明显降低重量及尺寸资料来源：Geekcar官网， 资料来源：Rohm官网， 车用逆变器。SiC SiC 著小于i75芯片温度为10C在相同封装下，全SiC 高功率。特斯拉Model 3 生产的SiC SiC 2017 12 2 为VENTURI FIA Formula ESiC 43%6kg。车载充电器SiC

10、 PCIM Europe 6 57 HEV/EV SiC 2018 20 SiC SBD SiC MOSFET 44%图 21：超过 20 家汽车制造商在车载充电器中采用 SiC资料来源：o（08， 重要 SiC 企业梳理1、CreeCree旗下的Wolfspeed SiCSiCMOSFETGaN SiC/GaN 30 SiCGaN图 22：Cree 在 SiC 功率器件有近 30 年历史资料来源：Cree 官网， SiCWolfspeedSiC MOSFET GaN GaNHEMT1500 SiC Wolfspeed C （191 年30 C（8寸图23：采用SiC的PCU尺寸大大减小图24

11、：罗姆的SiC赛车用逆变器明显降低重量及尺寸资料来源：Cree官网， 资料来源：Cree官网， Wolfspeed 同时提供 GaN-on-SiC 代工服务，改变了行业传统的 业态。作为 GaN-on-SiC MMIC 技术的领导者，公司运用世界上最大的宽禁带半导体生产线为客户提供从设计协助到制造、测试服务，缩短下游客户产品推出周期。国内三安集成的 GaN 代工服务与之类似。图 25：Wolfspeed 推出 GaN-on-SiC 代工服务资料来源：Cree 官网， Wolfspeed虽然目前是Cree（LEDLEDWolfspeed） Wolfspeed2018 3.2947%Wolfspe

12、ed 2022 8.5 Cree Wolfspeed 2022 年只要有25的目标市场转换为SC和N208倍，公司为极具潜力的SiCGaN图26：Wolfspeed营收大幅增长（百万美元）图27：Wolfspeed毛利率处于较高水平0营收YoY20152016201760%50%40%30%20%10%0%58%58%54%47%48.20%2015201620172018资料来源：Cree年报， 资料来源：Cree年报， 图 28：Wolfspeed 预计到 2022 年收入翻两番达到 8.5 亿美元8.5CAGR:31.04%8.5CAGR:31.04%2.2876543210201720

13、22资料来源：Cree 年报， 2、英飞凌InfineonSiSiCGaNCoolSiCInfineon于1992 年开始SC01全球首次iC006SiC SiC 图 29：Infineon 从 1992 年即开始 SiC 研发资料来源：Infineon 官网， 20182Infineon与Cree后者提供SiC月收购Siltectra获得ColdSplit905030。图 30：Cold Split 技术流程资料来源：Siltectra 官网， 3、ROHM（罗姆半导体）ROHM SiC Infineon CreeSiCROHMSiC 6002025年时将SiC201716 2025年，RO

14、HM能在全球SiC30%。图31：ROHMSiC发展时间表图32：ROHM SiC产品路线规划图资料来源：ROHM官网， 资料来源：ROHM业绩说明会， ROHM 2017 44%2020 15%、13%(2017320213月)。图33：ROHM向汽车和工业转型的趋势图34：ROHM SiC车载应用营收份额资料来源：ROHM业绩说明会， 资料来源：ROHM业绩说明会， GaN：5G 应用的关键材料GaN：承上启下的宽禁带半导体材料GaNSi/SiC相比有独特优势与SiCSiC，GaN SiC Si GaN GaN 1700， aN （05 或04GaN图35：GaN原子结构图36：典型GaN

15、 HEMT结构资料来源：IEEE， 资料来源：FUJITSU官网， GaNGaNLED90LED 20 2010 GaN IR 2014 600V GaN HEMT GaN 2014 8 SiC GaN 图 37：GaN 器件逐步步入成熟阶段资料来源：各公司官网， 随着成本降低，GaN 。GaN SiCSi GaN CGaN IGBT、MOSFET 0300V Si 600V SiC GaN GaN 68%154 GaN 100 图38：GaN器件可以适用于超过68的功率器件市场图39：不同功率器件所处的优势领域资料来源：Yole， 资料来源：Yole， GaNRF6GHz络单元实施将使用Ga

16、N2023 RF13 亿美元。图 40：GaN RF 市场规模于 2023 年达到 13 亿美金资料来源：Yole， GaN 在电力电子领域与微波射频领域均有优势GaN 材高转换效率：GaN Si 3 Si 10GaN Si 器3 低导通损耗：GaN Si 3 Si 10GaN Si 器3 高工作频率：GaN Si 20 图41：Si功率器件开关速度慢，能量损耗大图42：GaN开关速度快，可大幅度提升效率资料来源：华功半导体官网， 资料来源：华功半导体官网， GaN GaN 更高效率更大的带宽低客户产品成本。也适用于扩频通信、电子对抗等领域。4GHzGaAs图 43：GaN 器件在电力电子领域

