一、第三代半导体产业研究的重要意义

进入信息时代以来半导体已经成为了仅次于能源的现代工业的基础，半导体是科技发展的基础性、战略性产业。尤其是当下国际形势复杂多变，外交、安全、经济、非传统安全问题成了一盘棋，半导体产业的意义早已超越技术与经济范畴。疫情爆发以来，全球芯片短缺暴露全世界对亚洲屈指可数的制造商的依赖。如今芯片短缺正从汽车业蔓延到智能手机和显示设备等领域，迫使多国将半导体产业问题列入其优先议事日程。半导体技术主导权的竞争已经成为当下及未来相当长一段时间国际竞争的关键点。因此，进行第三代半导体产业的研究具有非常重要的国家战略意义。

1.1 第三代半导体材料的含义及应用领域

第三代半导体材料是指氮化镓（GaN）、碳化硅（SiC）等带隙宽度明显大于硅（Si，1.1~1.3V）和砷化镓（GaAs，1.4V）的宽禁带半导体材料，具备击穿电场高、热导率大、电子饱和漂移速率高、抗辐射能力强等优越性能，以宽禁带半导体材料为基础制备的电子器件是支撑下一代移动通信、新能源汽车、高速列车、能源互联网、国防军工等产业自主创新发展和转型升级的关键核心器件，在国家安全（打破战略平衡的战略物资）、国家经济安全（能源、交通、通信）和传统产业转型升级（低碳、智能）方面均起到核心支撑作用。

第三代半导体主要面向电力电子、微波射频和光电子三大应用方向。高耐压、抗辐照、大功率、高效率的第三代半导体电力电子器件和模块是新能源汽车、高速列车、能源互联网、消费类电子、深空装备、国防安全等领域电力控制系统实现升级换代的关键芯片。第三代半导体微波射频器件和模块是雷达与电子战、通信系统装备性能升级，实现覆盖范围更大、带宽更宽、精度更高、时延更低的关键芯片。而新一代显示与光源技术需要光谱可调、高效小型化、数字可控的第三代半导体光源，以支撑其颠覆性创新和应用；氮化物半导体紫外非视光源的快速崛起，将引领公共卫生安全和国家安全（保密通信、远程预警等）技术产品的升级换代。

1.2 第三代半导体的重要战略意义

1.2.1 我国实现科技自立自强的重点领域

第三代半导体是全球半导体技术研究前沿和新的产业竞争焦点，也是国外对中国技术封锁的重点领域。当前国际第三代半导体材料、器件实现了从研发到规模性量产的成功跨越，已进入产业化快速发展阶段，在新能源汽车、高速列车、5G通信、光伏并网、消费类电子等多个重点应用领域实现了突破，未来5年将是第三代半导体产业发展的关键期，全球资本加速进入第三代半导体材料、器件领域，产能大幅度提升，企业并购频发，正处于产业爆发前的“抢跑”阶段。中国在市场和应用领域有战略优势，正在形成完善的产业链条，国际巨头还未形成专利、标准和规模的完全垄断，有机会实现核心技术突破和产业战略引领，重塑全球半导体产业格局。

1.2.2 我国“十三五”时期重点布局产业方向

第三代半导体是我国“十三五”时期重点布局的方向，产业化核心技术取得突破、产业布局较为全面、市场应用逐步开启，自主可控能力逐渐增强，整体竞争力不断提升。

2020年，我国第三代半导体产业面临复杂的外部环境。全球新冠疫情持续蔓延，世界经济严重衰退，国际贸易投资萎缩，中国经济面临的不稳定、不确定因素显著增多；逆全球化思潮泛滥、贸易战频发，中美、日韩等贸易战给全球半导体和电子制造商带来了供应链安全风险；国际第三代半导体龙头企业显现领先优势，逐步建立行业壁垒，或对国内产业造成一定冲击。

与此同时，多因素促成我国第三代半导体产业逆势上涨。提振信心的5G、AI、物联网、大数据等市场提速，新能源汽车、PD快充、5G和新型显示时代的来临，应用市场对第三代半导体的需求已经开始呈现出前所未有的增长趋势。下游企业从供应链安全角度考虑，导入国产器件，国内产品获得了试用、改进的机会。

1.2.3 国家布局“新基建”，第三代半导体是关键核心器件

早在2018年底召开的中央经济工作会议上就明确了5G、人工智能、工业互联网、物联网等“新型基础设施建设”的定位，随后“加强新一代信息基础设施建设”被纳入2019年政府工作报告。2020年，在国务院常务会议、中央全面深化改革委员会第十二次会议等重要会议上多次提出推进新型基础设施建设，我国新型基础设施建设进入高层布局。“新基建”包含5G基建、特高压、城际高速铁路和城际轨道交通、新能源汽车充电桩、大数据中心、人工智能和工业互联网等七大领域，涉及到通信、电力、交通、数字等多个社会民生重点行业。以SiC和GaN第三代半导体材料为基础制备的电子器件是支撑“新基建”建设的关键核心器件。GaN基射频器件及其模块是5G基站核心装备之一，GaN基LED可见光通信是5G通信的重要组成部分，5G基建将直接促进Mini/Micro-LED 4K/8K高清显示及VR/AR等数据高容量存储、大流量传输和快速度响应有强烈需求的相关产业的发展。SiC基SBD MOSFET及GaN基HEMT功率器件是特高压输电、轨道交通和新能源汽车、大数据中心的核心器件。

1.2.3 对实现“碳达峰、碳中和”具有重要作用

当前能源技术革命已经从电力高端装备的发展逐步向由材料革命的发展来带动和引领。习近平总书记提出了“四个革命、一个合作”的能源安全战略，承诺中国在2030年前实现碳达峰，2060年前实现碳中和。国家电网“碳达峰、碳中和”行动方案提出了“两个50%”的目标，2050年清洁能源占电能生产的比例将超过50%，电能在终端能源消费中的占比将超过50%。实现“碳达峰、碳中和”关键在于加快推进能源开发清洁替代和能源消费电能替代，实现能源生产清洁主导、能源使用电能主导。

