1.2.高功率+高频率+高温+高电压，第三代半导体（SiC 和 GaN）物理性能 优异。

1）第三代半导体作为宽禁带材料，具有四大特性：大带隙、大载流 子漂移速率、大热导率和大击穿电场；

2）做成的器件对应有四高性能：高 功率、高频率、高温和高电压；

3）制造的装备系统对应有四小优点：小能 耗、小体积、小体重和小成本（暂未实现）。

4）在半导体照明、新一代移动 通信、能源互联网、高速轨道交通、新能源汽车、消费电子等领域有广 阔的应用前景。

 

1.3.SiC 和 GaN应用各有侧重，SiC 为宽禁带核心材料：SiC 和 GaN 是应用 最广、发展最快的第三代半导体材料，光电子领域主要是 GaN 的应用， 涉及 LED、LD 及光探测器，热门赛道是 Micro-LED 和深紫外 LED。

1) 电力电子领域：SiC 适合中高压，GaN 适合中低压，二者在中压领域竞 争（650-1200V，汽车和光伏），热门赛道是 SiC SBD、MOSFET 和 GaN HEMT 等。

2)微波射频方面：SiC 基 GaN-HEMT 已占据 5G 基站功率放 大器半壁江山。现阶段，SiC 质量远高于 GaN，占据了近 90%的第三代 半导体电力电子器件市场。

3）SiC 不同晶体结构性能各异，4H-SiC 综合性能最佳。SiC 由于 C 原子和 Si 原子结合方式多样，有 200 多种同质异型晶体结构，其中 6H-SiC 结 构稳定，发光性能好，适合光电子器件；3C-SiC 饱和电子漂移速度高， 适合高频大功率器件；4H-SiC 电子迁移率高、导通电阻低、电流密度高， 适合电力电子器件。

4）4H-SiC 是目前综合性能最好、商品化程度最高、 技术最成熟的第三代半导体材料，是制造高压、高温、抗辐照功率半导 体器件的理想材料。SiC的热、物理、化学性质很稳定：热导率[84W/(m·K) 超过铜，约为硅的 3 倍；禁带宽度约为 Si 的 3 倍，击穿电场强度高于 Si 一个数量级，饱和电子漂移速度是 Si 的 2.5 倍，2000℃时导电性与石墨 相当；耐腐蚀性非常强，表面 SiO2 薄层防止进一步氧化，室温下可 以抵抗任何已知的腐蚀剂。1.4. SiC 功率器件性能优越，有望实现对硅基器件的替代：继承 SiC 材料优点，SiC 器件兼具高性能和低损耗。SiC 器件基于 SiC 材料，在效能提升和损耗控制上相比硅基器件均有优势，具体体现在：

 1）更高的耐压性和耐高温性。SiC 材料击穿电场强度是Si 的 10 余倍， 能承受更大的工作区间和功率范围。SiC 热导率约为 Si 的 3 倍，更高的 热导率可以带来功率密度的显著提升，同时散热性能更好，散热系统的 设计更简单，或者直接采用自然冷却。

 2）更高的工作频率。SiC 材料饱和电子漂移速率为 Si 的 2.5 倍，导通电 阻更低，导通损耗低；SiC 器件（SBD 和 MOSFET）能够克服 IGBT 器 件在关断过程的电流拖尾现象，降低开关损耗和系统损耗，大幅提高实 际应用的开关频率。

3）更低的能耗和更小的尺寸。SiC 材料击穿电场强，可以更高的杂质浓 度和更薄的漂移层，制作导通电阻非常低的耐高压大功率器件。根据 Rohm 测算，理论上相同规格 SiC-MOSFET 导通电阻可降为硅基 MOSFET 的 1/200，尺寸降低为 1/10；使用 SiC-MOSFET 的逆变器的系 统能耗，小于使用同规格 Si-IGBT 逆变器能耗的 1/4。

