未来可期，2023中国功率半导体和第三代半导体发展现状和前景分析

功率半导体

功率半导体，又称电力电子器件或功率电子器件，是电子产业链中最核心的器件之一，能够实现电能转换和电路控制，在电路中主要起着功率转换、功率放大、功率开关、线路保护、逆流及整流等作用。功率半导体包括功率半导体分立器件以及功率IC等。根据Omdia统计，2022年全球功率半导体市场规模达481亿美元，预计至2024年将增长至522亿美元，年复合增长率约为5.46%，增长平稳。中国作为全球最大的功率半导体消费国，贡献了约40%的功率半导体市场。

MOSFET和IGBT为功率半导体产品主力，截至2022年上半年，两者分别占比41%和30%。MOSFET具有输入阻抗高、噪声低、热稳定性好、制造工艺简单和辐射强等优点，通常被用于放大电路或开关电路。IGBT由BJT和MOSFET组合而成且兼具两者优点，即高输入阻抗、低导通压降、驱动功率小而饱和压降 低等。目前，MOSFET和IGBT被广泛应用于消费电子、新能源汽车及光伏等领域。

MOSFET按照不同的工艺可分为平面型Planar MOSFET、沟槽型Trench MOSFET、屏蔽栅SGT MOSFET和超级结SJ MOSFET。按照导电沟道可分为N沟道和P沟道，即N-MOSFET和P-MOSFET。自上世纪70年代MOSFET诞生以来，产品不断迭代，其迭代方向主要围绕制程、设计(结构上变化)、工艺优化以及材料变更，以实现器件的高性能——高频率、高功率和低损耗等。

MOSFET应用前景广阔，市场规模不断增长。据Yole预测，到2026年，全球MOSFET(包括分立器件和模块)市场总规模预计将达到160.6亿美元，2019年至2026年复合增长率达11.2%。到2026年，国内MOSFET市场规模将达到69.5亿美元。

全球MOSFET市场仍由欧、美、日等海外巨头垄断且头部厂商竞争格局稳定，英飞凌为全球MOSFET器件龙头供应商。但近年来，海外巨头市场份额呈现下降趋势，国产化趋势明显。国内方面，华润微、士兰微、新洁能、东微半导和扬杰科技排名前五，但头部效应 较弱。未来，随着下游需求提升和行业重视度提升，国产化替代速度有望进一步加快。

自问世以来，IGBT不断进行技术迭代，主要向着降低开关损耗和创建更薄的结构方向改善和发展。其在纵向结构、栅极结构以及硅片加工工艺方面不断升级改进，共经历了七次大型技术演变，各项指标在演变中不断优化。目前，IGBT芯片已经迭代至第七代精细沟槽栅场截止型IGBT，但考虑成本后，应用最广泛的仍是IGBT第四代产品。

IGBT技术迭代主要围绕两个层面展开。首先，围绕正面的MOS结构，IGBT经历了从Planar(平面栅)-Trench(沟槽栅)-Micro Trench(微沟槽栅)的发展历史，开关损耗不断减小。同时，围绕体结构，IGBT经历了从PT(穿通)-NPT(非穿通)-FS/SPT/LPT(软穿通)的发展历史，耐压逐渐提高，饱和压降不断下降，静态和动态损耗不断下降，芯片尺寸不断减小。

全球IGBT市场规模持续增长。根据Yole预测，至2026年，全球IGBT市场规模将达到121亿美元，2019年至2026年复合增长率达13.1%。中国是全球IGBT最大的消费市场，根据预测，至2026年，国内IGBT市场规模将达到35亿美元。

全球IGBT市场主要被欧、日厂商占据，国产化空间仍十分广阔。根据Omdia数据显示，2021年在分立器件IGBT领域，全球龙头英飞凌占据近30%市场份额，英飞凌与富士电机、三菱电机市场合计占比超50%。国内厂商中，士兰微、斯达半导体及时代电气发展较快。当前，IGBT国产化率较低，但伴随国内市场新能源、光伏等下游行业的发展和国内产业链自主可控的要求，国产化率将进一步提升。