第三代半导体材料和技术对于建成可循环的高效、高可靠性的能源网络起到至关重要的作用，可助力实现光伏、风电（电能生产），直流特高压输电（电能传输），新能源汽车、工业电源、机车牵引、消费电源（电能使用）等领域的电能高效转换，推动能源绿色低碳发展。

第三代半导体功率芯片和器件的固有特性，决定了其在实现光伏、风力等新能源发电、直流特高压输电、新能源汽车等电动化交通、工业电源、民用家电等领域的电能高效转换优势。例如，以新能源汽车为代表的陆海空电动化交通和以智能化机器人、无人飞机、数控机床为代表的新兴产业，迫切需要高频、高效和耐温的第三代功率半导体。这些场景的应用将对实现“碳达峰、碳中和”起到至关重要的作用。

目前电网在新能源发电以及输变电环节的电力电子设备中所使用的基本都还是硅基器件，而硅基器件的参数性能已接近其材料的物理极限，因而无法担负起支撑大规模清洁能源生产传输和消纳吸收的重任。采用碳化硅材料制成的功率半导体器件，以其高压高频高温高速的优良特性，能够大幅提升支撑清洁能源为主体的新型电力系统建设运行所需各类电力电子设备的能量密度，降低成本造价，增强可靠性和适用性，提高电能转换效率，降低损耗。

二、第三代半导体产业现状及发展趋势

2.1 国际第三代半导体产业进展

2.1.1 各经济体以前所未有的力度扶持半导体产业

随着全球贸易摩擦持续和以美国为主导的逆全球化浪潮加剧，半导体作为信息产业的基石，近两年来一直是各国贸易战的焦点。以氮化镓（GaN）、碳化硅（SiC）为代表的第三代半导体材料及器件，已成为军民两大领域必不可少的战略物资，是各国竞相发展的战略制高点，正在向高能效、高功率、高耐压、高频率、耐高温、高集成度、小型化、多功能化等方向发展。

以美国为代表的发达国家为了抢占第三代半导体技术和产业的战略制高点，通过设立国家级创新中心、产业联盟等形式，将企业、高校、研究机构及相关政府部门有机联合在一起，加速并抢占全球第三代半导体市场。美、日两国在硅基半导体领先优势基础上，积极布局第三代半导体，不断增强其在该领域的世界垄断地位。

2018年，美国能源部（DOE）、美国高级研究计划局（DARPA）、美国国家航空航天局（NASA）和电力美国（Power America）等机构纷纷制定第三代半导体相关的研究项目，支持总资金超过4亿美元，涉及光电子、射频和电力电子等方向，以期保持美国在第三代半导体领域全球领先的地位。美国通过“下一代电力电子技术国家制造业创新中心”，以第三代半导体产业作为重振美国能源经济的重要抓手。美国能源部推出了以建立健全SiC产业链为目标的Power America项目，建设基于成熟CMOS（complementary metal-oxide-semicon-ductor）代工线的SiC生产线，资助高校和企业开展产业链各个技术节点的研发和人才培养，极大推动了SiC产业化进程。2019年，美国科锐公司宣布将投资10亿美元，在美国本土扩大SiC产能，到2022年增加30倍，建造一座采用最先进技术并满足车规级标准的8英寸功率和射频（RF）晶圆制造工厂。此外，欧盟先后启动了“硅基高效毫米波欧洲系统集成平台（SERENA）”项目和“5G GaN2”项目，以抢占5G发展先机。

进入2020，随着全球新冠疫情的爆发，美国技术封锁和贸易禁令的升级、日韩半导体产业之争的持续，欧洲、韩国半导体产业受到了直接的冲击，而与此同时，美国、日本也未能独善其身，从而意识到没有国家能在半导体技术和产业领域保持完全的自主可控。由此，2020年发达国家均不约而同将半导体技术和产业上升到国家安全战略层面，考虑以国家级力量进行技术研发、产业链发展、原材料、生产制造等多维度、全方位的部署抢占制高点。

2.1.2 技术和产品商业化加速

2.1.2.1 SiC技术和产品进展

SiC衬底方面，国际上6英寸SiC衬底产品实现商用化，主流几大厂家均推出8英寸衬底样品，微管密度达到0.6cm^-2，预计5年内8英寸将全面商用。目前国外从事SiC单晶生长研究的企业主要包括美国的Cree|Wolfspeed，Dowcorning、II-VI；德国的SiCrystal（被日本ROHM收购）；瑞典的Okmetic；日本的Showa Denko.Cree|Wolfspeed、II-VI等国际龙头企业已开始投资建设8英寸SiC晶片生产线，Cree|Wolfspeed预计将在2022年上半年开始量化生产。SiC外延方面，6英寸产品实现商用化，已经研制出8英寸产品，可满足中低压、高压、超高压功率器件制备要求。

SiC电力电子器件方面，6英寸产线工艺成熟，Cree|Wolfspeed II-VI正在投资建设8英寸生产线。SiC二极管量产产品的击穿电压主要分布在600V-3300V，电流覆盖2A-100A；SiC晶体管量产产品的击穿电压主要分布在650V-1700V，导通电流超过100A。

SiC二极管方面，2020年，国际上有超过20家公司量产SiC二极管系列产品，击穿电压主要分布在600V-3300V，单芯片导通电流最高达109A（Littelfuse，1200V/109A）。Mouser数据显示，2020年共有约800款SiCSBD产品在售，较2019年新增122款，中高压商业化产品逐年增多。其中，80%以上的产品耐压范围集中在650V和1200V；1700V的SiCSBD产品达到21款，与2019年相比新增6款，3300V SiC SBD产品约3款（GeneSiC，3300V/5A）。