17、与微波射频领域的优势资料来源：自行绘制， GaN 产业链：海外企业为主，国内企业逐步涉足GaNSiCGaNGaN或SiCSi）GaN IDM GaN GaN 图 44：GaN RF 市场规模于 2023 年达到 13 亿美金资料来源：自行绘制， GaN 衬底23 4 GaN 90%GaN 外延片：根据衬底的不同主要分为 GaN-on-Si、GaN-on-SiC、GaN-on-sapphire、GaN-on-GaN 四种。GaN-on-Si：目前行业生产良Si Si 8 SiC SiC200300GaN-on-Si GaN-on-SiCSiC GaN RF 的衬底，目前尺寸仍然限制在 4 寸与

18、6 寸，8 寸还没有推广。GaN-on-SiC GaN-on- sapphire： LED4GaNLED芯片90%GaNon-GaN主要/图 45：GaN 外延用不同衬底的对比衬底材料已可量产最大尺寸成本热导率（W/cmK）外延材料量Sapphire4 英寸20 美元0.5好Si8 英寸20 美元1.49一般SiC6 英寸1000 美元4.9很好GaN2 英寸2500 美元1.3非常好资料来源：赛迪智库， GaN 器件设计与制造：GaN 射频器电力电子器件LNAMMIC 场；电力电子器件产品包括 SBD、常关型 FET、常开型 FET、级联（Cascode）FET HEMTHBT 射频工艺和S

19、BD、Power FET 图 46：GaN 器件主要产品与工艺技术器件类型器件产品应用领域制造工艺外延片工艺制程射频器件PA、LNA、开关器、MMIC 等基站、卫星、雷达等HEMT、HBTGaN-on-SiC、GaN-on-Si0.5m-0.25m 向0.15m-0.1m 过渡SBD、常关型 FET、常开型 FET、电力电子器件Cascode FET 等等SBD、Power FETGaN-on-Si0.5m-0.25m资料来源：赛迪智库， GaN 市场：射频是主战场，5G 是重要机遇GaN GaAs 工Si GaN 工艺。GaAs 50WLDMOS 3GHz 以下。GaN 和SiLDMOSGa

20、As能的同时，结合了SiLDMOS LDMOS 3.5GHz 0.25 GaN 器4 20%68 W/mm（DS 为1W10 图47：使用GaN前后的效率对比图48：不同频率范围RF器件工艺技术对比资料来源：MACOM， 资料来源：MACOM， AsA 9 GaAs RF GaN N的带隙电压高于a（34eVV142eGaN 图多级GaAs功率放大器和等效GaN功率放大器的比较图50：GaN优势在于带隙宽度与热导率资料来源：MACOM官网， 资料来源：赛迪智库， GaN 是 5G 。5G GaN5GMassive MIMO32/64等） GaN 3G4G甚至上百倍的数量增加。在 5G 毫米波应

21、用上，GaN 的高功率密度特性在实现相同覆盖条件及用户追踪功能下，可有效减少收发通道数及整体方案的尺寸。图51：GaN在5G时代应用广泛图52：GaN以更高的功率密度实现小型化与系统集成资料来源：Qorvo官网， 资料来源：Qorvo官网， 图 53：GaN 材料 5G 基站发展趋势资料来源：Yole， GaN 器件相比于SiC SiC GaN GaN2018年，世界第一家GaN ICNavitas和Exagan推出了带有集成（GaNFast） AppleUSB-CGaN 40%GaN 图54：Navitas45W充电器与苹果29W充电器图55：近年来GaN 快速头逐渐成为潮流公司时间功率OP

22、PO2019 年 10 月极限 65W倍思2019 年 10 月65WELIXAGE2019 年 1 月30WAUKEY2019 年 1 月27W、30WRAVPower2018 年 12 月45W，520V 输出英飞凌2018 年 11 月65W，输出支持 5-20VANKER2018 年 10 月27W，520V 输出台达2018 年 6 月60W，520V 输出Navitas2017 年 9 月65W（手提电脑电源适配器）资料来源：Navitas官网， 资料来源：公开资料整理， 重要 GaN 企业梳理1、MacomMacom GaN 65 Macom GaNLDMOS 以及SiCGaN。图 56：Macom 产品线涵盖射频微波器件到光器件资料来源：MACOM