从下游IGBT需求结构来看，我国IGBT需求结构与全球市 场不同，新能源汽车、消费电子(统计口径包括家电)和工控是IGBT需求占比最大的三个下游领域，分 别占比31%、27%和20%。我国IGBT在新能源领域的应用占比远超全球平均水平，主要受益于国家“双碳”战略，新能源领域需求旺盛，导致IGBT用量大幅增加，是我国IGBT需求增长的主要驱动力。

车规级IGBT模块是新能源汽车的电机控制器、高压充电机、空调系统等电气组件的核心元器件，IGBT直接控制驱动系统直、交流电的转换，同时负责电机变频控制。因此车规级IGBT的技术水平影响新能源汽车驱动系统的扭矩、最大输出功率及动力释放速度等。另外，IGBT在智能充电桩中被作为开关元件使用。IGBT模块约占电动汽车成本的10%，约占充电桩成本的20%。

车规级IGBT产品对可靠性要求极高，主要体现在产品技术和封装技术维度。目前，车规级IGBT产品需满足新汽车级标准LV324/AQG324、中国IGBT联盟和中关村宽禁带联盟等团体标准以及客户认证标准。一般来说，认证周期在3-5年。

IGBT是光伏逆变器的“心脏”，在光伏领域中市场需求提速较快。IGBT功率器件作为光伏逆变器、风电变流器及储能变流器的核心半导体部件，对电能起到整流、逆变等作用，以实现新能源发电的交流并网、储能电池的充放电等功能。光伏IGBT对于可靠性、稳定性的要求高，高性能IGBT能够助力光伏提升功率密度。

第三代半导体

传统硅基功率器件发展达到极限，第三代半导体时代已经到来。第三代半导体是以碳化硅和氮化镓为代表的宽禁带半导体材料，具备高频、高效、高功率、耐高压、耐高温、抗辐射能力强等优越性能，是支撑新能源汽车、光伏储能、高速轨交、智慧电网、新一代移动通信等产业持续发展的重点核心材料。

与第一二代半导体材料相比，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、更高的电子饱和速率及更高的抗辐射能力，更适合于制作高温、高频、抗辐射及大功率器件。目前第三代半导体材料和器件的应用中，较为成熟的是SiC和GaN半导体材料，而氧化锌、金刚石、氮化铝等材料的研究尚属起步阶段。

国家持续出台相关政策支持第三代半导体发展，2016年7月，国务院《关于印发“十三五”国家科技创新规划的通知》明确发展第三代半导体芯片；2019年11月工信部将第三代半导体产品写入《重点新材料首批次应用示范指导目录》，2019年12月，在《长江三角洲区域一体化发展规划纲要》中明确要求加快培育布局第三代半导体产业，推动制造业高质量发展；2020年7月为鼓励企业积极发展集成电路，国家减免相关企业税收；2021年3月，十四五规划中特别提出第三代半导体要取得发展；2021年8月，工信部将第三代半导体纳入“十四五”产业科技创新相关发展。

国内外厂商积极布局碳化硅，产业链日趋完善。SiC衬底市场高度集中，2020年山东天岳在半绝缘型市场份额达30%。超芯星是国内为数不多掌握PVT和HTCVD两种长晶技术路线的公司。以东莞天域和瀚天天成为代表的国内碳化硅外延厂商，已研制成功6英寸碳化硅外延晶片，逐渐实现商业化。国内厂商在SiC功率器件领域入局较晚，目前市场份额较小，但由于行业处于早期阶段，格局尚未定型。长飞先进半导体采用IDM模式，业务覆盖外延、设计、晶圆制造、模组全产业链环节，目前其SiC MOSFET已投产能与规划产能均为国内第一，并且其产品已通过头部车厂、Tier1客户认证，是国内首批上新能源车主驱逆变器的厂商。

碳化硅衬底材料是碳化硅产业链中最具价值的一环。碳化硅器件制作过程可分为衬底加工、外延生长、器件设计、制造、封装等环节。产业链存在较为显著的价值量倒挂现象，其中衬底制造技术壁垒最高、价值量最大。在碳化硅产业链中，碳化硅衬底约占碳化硅器件成本的47%。而对于硅基器件来说，晶圆制造占据50%的成本，硅片衬底仅占据7%的成本。