SiC晶体管方面，2020年 国际上共有10余家公司推出211款SiCMOSFET系列产品，较2019年新增70款，击穿电压基本集中在650V和1200V。商业化产品单芯片导通电流最高达140A，较2019年（120A）有所提升；最高击穿电压达到6500V。

SiC功率模块方面，当前产品最高电压等级为3300V，最大电流700A，最高工作温度为175℃，功率范围为10kW-350kW，代表企业有Cree|Wolfspeed、Infineon、ROHM、安森美、三菱电机、富士申机、日立、Semikron等。在研发领域，SiC功率模块最大电流容量达到1200A，最高工作温度达到250℃，通过采用芯片双面焊接、新型互联和紧凑型封装等技术来提高模块性能。

2.1.2.2 GaN技术和产品进展

GaN单晶衬底方面，美、日、欧均已量产2英寸GaN单晶的制备，位错密度到106cm^-2，日本成功研制了4英寸GaN衬底，并突破了6英寸关键技术，代表企业有住友电工、三菱化学、古河机械等。GaN异质外延方面，各技术各线均有较大进展，关键驱动因素是技术稳定性和成本。

GaN电力电子器件方面，已经形成批量的GaN电力电子产品供货能力。国际上6英寸工艺产线成熟，Infineon正在投资建设8英寸生产线。面向消费类应用的低压器件（300V以下）、中压器件（600-900V）均具有量产能力但高压器件仍然较少。

GaN射频器件/模块方面，产品线持续扩充完善，各类技术并行发展。据Mouser和Dikey数据显示，截至2020年底，在售GaN射频器件和功率放大器共计519款，较2019年增加70款。GaN射频器件最高工作频率18GHz（Cree|Wolfspeed），输出功率最高达到1862W（Qorvo，1.0-1.1GHz）；GaN功率放大器最大功率达到800W，最大工作频率为38GHz SiC基GaN器件是射频市场主流产品和技术解决方案。

光电器件方面，国际Mini/Micro-LED技术取得了较快速的进展。巨量转移效率不断提升，产品持续创新，市场发展迅速，使2020年成为了Mini/Micro LED元年。ALLOS开发出200mm及300mm的GaN-on-SiMicro-LED晶圆、X-Display与Daktronics合作，加速巨量转移及显示应用技术开发、Plessey与Facebook合作打造Micro-LEDAR/VR显示应用，联手Compound Photonics开发0.26英寸Micro-LED显示器、三星推出多款Micro-LED显示器。但当前Micro-LED距离实现产业化，仍需解决高度一致性的外延技术、微米级的芯片制造工艺、超高效的巨量转移技术、全彩实现技术、TFT、驱动及背板设计、高效的坏点检测修复技术等难点。

2.1.3 龙头企业不断完善产业链布局

全球第三代半导体仍然由美日欧企业主导。据Yole数据显示，Cree|Wolfspeed、ROHM、Infineon、Mitsubishi和ST五家企业合计占有SiC功率半导体80%的市场份额，EPC、Transphorm、GaN system Infineon四家企业合计占有GaN功率半导体90%的市场份额，住友电工、Cree|Wolfspeed和Qorvo三家企业合计占有GaN射频85%的市场份额。

国际龙头企业大力完善产业布局，强化竞争优势。第一，国际企业上下游延伸趋势日益明显，全产业链布局进一步提升竞争优势Cree|Wolfspeed收购Infineon射频（RF）功率业务，强化了其在RE GaN on-SiC技术领域的领导地位，出售LED照明业务，专注第三代半导体；ROHM收购SiCrystal，上游延伸至SiC衬底；II-VI收购Ascatron AB和INNOViON Corporation建立SiC垂直集成平台，同时计划建立射频GaN-on-SiC技术平台；ST收购Norstel，上游延伸至SiC衬底。第二，国际企业已经完成大规模扩产，2020年-2022年产能将逐步释放。Cree|Wolfspeed在2024年前产能扩充30倍；ROHM在2024年前产能扩充16倍；II-VI计划产能扩充5-10倍；住友电工2020年产能较2017年扩大10倍.Cree|Wolfspeed、Infineon、ROHM、ST、X-Fab等大厂均已实现6英寸产线量产，预计2022年升级到8英寸产线。

国际企业上下游深化战略合作扩大自身优势，抢占市场份额。主要表现为：Cree|Wolfspeed、ROHM、II-VI等上游材料厂商产能呈大幅增长；中游Cree|Wolfspeed、ROHM、Infineon、ST等不断推出新的产品，并与上游企业合作，锁定货源，确保供应链稳定，提高市场竞争力；而下游方面，终端应用企业与中游器件企业合作趋势明显，以汽车集团牵头的车用半导体推进迅猛，第三代半导体正式进入汽车供应链。例如，Cree|Wolfspeed分别与Infineon、ST、Onsemi等中游企业签订长期供货协议，保证SiC衬底供给；特斯拉在其model3电机控制器的逆变器中采用了ST的SiC功率器件；德国大陆集团子公司Vitesco Technologies将为现代汽车提供800V碳化硅逆变器；CreeWolfspeed和Infineon分别与大众汽车合作，成为其FAST项目SiC合作伙伴。

2.1.4 市场规模持续增长

2.1.4.1 电力电子市场近9亿美元，价差进一步缩小

2020年，尽管新冠疫情对全球产业造成冲击，但半导体市场实现了强劲的增长。据美国半导体行业协会数据显示，全球半导体2020年市场规模达到4400亿美元，同比增长6.8%。新冠疫情居家办公推动了对手机、计算机、云基础设施的需求，拉动半导体市场增长。但同时，新冠疫情给汽车半导体带来消极影响，汽车半导体产能不足叠加汽车电动化对半导体需求增加的双重影响，造成全球汽车半导体芯片短缺。以SiC和GaN为代表的第三代半导体在新能源汽车、5G、光伏发电、PD快充等领域不断取得突破，2020年全球第三代半导体市场总体保持增长态势。