1.5.SiC材料适用于制造功率器件和射频器件，新能源汽车+光伏驱动功率 器件快速发展。SiC 衬底可分为导电型衬底和半绝缘型衬底，从电化学 性质差异来看，导电型衬底电阻率区间为 15~30Ω·cm，半绝缘型衬底电 阻率高于 105Ω·cm。导电型衬底生长 SiC 外延层后可用于制造各类功率器件，半绝缘型衬底生长 GaN 衬底后可进一步用于制造各类微波射频器 件。近几年，由于新能源汽车、光伏、智能电网等行业兴起，拉动 SiC 功率器件市场快速增长。

1.6.SiC功率器件主要包括二极管和晶体管，有望实现对硅基器件的替代。 功率器件主要用于电力电子设备电能管理，由于 Si 硅材料物理性质限 制，依靠 Si 器件完善来提高装置和系统性能的潜力有限，而 SiC 功率器 件由于出色的高压、高频、高温和低损耗性能，非常具有应用前景。SiC 功率器件按类型主要可以划分为功率二极管和功率晶体管，功率二极管 有三种类型：肖特基二极管（SBD）、PiN 二极管和结势垒控制肖特基二 极管（JBS）；功率晶 体管主要包括金属氧 化物半导体场效应 管 （MOSFET）、结型场效应管（JFET）、双极性晶体管（BJT）、绝缘栅双 极晶体管 （IGBT）和晶闸管（Thyristor）。二极管、MOSFET 和 IGBT 是应用最广泛且性能指标先进的功率半导体，SiC-SBD 于 2001 年开始 商用；SiC-MOSFET 于 2010 年开始商用，已经是 SiC 功率器件最大市 场；SIC-IGBT 由于研发起步晚，目前尚未实现产业化。

1.7.SiC-SBD 替代目标为高压（≥600V）的硅基快速恢复二极管（Si-FRD）。 SiC-SBD 与 Si-SBD 结构基本相同，本质是金属和半导体材料接触时， 在界面半导体处的能带弯曲形成肖特基势垒，因此 SiC-SBD 继承了 SiSBD 的优点：TRR 高速性、低恢复损耗、反向电流小、可实现小型化和 高频工作等。由于 SiC 材料耐压、耐高温，SiC-SBD 基本不存在温度依 赖性，还将 SBD 应用范围从 250V 提升到 1200V，部分产品电压达到 1700/3300V。SiC-SBD 仅电子移动产生电流，Si-FRD 利用 PN 结二极管 通过电子和空穴（孔）产生电流，关断速度慢、TRR 特性较差且损耗较 大。现阶段，SiC-SBD 在部分高压硬开关拓扑的应用中（通信/服务器/工 业/汽车 AC-DC 电源换流二极管，变频器/逆变器续流二极管等）对 SiFRD 形成替代，SiC-PiN 和 SiC-JBS 相比硅基器件耐压性、耐高温性和 高频性等更好。英飞凌、罗姆、科瑞和意法半导体产品种类占比达 53%， 国内已实现 600V~1700VSiC 二极管产品批量销售，代表企业为中电科 55 所、泰科天润、世纪金光、国联万众等。

1.8.SiC-MOSFET 替代目标为高压（≥650V）的 Si-MOSFET 和 IGBT。 MOSFET 是通过给金属层(M-金属铝)栅极和隔着氧化层(O-绝缘层SiO2) 源极施加电压，产生电场来控制半导体(S)导电沟道开关的场效应晶体管 （FET）。MOSFET 优点在于开关速度快（几十至几百纳秒）、开关损耗 很小、稳定性高，缺点在于高压环境下电阻增大，传导损耗增大。在 650V 以上高压下，Si 材料导通电阻很大，因此常采用 IGBT 结构调制电导率 以降低导通电阻，缺点是在关断时产生拖尾电流，开关损耗较大。SiCMOSFET 继承了硅基器件的优异特性，关断损耗和导通损耗很小，同时 由于漂移层更薄、导通电阻极低、耐压性更好，不会产生拖尾电流，而 且可以实现高频驱动，有利于电路节能和散热设备及被动设备的小型化。 目前市场上共有 180 余款 SiC-MOSFET 系列产品，科瑞和罗姆产品占比 达 43%，击穿电压 650V~1700V，导通电流超过 100A；国内目前处于起 步阶段，中电科 55 所、泰科天润、世纪金光、基本半导体、国联万众等 企业已推出产品，击穿电压集中在 1200V。