得益于新能源汽车市场的爆发，2022-2027年碳化硅市场将保持快速增长；2027年后整体市场增长保持在47%年均增速，并且未来新能源车及光伏在整体碳化硅市场比例将维持在50%左右。

从不同行业的渗透节奏来看，800V平台与碳化硅相拥而来推动新能源汽车2023年成为第一大爆发市场。细分应用中，主逆变器作为最核心、价值最大领域已采用纯SiC MOSFET替代方案，OBC、DC-DC当前仍以SiC SBD作为近期过渡。

相对硅器件而言，碳化硅功率器件能为光伏逆变器带来更高的转换效率、更低的能量损耗，从而有效缩小系统体积、增加功率密度、延长器件使用寿命、降低生产成本。随着太阳能电池板的尺寸和功率密度逐步增加，传统的硅基器件已不能满足光伏逆变器MPPT(最大功率点跟踪)电路在效率和发热方面的需求，各方面性能更优越的碳化硅功率器件上场应用成为必然趋势。

在光伏发电应用中，虽然以硅基器件为主的传统逆变器成本约占系统10%左右，但它却是系统能量损耗的主要来源之一。相比于硅基IGBT，SiC MOSFET具有更低的导通损耗、更低的开关损耗、无电流拖尾现象、高开关速度等优点，并且可以在高温等恶劣的环境中工作，有利于提高光伏逆变器使用寿命。

随着氮化镓行业应用领域的不断拓展，中国氮化镓行业市场规模不断扩大。目前的应用领域主要集中在消费电子、新能源汽车、光伏及储能、数据计算中心等领域。国内氮化镓行业持续高速增长，2026年氮化镓渗透率有望达到40%。

目前国内氮化镓创业公司众多、行业集中度相对分散，但是以英诺赛科为代表的GaN IDM公司优势明显，可以广泛覆盖不同的下游应用场景并自主掌握工艺和产能保障，未来将持续提升市场份额。

GaN解决了硅基设计的瓶颈，实现更小、更轻、更具成本效益的光伏发电系统，在大规模布建中简化安装流程并带来显著的成本节省。透过卓越的材料韧性及可靠性，基于GaN设计的逆变器能降低整体系统维护成本、缩短系统停机时间，同时维持最佳效能，带来系统性革新。

通过实现节约能源、减少冷却设备，并提高成本效益，氮化镓正重塑数据中心电力系统的布局。在生成式AI及氮化镓技术相互发展下，更高效、永续且强大的数据中心将成为未来主流。

氮化镓材料具有高开关频率、低导通电阻、小尺寸等优势，可以实现更高的系统效率、更少的功率损耗和更小的模块体积，在功率器件领域相较硅材料优势明显。最早，氮化镓材料大范围用于消费电子快充，目前正在向汽车、数据中心、光伏储能等领域渗透，未来市场将持续稳定增长。

行业趋势与展望

云岫资本对2023年功率半导体及第三代半导体投资有如下观点：首先，功率半导体市场逆周期增长，电动汽车及新能源市场给国内功率半导体厂商带来发展机遇。第二，国产功率半导体从低端走向高端，与国际厂商仍存在差距，产业链玩家需携手共进。第三，中国在第三代半导体有设备、材料、制造、应用全产业链优势，有望建立全球竞争力。最后，光伏、风电及新能源汽车行业等国内优势产业，是中国半导体未来发展的巨大市场机遇。

近些年来，中国涌现了一批优秀且专业的半导体团队和创业公司。他们在政策以及资本的支持下，短短几年就已具备在某些细分领域和国外厂商同台竞争的实力。未来，伴随着中国在光伏和新能源汽车等优势产业的发展，供应链机遇还会不断助力功率半导体和第三代半导体行业实现高速增长和技术突破，竞争格局也将逐渐发生变化，让我们拭目以待。

本文来自微信公众号“云岫资本”（ID：winsoulcapital），作者：赵占祥 孙志鹏 朱燕飞，36氪经授权发布。