根据Yole和Omdia数据显示，到2020年底，碳化硅（SiC）和氮化镓（GaN）功率半导体的全球市场将增长到8.54亿美元，SiC电力电子市场规模约为703亿美元，GaN电力电子市场规模约为151亿美元。到2025年SiC电力电子市场规模将超过30亿美元，GaN电力电子器件市场规模将超过6.8亿美元。综合Yole、IHS、Gartner等多家分析机构数据及调研反馈，2020年全球功率半导体器件市场规模约为180~200亿美元，SiC、GaN电力电子器件渗透率约为4.2%~4.5%，较2019年提升一个百分点。

2020年，受疫情情影响，产品供货周期延长，但从全年情况来看，SiC电力电子器件价格进一步下降，与同类型Si器件价差缩小。SiC SBD产品价格略有下降，降幅较前两年有所收窄。据CASA Research调研，实际成交价低于公开报价。SiC MOSFET价格下降幅度达30%-40%，与Si期间价差收窄到2.5-3倍之间。GaN主流功率产品的价格下降超20%。

2.1.4.2 微波射频市场超8亿美元，价格略有上涨

Yole2020年数据显示，2020-2025年全球GaN射频器件的总体市场将以12%的年均复合增长率（CAGR）从8.3亿美元增长至超过20亿美元。其中，国防应用是GaN射频器件市场的最重要驱动力量，2020-2025年将以22%的年均复合增长率（CAGR）从3.4亿美元增长至超过11.1亿美元；5G基站建设是GaN射频器件市场的另一关键驱动力量，2020-2025年将以15%的年均复合增长率（CAGR）从3.7亿美元增长至超过7.3亿美元；GaN射频器件在无线宽带、射频能量、商业雷达等市场均呈现增长态势。

GaN射频器件价格略有上涨。从Mouser数据来看，RF GaN HEMT的价格微涨，产品平均价格为23.89元/W，较去年增长约3.44%。从2018年底至今，RF GaN HEMT与Si LDMOS的价差持续缩小，到2020年两者均价的价差已经缩小到2倍以内。而从实际成交价来看，据调研，以工作频率在3.3-3.6GHz的主流产品来看，均价在10元/W以内，在同等功率条件下，目前GaNPA价格比Si器件价格高30-40%。

2.2 国内第三代半导体产业进展

2.2.1 各级政策出台，科技支撑产业发展

“十三五”期间，科技部启动国家重点研发计划“战略性先进电子材料”重点专项，并将“第三代半导体与半导体照明”作为其核心方向之一进行部署，对第三代半导体材料、器件研发和应用给予了全面支持。

其中，基础前沿类型的任务有2016年立项的“大失配、强极化第三代半导体材料体系外延生长动力学和载流子调控规律”，以及2018年立项的“第三代半导体新结构材料和新功能器件研究”；关键技术类的有2016年立项的“第三代半导体固态紫外光源与紫外探测材料与器件关键技术”、“面向下一代移动通信的GaN射频器件关键技术及系统应用”、“高品质、全光谱半导体照明材料、器件、灯具产业化制造技术”，以及2017年立项的“新形态多功能智慧照明与可见光通信关键技术及系统集成”、“用于第三代半导体的衬底及同质外延、核心配套材料与关键装备”、“面向新一代通用电源的GaN电力电子关键技术”、“超高效能半导体光源核心材料、器件及全技术链绿色制造技术”；全创新链类的有2016年立项的“SiC电力电子材料、器件与模块及在电力传动和电力系统示范应用”，以及2017年立项的“半导体照明与生物作用机理及面向健康医疗和农业的系统集成技术与应用示范”。

2020年科技部启动“十四五”国家重点研发计划编制工作，第三代半导体列入“新型显示与战略性电子材料”重点专项进行重点支持，并已于2021年1月公示首批指南征求意见，首批第三代半导体方向中，共性关键技术类包括面向新能源汽车应用的SiC功率电子材料与器件，面向大数据中心应用的GaN基高效功率电子材料与器件，5G移动通讯基站用GaN基Sub-6 GHz及毫米波材料与器件研发，InGaN基长波段LED关键材料与器件技术，新结构、新功能微小尺寸LED材料与器件及其在通信/传感领域的应用，大尺寸SiC单晶衬底制备产业化技术，Micro-LED显示外延与芯片关键技术，高亮度高对比度全彩Micro-LED显示关键技术；基础研究类包括镓系宽禁带半导体新型异质结构高灵敏信息感知材料和器件；青年项目类包括中高压SiC超级结电荷平衡理论研究及器件研制，GaN基宽禁带半导体与Si半导体的单片异质集成方法与技术，GaN单晶新生长技术研究。

近年来，从中央到地方均对第三代半导体给予高度重视，纷纷出台相关扶持政策。中共中央、国务院于2019年12月印发的《长江三角洲区域一体化发展规划纲要》明确要求长三角区域加快培育布局第三代半导体产业，推动制造业高质量发展（表3）。2020年8月，国务院发布《新时期促进集成电路产业和软件产业高质量发展若干政策》，在财税、投融资、研究开发、进出口、人才、知识产权、市场应用、国际合作等8方面出台鼓励引导性政策。2021年3月，十三届全国人大四次会议通过了《中华人民共和国国民经济和社会发展第十四个五年规划和2035年远景目标纲要》，在“坚持创新驱动发展全面塑造发展新形势”的科技前沿领域攻关中明确提出发展碳化硅、氮化镓等宽禁带半导体。

