信息來源：中銀證券《國產功率半導體高端布局加碼，國產替代加速》
作者：芯師爺整理
功率半導體是電子裝置中電能轉換與電路控制的核心，是電子產品的基礎元器件之一，在產業電子化升級過程中，越來越得到重視與應用。
本篇報告將詳細介紹功率半導體的器件類型、應用市場、行業格局以及 SiC、GaN 的發展情況，挖掘功率半導體潛在的投資機會。
1、常見的功率半導體類型及區別：功率半導體是電子裝置中電能轉換與電路控制的核心，主要用于電壓、頻率、直流交流轉換等功能。2、功率半導體下游應用領域：汽車電動化是功率半導體發展新動能。光伏等新能源發電逆變器、變頻家電等是 IGBT 等功率半導體的重用應用領域。5G 通訊技術也將帶來功率半導體需求的提升。3、SiC、GaN 的發展現狀和前景：SiC 在大功率、高頻、高溫等應用方 面潛力較大，新能源汽車為碳化硅功率器件的重要市場。GaN因具有高輸出功率、高能效特性在在消費電子快充 產品上得以應用。 4、功率半導體的市場格局：高端 MOSFET、IGBT 等領域仍以英飛凌、安森 美、意法半導體、三菱電機、東芝等國際大廠占主導。功率半導體根據器件集成度不同，功率半導體可以分為功率 IC 和功率分立器件兩大類。功率分立器件包括二極管、晶體管、晶閘管三大類別，其中晶體管是分立器件中市場份額最大的種類。
常用到的功率半導體器件有Power Diode（功率二極管）、SCR（晶閘管）、GTO（門極可關斷晶閘管）、GTR（大功率電力晶體管）、BJT（雙極晶體管）、MOSFET（電力場效應晶體管）、IGBT（絕緣柵雙極晶體管）、SIT（靜電感應晶體管）、BSIT（雙極型靜電感應晶體管）、SITH（靜電感應晶閘管）、MCT（MOS控制晶閘管）、IGCT（集成門極換流晶閘管）、IEGT（電子注入增強柵晶體管）、IPEM（集成電力電子模塊）、PEBB（電力電子積木）等。
功率 IC、IGBT、MOSFET、二極管是四種運用最為廣泛的功率半導體產品。其中，MOSFET主要運用于不間斷電源、開關電源，變頻器音頻設備等領域；功率二極管主要應用于電源、適配器、汽車、消費電子等領域。IGBT 適用于軌道交通、光伏發電、汽車電子等領域。
功率二極管是一種不可控型的功率器件，因此功率二極管不可以作為開關器件使用，功率二極管電流容量大，阻斷電壓高，但是開關頻率較低。功率二極管的單向導電性可用于電路的整流、箝位、 續流。外圍電路中二極管主要起防反作用,防止電流反灌造成期間損壞。
功率二極管細分產品包括功率整流二極管、功率肖特基二極管、快速恢復二極管、超快速恢復二極管、小電流整流二極管、變容二極管等種類。
普通整流功率二極管一般采用 p+pnn+的結構，反向恢復時間長一般在 25 微秒；電流定額范圍較大， 可以實現 1 安培到數百安培的電流；電壓范圍寬，可以實現 5V-5000V 的整流；但是普通整流功率二極管高頻特性一般，一般用于 1KHz 以下的整流電路中。 MOSFET簡稱金氧半場效晶體管，是一種可以廣泛使 用在模擬電路和數字電路的場效應晶體管。MOSFET可以實現較大的導通電流，導通電流可以達到上千安培，并且可以在較高頻率下運行可以達到 MHz 甚至幾十 MHz，但是器件的耐壓能力一般。因此MOSFET 可以廣泛的運用于開關電源、鎮流器、高頻感應加熱等領域。
MOSFET在概念上屬于“絕緣柵極場效晶體管”（Insulated-Gate Field Effect Transistor,IGFET），而IGFET的柵極絕緣層有可能是其他物質而非MOSFET使用的氧化層。有些人在提到擁有多晶硅柵極的場效晶體管元件時比較喜歡用IGFET，但是這些IGFET多半指的是MOSFET。
MOSFET里的氧化層位于其通道上方，依照其操作電壓的不同，這層氧化物的厚度僅有數十至數百埃不等，通常材料是二氧化硅，不過有些新的進階制程已經可以使用如氮氧化硅做為氧化層之用。
今日半導體元件的材料通常以硅（silicon）為首選，但是也有些半導體公司發展出使用其他半導體材料的制程，當中最著名的例如IBM使用硅與鍺的混合物所發展的硅鍺制程。而可惜的是很多擁有良好電性的半導體材料，如砷化鎵，因為無法在表面長出品質夠好的氧化層，所以無法用來制造MOSFET元件。