此外，近年发布的第三代半导体产业相关政策还包括2020年2月广东省政府发布的《广东省加快半导体及集成电路产业发展若干意见》，2020年9月国家发展改革委、科技部、工业和信息化部、财政部联合发布的《关于扩大战略性新兴产业投资培育壮大新增长点增长极的指导意见》，广东省政府发布的《广东省培育前沿新材料战略性新兴产业集群行动计划（2021—2025年）》，2020年12月财政部、国家税务总局、国家发展改革委、工信部联合发布的《关于促进集成电路产业和软件产业高质量发展企业所得税政策的公告》等。

2.2.2 技术成果显著，市场应用开启

“十三五”期间，国家采取政策支持和一系列重大项目的实施，实现了中国在第三代半导体材料领域部分关键技术的突破，取得了一系列核心知识产权，为中国第三代半导体产业的发展奠定了基础。第三代半导体应用市场已经开启，产品渗透速度加快，应用领域不断扩张，汽车电子、5G通信、快充电源及军事应用等几大动力带领市场快速增长。整合并购频发，资金加速进入，涉及金额超过100亿美元。

中国电力电子和微波射频产业尚处于起步阶段，初步形成从晶体生长到器件研发制造的产业链。SiC衬底方面，国内仍然是以4英寸（1英寸=25.4mm）为主，目前已经开发出6英寸导电型SiC衬底和高纯半绝缘SiC衬底，北京天科合达半导体股份有限公司、山东天岳先进科技股份有限公司、河北同光晶体有限公司、山西烁科晶体有限公司等公司已实现小批量供货。SiC外延片方面，国内的瀚天天成电子科技、厦门东莞天域半导体材料有限公司等已批量生产6英寸SiC外延片，涵盖600~1700V SiC电力电子器件用材料。GaN衬底方面，国内的苏州纳维、东莞中镓已开始批量生产2英寸衬底，具备4英寸衬底生产能力，并开发出6英寸样品。GaN外延方面，国内已经能在8英寸Si衬底上生长垂直耐压超过1000V的用于功率开关器件的GaN外延片，SiC和蓝宝石衬底的GaN外延片的尺寸可达6英寸。中国南车株洲电力机车有限公司、中国电子科技集团有限公司、全球能源互联网研究院、三安光电股份有限公司、上海积塔半导体有限公司、泰科天润半导体科技（北京）有限公司等企业建设了6英寸SiC电力电子器件工艺线，基本完成调试流片。以此为契机，将极大推动中国SiC从材料、工艺、封装到系统应用技术的创新和发展，并孵化出基本半导体、瞻芯电子等一批器件设计团队。

到目前为止，国内多家企业和机构已实现600~3300V的SiC肖特基二极管量产，处于用户验证阶段；开发出1200~3300V的SiC MOSFET原型器件，产品目前主要在国外少量代工，未形成批量供货能力。进口的SiC功率器件已经批量应用于功率因数校正器（power factor corrector，PFC）电源、不间断电源（uninterruptible power supply，UPS）、光伏逆变器、充电桩和车载充电机（华为和比亚迪已采用）。GaN电力电子器件方面，英诺赛科（珠海）科技有限公司等国内企业已经推出耐压650V的Si基GaN功率器件产品。GaN射频器件方面，以高频高效大功率的特点广泛应用于雷达、电子战等军工领域，中国电子科技集团已形成系列化GaN微波功率器件和单片微波集成电路（MMIC）产品，采用国产GaN射频器件的军用雷达装备水平达到国际领先，同时已被采用进行5G通信基站的研发，开始实现国产替代。苏州能讯高能半导体有限公司、三安集成电路有限公司也已建成GaN射频器件工艺线，正在推出产品。在紫外发光和探测方面，275nm的深紫外LED在100mA下的发光功率已达40mW，杀菌率达99%，国内已初步形成深紫外LED装备、材料、器件和应用较完整的产业链；基于SiC和GaN的紫外探测器已实现产业化，紫外焦平面成像技术已应用到星载海洋环境监测，紫外雪崩光电二极管（APD）研究水平与国际同步，紫外单光子探测效率已突破10%。金刚石/氧化镓等超宽禁带半导体材料和器件研究已取得一系列在国际上有影响的基础研究成果。

中国已成为全球最大的半导体照明生产、消费和出口国，LED全产业链自主可控，正在向智慧、健康、下一代显示发展并与微电子深度融合，新兴应用市场加快启动。2020年受新冠肺炎疫情影响，国内外宏观经济下调。在此背景下，LED行业需求端虽然从二季度开始逐步回暖，但全年来看，产业整体规模呈现负增长态势，但随着二、三季度中国全面复工复产和经济回暖，半导体照明行业降幅逐渐收窄。2020年中国大陆整体产值预计7013亿元，较2019年下降7.1%。其中上游外延芯片规模约221亿元，中游封装规模825亿元，下游应用规模5967亿元。中国作为全球半导体照明最大生产、消费、出口国的地位日益稳固，树立了产业链、供应链优势。

“十四五”期间半导体照明行业全面转向应用驱动技术创新。在芯片和封装环节，技术演进的主要方向主要体现在以下2个方面：

（1）光效提升的焦点向长波长和短波长方向演进。紫外LED，特别是UVB/UVC LED位错密度降低和光提取率提高是研究重点；红光芯片特别是小尺寸的显示用芯片、红外LED芯片光效提升成为技术创新重点。

（2）通用照明芯片、白光器件技术创新的焦点不再是单纯追求更高光效，更重要的是通过实现全光谱以及光谱的可调可控等方式以达到高品质健康照明的需求。

在市场方面，通用照明成为市场压舱石，非功能性照明和创新应用不负众望，成为重要市场驱动力。在通用照明领域，高光品质、智能照明产品将在消费升级市场加速渗透；工业、商业照明以及体育场馆、舞台照明等专业照明领域的门槛较高，未来市场和利润空间仍然较大；室内外智能照明市场将保持高速增长，特别是5G网络加速建设将推动LED多功能灯杆在智慧城市中发挥重要的载体作用。在非功能性照明和创新应用领域，Mini-LED背光和显示市场大幕已开，将持续高速增长，TCL科技集团股份有限公司、京东方科技集团股份有限公司、利亚德光电集团、三安光电股份有限公司等行业龙头企业均重点布局，陆续推出产品；在车用LED方面，大陆和台湾地区厂商在前期技术积累和供应链突破的基础上，有望从本土品牌整车供应链切入，逐渐在前装市场站稳脚步；后疫情时代，LED在农业光照、紫外应用、红外应用、医疗应用等创新应用市场将是成长性最高的领域。

2.2.3 投资前景广阔，备受资本青睐

近2年国内第三代半导体产业投资热度居高不下，大量资金进入带动新增和扩产项目数量、金额快速增长，行业外企业也积极通过并购进入第三代半导体领域。华为旗下哈勃投资自2019年4月成立以来已经对外投资了29家半导体相关企业，其中包括瀚天天成电子科技（厦门）有限公司、北京天科合达半导体股份有限公司、山东天岳先进科技股份有限公司等第三代半导体产业链龙头企业，计划强势进入功率半导体及射频领域。TCL科技集团股份有限公司、康佳集团股份有限公司、OPPO广东移动通信有限公司、小米科技有限责任公司等企业都宣布要布局发展功率器件和第三代半导体领域。2020年6月，闻泰科技股份有限公司（以下简称闻泰科技）完成收购安世半导体（中国）有限公司（以下简称安世半导体），成为国内最大的半导体上市公司，将重点发展第三代半导体器件业务，其中珠海格力电器股份有限公司出资30亿元参与闻泰科技收购安世半导体，进军上游芯片产业。据第三代半导体产业技术创新战略联盟（下简称“联盟”）不完全统计，2020年有17家半导体企业陆续登陆科创板，其中有5家企业计划布局第三代半导体，分别为无锡芯朋微电子股份有限公司、株洲中车时代电气股份有限公司、北京芯愿景软件技术股份有限公司、常州银河世纪微电子股份有限公司和无锡新洁能股份有限公司。

 

 

三、第三代半导体产业发展的挑战

3.1 第三代半导体产业潜在风险

半导体产业是当前美国对华技术封锁的重点领域，已经成为中国“短板”中的重灾区，目前汽车、高铁、电网等应用领域的功率半导体基本依靠进口，高端器件禁运、采购成本高、供货周期不稳定等问题突出。特别是核心材料和关键装备主要依靠美国、日本进口，在当前国际形势下，对中国产业链安全构成重大风险。华为通信基础设施中核心射频功放器件高度依赖美国供应商，受美国制裁后转向日本供应商和培育国内供应商，但美国又从核心装备角度提出禁令，限制中国战略性新兴产业的应用引领。

2018年，美国明确把碳化硅、氮化镓等材料列入301管制技术清单，美国商务部将第三代半导体材料和芯片企业列入制裁名单。2020年2月，美国及日本等42个加入《瓦森纳协定》的国家，决定扩大出口管制范围，新追加了可转为军用的半导体基板制造技术等，防止技术外流到中国等地。美国对华为、中兴的一系列禁令、台积电被迫到美国建厂，核心都是对半导体材料、芯片技术和产业的垄断。

过去中国信息、能源、交通等产业发展一直受益于良好的国际环境，可以从国外采购核心技术、材料和器件，促进了中国在系统和应用层面的快速增长。但另一方面，中国在半导体材料和器件层面的产出得不到市场的支持和检验，这方面的研究积累和工程化经验与国际有较大差距，持续创新能力差。在国家科技计划的支持下，中国已经建立了一定规模的科研团队，但偏重于文章和专利的产出，同质化强，颠覆性创新、核心创新能力不足，科技对产业的供给能力不够。大量中小企业技术与资本沉淀不足，技术研究投入有限，在与实力雄厚的国际大企业竞争中劣势明显。

中国产业发展初期主要是通过低成本来替代中低端需求，随着进入更高层次的自主发展模式，面临美国的制裁打压，中国半导体产业生态必须转向科技创新引领模式，亟需优化整合技术、人才、平台、资本等要素配置，实现技术创新体系的建立和产业创新生态的完善。要充分发挥中国超大规模市场优势，创造有利于新技术快速大规模应用和迭代升级的环境，加速实现第三代半导体在信息、能源、交通、先进制造等领域的自主可控。

3.2 中国在第三代半导体技术创新和产业化的主要问题

半导体产业研发投入周期长，技术更新快，全球充分竞争，先行者有成本和供应链优势，持续盈利支撑技术不断进步，产业后进入者追赶难度大。一方面，以美国为主导的逆全球化浪潮加剧、贸易战频发，全球产业链供应链因非经济因素而面临冲击，中国亟需摆脱依赖；另一方面，5G、人工智能、新能源等发展提速，对半导体需求猛增，产业的关注度日益增高，国产化替代成为发展趋势，也出现了各地方半导体项目一哄而上、部分低水平重复的现象，第三代半导体相关项目估值过高，造成了非理性的市场表现和资源浪费。

中国在第三代半导体技术创新和产业化方面主要存在以下4个问题。

第一，原始创新和面向应用的基础研究能力较弱。相较于发达国家从国家战略层面长期稳定的支持，中国研发投入的力度不够，不集中、不持续，尚未形成持续创新的能力和人才供给体系。

第二，创新链条没有打通，低水平同质竞争严重。整体产业化水平较弱，特别是在基础材料和关键装备方面严重受制于人，应用端与核心材料、器件分离，缺乏有能力落实全链条部署、一体化实施的牵头主体。

第三，缺乏开放的、公益性的、链条完整的、装备条件先进的第三代半导体研发中试线。第三代半导体研发和产业化需要昂贵的生长和工艺设备、高等级的洁净环境和先进的测试分析平台，投入较大，运行成本高，国内研究机构、企业单体规模小，资金投入有限，导致研发创新速度慢，工程化技术成为突出的短板。