當一個夠大的電位差施于MOSFET的柵極與源極之間時，電場會在氧化層下方的半導體表面形成感應電荷，而這時所謂的“反型層”就會形成。通道的極性與其漏極與源極相同，假設漏極和源極是N型，那么通道也會是N型。通道形成后，MOSFET即可讓電流通過，而依據施于柵極的電壓值不同，可由MOSFET的通道流過的電流大小亦會受其控制而改變。早期的功率型 MOSFET可以實現大電流傳輸，但器件的柵、源、漏都在表面，十分浪費芯片面積。并且由于 LDMOS 的柵、源、漏都在同一個表面，在多個 MOSFET 器件進行并聯時需要額外的隔離層， 工藝步驟增加。后來 VDMOS的出現，將原來 LDMOS 器件的漏極統一放到器件的另一側，使得漏極和源極的漂移區長度可以通 過背面減薄來控制，而且該種結構可以實現更有利于晶體管并聯。晶體管的并聯可以增大 MOSFET 的功率。這種結構的的表面處理工藝和傳統的 CMOS 工藝兼容。為克服 planer MOSFET 中面積使用率較低的問題，Trench MOSFET被發明出來了，它將管子的溝道從原來的 planer 變成沿著槽壁的縱向。這樣的結構雖然提升了硅片面積使用 效率，但工藝難度大，成本高，耐壓性差。但它可以實現較多的晶體管并聯，導通的大電流，因此被用于低電壓和大電流的工作環境。IGBT，絕緣柵雙極型晶體管，是由BJT(雙極型三極管)和MOS(絕緣柵型場效應管)組成的復合全控型電壓驅動式功率半導體器件, 兼有MOSFET的高輸入阻抗和GTR的低導通壓降兩方面的優點。GTR飽和壓降低，載流密度大，但驅動電流較大；MOSFET驅動功率很小，開關速度快，但導通壓降大，載流密度小。IGBT綜合了以上兩種器件的優點，驅動功率小而飽和壓降低。非常適合應用于直流電壓為600V及以上的變流系統如交流電機、變頻器、開關電源、照明電路、牽引傳動等領域。IGBT模塊是由IGBT（絕緣柵雙極型晶體管芯片）與FWD（續流二極管芯片）通過特定的電路橋接封裝而成的模塊化半導體產品；封裝后的IGBT模塊直接應用于變頻器、UPS不間斷電源等設備上。IGBT模塊具有節能、安裝維修方便、散熱穩定等特點；當前市場上銷售的多為此類模塊化產品，一般所說的IGBT也指IGBT模塊；隨著節能環保等理念的推進，此類產品在市場上將越來越多見。IGBT是能源變換與傳輸的核心器件，俗稱電力電子裝置的“CPU”，作為國家戰略性新興產業，在軌道交通、智能電網、航空航天、電動汽車與新能源裝備等領域應用極廣。截至目前，IGBT已發展至七代。第一代 IGBT產品結構簡單，不利于并聯運行，并且電流只有 25A，因此并未被普遍使用。第二代 IGBT 也稱為改進型 PT-IGBT，該種產品在 600V 以上具備優勢， 但是 1200V 以上成本較高，沒有太大優勢。 第三代 IGBT 也稱為 Trench-IGBT，該種結構的思路和 trench MOSFET 思路一樣，將溝道轉移到垂直面上。該種結構導通電阻小，柵極密度增加不受限制，有效特高耐壓能。 第四代為 NPT-IGBT，該種產品不再使用外延技術，而是使用離子注入技術生成 P+集電極，該種結構具備正溫度系數，在穩態功耗和關斷功耗取得較高的折中，該種產品結構被廣泛的使用。 第五代 FS-IGBT 結合了第四代 NPT-IGBT 部分技術。采用先進的薄片技術并在薄片上形成電場中止層，有效的減薄芯片的厚度，使得導通壓降和動態功耗都有明顯下 降。 第六代 FS-trench 在第五代基礎上改進溝槽結構，增加芯片電流導通能力，優化芯片內載流子濃度和分布，減小芯片的綜合損耗和提高 IGBT 耐壓能力。根據富士電機第七代 IGBT 產品數據，IGBT7 可以使逆變器的功率損耗降低 10%，最高操作結溫度從 150℃提高到 175℃，這有助于減小設備尺寸。從半導體產業發展至今，半導體產業主要經歷了三代材料技術演變，第一代是以硅、鍺元素為主；第二代半導體材 料以砷化鎵為主；第三代半導體材料以氮化鎵（GaN）、碳化硅（SiC）為主。
第一代半導體材料，工藝成熟、成本較低，是目前半導體材料的主流。目前大部分功率半導體和集成電路都是基于硅基的第一代半導體材料。但是第一代半導體材料禁帶寬度有限，擊穿電壓低、飽和電子漂移速度低導致硅基半導體材料在面對高電壓、高頻、高功率運用場景劣勢明顯。