第四，国产材料和器件进入应用供应链难。半导体在应用系统中成本占比低，但性能和可靠性要求高，国产材料和器件进入应用供应链难度大、周期长，没有机会通过应用验证进行迭代研发，产业化能力提升慢。

四、保险资金半导体产业投资机会分析

保险资金当前正趋向“资产荒”下的资产配置偏债化，由此面临投资收益不及预期带来的资产负债错配风险。保险资管应更重视权益类资产的战略配置价值，从根本上降低资产负债错配风险。随着当前中国宏观经济格局发生的变化，权益投资要把研究下沉到赛道，下沉到产业。险资要关注和布局第三代半导体等支持国家科技自主的细分赛道，充分发掘相关领域投资机会，拓宽长周期股权投资渠道，穿越短期的波动，降低资金错配风险。

4.1 第三代半导体先天性能优越，市场空间巨大

与第一代的Si、Ge和第二代的GaAs、InP相比，GaN和SiC具有禁带宽度大、击穿电场强度高、电子迁移率高、热导电率大、介电常数小和抗辐射能力强等特点，具有强大的功率处理能力、较高的开关频率、更高的电压驱动能力、更小的尺寸、更高的效率和更高速的散热能力，可满足现代电子技术对高温高频、高功率、高辐射等恶劣环境条件的要求，先天性能优越。第三代半导体下游应用领域广阔，据CASA Research数据，消费类电源、工业及商业电源、不间断电源UPS和新能源汽车为SiC、GaN电子电力器件的前四大应用领域，分别占比28%、26%、13%和11%，随着下游终端需求不断向好，第三代半导体的需求亦有望持续释放。同时叠加国家政策对第三代半导体发展的大力支持，行业潜在市场空间巨大，据《2020“新基建”风口下第三代半导体应用发展与投资价值白皮书》指出，2019年我国第三代半导体市场规模为94.15亿元，预计2019-2022年将保持85%以上平均增长速度，到2022年市场规模将达到623.42亿元。

4.2 第三代半导体国产替代空间广阔

从GaAs、GaN和SiC市场竞争格局来看，目前化合物半导体产业链各环节以欧美、日韩和中国台湾企业为主，大陆企业在技术实力、产能规模和市场份额方面与领先企业均具有不小差距，市场话语权较弱。以GaN为例，GaN器件产业链包括上游衬底及外延片、中游器件设计与制造和下游产品应用等环节，目前行业模式以IDM为主，但设计与制造环节已开始出现分工。其中，住友电工在GaN衬底领域一家独大，市场份额超过90%，外延片龙头包括IQE、COMAT等；GaN制造环节代表性企业包括稳懋、富士通和台积电，大陆方面以三安光电为代表。考虑到国家政策对第三代半导体的大力扶持，以及大陆厂商在第三代半导体领域上的布局奋起直追，后续国产替代空间广阔，相关厂商有望迎来较好的发展机遇。

4.3 第三代半导体产业链龙头企业分析

碳化硅产业链环节分为设备、衬底片、外延片和器件环节。从事衬底片的国内厂商主要有露笑科技、三安光电、天科合达、山东天岳等；从事碳化硅外延生长的厂商主要有瀚天天成和东莞天域等；从事碳化硅功率器件的厂商较多，包括比亚迪半导体、闻泰科技、华润微、士兰微、斯达半导、扬杰科技、泰科天润等。

氮化镓产业链分为衬底、外延片和器件环节。尽管碳化硅被更多地作为衬底材料（相较于氮化镓），国内仍有从事氮化镓单晶生长的企业，主要有苏州纳维、东莞中镓、上海镓特和芯元基等；从事氮化镓外延片的国内厂商主要有三安光电、赛微电子、海陆重工、晶湛半导体、江苏能华、英诺赛科等；从事氮化镓器件的厂商主要有三安光电、闻泰科技、赛微电子、聚灿光电、乾照光电等。

4.3.1 CREE：全球碳化硅市场龙头

科锐（CREE）成立于1987年，是美国上市公司（1993年，纳斯达克：CREE），为全球LED外延、芯片、封装、LED照明解决方案、化合物半导体材料、功率器件和射频于一体的著名制造商和行业领先者。

CREE是全球碳化硅市场龙头企业，子公司Wolfspeed从事碳化硅、氮化镓等宽禁带半导体衬底、功率器件、射频器件等产品的技术研究与生产制造。CREE占据导电型SiC衬底市场62%的份额，其碳化硅衬底产品包括4英寸至6英寸导电型和半绝缘型，8英寸产品且已成功研发并开始建设生产线。2017-2019年Wolfspeed营收持续增长，分别为2.21、3.29、5.38亿美元，2020年受疫情影响收入有所下降，为4.71亿美元。

4.3.2 三安光电：化合物半导体全产业链布局

三安光电股份有限公司成立于2000年11月，坐落于美丽的鹭岛厦门，是国内的全色系超高亮度LED外延及芯片产业化生产基地，是国家发改委批准的“国家高技术产业化示范工程”、国家科技部及信息产业部认定的“半导体照明工程龙头企业”，主要从事全色系超高亮度LED外延片、芯片、Ⅲ-Ⅴ族化合物半导体材料、微波通讯集成电路与功率器件、光通讯元器件等的研发、生产与销售。

子公司三安集成承接化合物半导体业务，布局砷化镓、氮化镓、碳化硅、光通讯和滤波器五大板块。三安集成2018-2020年收入分别为1.71、2.41、9.73亿元。公司碳化硅业务布局衬底、外延、器件全产业链，主要应用在光伏和储能等领域，应用包括服务器电源、矿机电源、新能源汽车等。

从碳化硅衬底布局情况来看，湖南三安收购北电新材，北电新材2019年拟在福建投资建设碳化硅衬底生产项目，规划年产能3.6万片。公司在长沙投资建设碳化硅等化合物第三代半导体等的研发及产业化项目，是国内首条碳化硅垂直整合产业链，月产3万片（6英寸），预计将实现年销售额120亿元。

4.3.3 露笑科技：专注导电型SiC衬底，项目进展顺利

露笑科技股份有限公司是露笑集团控股的一家全资子公司，位于浙江资本市场第一镇诸暨市店口镇。公司创建于2003年，2008年5月变更为露笑科技股份有限公司，是一家专业从事铜芯、铝芯电磁线生产与销售的规模企业。2011年9月在深交所上市。

公司是国家重点高新技术企业、中国机械500强、浙江省最具成长力企业之一，下辖十多家子公司。公司主要产品有200级复合漆包铜圆线、变频漆包铜圆线、自粘漆包铜圆线、耐电晕漆包铜圆线、220级漆包铝圆线，以及各种规格的超微细漆包线。

公司依托蓝宝石业务积累，研发碳化硅长晶设备，专注于导电型碳化硅衬底片和外延片的生产和销售。2021年6月，一期项目点亮100台长晶炉，对应衬底片年产能4.8万片，约合收入3.12亿元。

4.3.4 山东天岳：国内半绝缘型SiC衬底龙头

山东天岳先进科技股份有限公司成立于2010年11月，是一家专注于宽禁带（第三代）半导体碳化硅衬底材料研发、生产和销售的科技型企业，是国家制造业单项冠军示范企业、国家专精特新“小巨人”企业、国家知识产权优势企业、独角兽企业。

公司主要产品包括半绝缘型和导电型碳化硅衬底，可应用于微波电子、电力电子等领域。经过十余年的技术发展，公司已掌握涵盖了设备设计、热场设计、粉料合成、晶体生长、衬底加工等环节的核心技术，自主研发了不同尺寸半绝缘型及导电型碳化硅衬底制备技术。

根据国际知名行业咨询机构Yole的统计，2019年及2020年公司已跻身半绝缘型碳化硅衬底市场的世界前三。2018-2020年，公司收入逐年增长，2020年实现营收4.25亿元，净利润水平下降系公司实施股权激励所致。2019年公司确认股份支付费用2.36亿元，2020年确认6.58亿元。扣除股份支付费用后，2019年公司实现净利润3561万元，2020年实现净利润1680万元。

山东天岳的碳化硅衬底主要为半绝缘型，业务占比为82%，2020年实现收入3.49亿元。由于碳化硅下游产品的发展及生长工艺的成熟，带动公司毛利率不断上升，2019年山东天岳毛利率为26.62%。

4.3.5 天科合达：国内导电型SiC衬底龙头

北京天科合达半导体股份有限公司成立于2006年9月，由新疆天富集团、中国科学院物理研究所共同设立，是一家专业从事第三代半导体碳化硅（SiC）晶片研发、生产和销售的高新技术企业。公司为全球SiC晶片的主要生产商之一。

目前公司拥有一个研发中心和三家全资子公司，产业涵盖碳化硅单晶炉制造、碳化硅单晶生长原料制备和碳化硅单晶衬底制备。总部公司设在北京市大兴区生物医药基地，拥有一个研发中心和一个集晶体生长-晶体加工-晶片加工-清洗检测的全套碳化硅晶片生产基地；三家全资子公司分别位于辽宁沈阳市、新疆石河子市和江苏徐州市。

公司被认定为“国家高新技术企业”、“北京科技研究开发机构”；先后承担国家科技部科技支撑计划、863计划、02重大专项等多个国家部委、北京市重点科技攻关项目和新疆建设兵团重大研究计划等项目数十项。

自2009年以来，天科合达公司连续被国际著名半导体咨询机构YOLE公司列为全球碳化硅晶片主要制造商之一。2016-2019年，公司营业收入高速增长，2019年实现收入1.55亿元，近4年复合增长率达128%。2018年公司扭亏为盈，实现净利润194.40万元，2019年净利润为3004.32万元。

天科合达的碳化硅衬底主要为导电型，业务占比为48%，2019年实现收入0.74亿元。碳化硅单晶生长炉是天科合达的一项主营业务，占比为15%，该业务近年来收入快速增长，2019年实现收入0.24亿元。2019年天科合达毛利率为19.46%。

4.3.6 晶盛机电：由设备端切入碳化硅领域

浙江晶盛机电股份有限公司创建于2006年12月，是国内领先的半导体材料装备和LED衬底材料制造的高新技术企业，于2012年在创业板上市。

晶盛机电围绕硅、碳化硅、蓝宝石开发出一系列关键设备，并适度延伸到材料领域。在半导体产业实现8-12英寸大硅片制造用晶体生长及加工装备的国产化，并取得半导体材料装备的领先地位；成功掌握国际领先的700kg级超大尺寸泡生法蓝宝石晶体生长技术，蓝宝石材料业务具备较强的成本竞争力并逐步形成规模优势；在工业4.0方向，集团为半导体产业、光伏产业和LED产业提供智能化工厂解决方案，满足了客户对“机器换人+智能制造”的生产模式需求。

从设备端切入碳化硅领域。公司已经开发出碳化硅长晶炉、外延设备，其中碳化硅长晶炉已经交付客户使用，外延设备已通过客户验证。公司的碳化硅长晶炉已成功生长出6英寸碳化硅晶体，同时8英寸碳化硅晶体生长已在研发中。

第三代半导体是5G/6G移动通信、新能源汽车、高速列车、智能电网等产业创新发展的核心材料与器件，是全球技术前沿和产业竞争焦点，国际高端材料禁运等问题对产业安全构成极大风险。“十四五”是中国第三代半导体产业发展的关键窗口期，能否建立长期战略优势至关重要，保险资金应着眼长远、把握大势，抓住第三代半导体产业投资机遇，做好产业投资布局。