第二代半導體是以砷化鎵（GaAs）為主，目前主要用于手機功率放大器。砷化鎵生產成本較高，物理性能低于第三代半導體材料， 因此在功率放大器中難以被使用。 第三代半導體材料氮化鎵、碳化硅等材料在物理上具有能級禁帶寬的特點，因此第三代半導體材料也成為寬禁帶半導體。同時，第三代半導體材料的導熱性能、高壓擊穿、電子飽和漂移速度優勢明顯，因此第三代半導體被廣泛應用于高溫、高功率、高壓、高頻等等場景。
氮化鎵在高頻電路中優勢凸顯，是當前移動通訊中有力競爭者。但氮化鎵在耐壓性、電流容量都比碳化硅低，在高功率、 高電壓運用場景性能低于碳化硅。因此當前氮化鎵的主要應用于基站端功率放大器、 航空航天等軍用領域。
碳化硅材料物理性能優于硅等材料，相比硅材料，碳化硅在高溫、高壓、高頻、大功率電子器件具有不可替代的優勢。目前碳化硅功率半導體已在特斯拉 model 3 等高端車市場成功運用，未來汽車領域將是碳化硅成長主要動力。目前英飛凌、意法半導體等國際主流廠商的 4 英寸碳化硅產品線居多，并向 6 英寸產品線過度，龍頭廠商 CREE 已經開發出 8 英寸產品。
汽車半導體是未來碳化硅功率器件的主要推動力。碳化硅在高溫、高壓、大功率領域具有不可替代 的優勢，在電力控制和轉換、高壓等領域有著廣泛的運用。一汽電驅動研究所所長趙慧超表示，碳化硅器件工作結溫在 200°C 以上，工作頻率可以達到 100kHz，耐壓可達 20KV，碳化硅器件體積可 以減小到 IGBT 整機的 1/3~1/5，重量減小到原來的 40%~60%。目前碳化硅功率半導體已經在汽車主逆 變器、車載充電器、DC/DC 轉換器等核心部件上成功運用，未來汽車將是碳化硅成長的主要動力。特斯拉 Model3 中已使用碳化硅的 MOSFET，隨著 Model 3 車型以及其他高端新能源車的量產，碳化硅 MOSFET 需求有望迎來快速增長。根據 Yole 統計數據，預計到 2023 年全球碳化硅功率半導體生產規模達到 15 億美元，復合增長率達 30.6%。當前，碳化硅 MOSFET主要大規模運用于新能源汽車。 氧化鎵或是未來高壓、高功率運用功率半導體材料的挑戰者。氧化鎵的禁帶寬度為 4.9eV，超過碳化 硅、氮化鎵等材料，采用禁帶更寬的材料可以制成系統更薄、更輕、功率更高的功率器件。氧化鎵將在擴展超寬禁帶系統可用的功率和電壓范圍方面發揮作用，其主要應用場景將為電力調節和配電系統中的高壓整流器。一旦氧化鎵的散熱問題被攻克，氧化鎵將成為高功率、高壓運用的功率半導體材料的有力競爭者。功率半導體器件主要作用是變頻、變壓、變流、功率放大和功率管理，對設備正常運行起到關鍵作用。廣泛被應用于工業控制、4C、新能源車、光伏等領域。
根據 IHS 預測數據，2021 年全球功率半導體市場規模有望達到 441 億美元，復合增長率達到 4.1%；2021 年我國功率半導體市場規模預計將達到 159 億美元，年復合增長率達到 4.83%，超過全球功率半導體增長速度。
汽車電動化帶動單車半導體價值量的提升。與傳統燃油車相比，新能源車多了電池、電機、電機控 制器、DC/DC、空調驅動、充電器的裝置。電動車的空調、充電系統、逆變器、DC/DC 等核心部件都 需要功率器件實現供電電壓和直流交流的轉換。根據英飛凌預測，2019 年輕度混合動力汽車（MHEV） 單車半導體元器件價值量約為 531 美元，而插電混合動力汽車（PHEV）、純電動汽車（BEV）半導體元器件價值量分別達到 785 美元、775 美元，較 MHEV 分別提升 47.83%、45.95%。
MOSFET、IGBT 等功率半導體器件是汽車電動化的受益核心。與傳統動力汽車不同，新能源汽車需要 使用大量的電力設備，將實現能量的轉換。新能源汽車中 AC/DC 充電機變換器、DC/DC 升壓變換器、 DC/DC 降壓變換器、雙向 DC/AC 逆變器、充電樁等部件需要了大量的功率半導體實現能量的轉換。
根據 on semiconductor 數據，電動車的價值量電源解決方案的價格約為 400 美元，遠高于傳統動力汽 車的 40 美元。MOSFET 和 IGBT 是實現供電電壓和直流交流轉換的核心部件，因此汽車電動化帶動單車功率半導體價值量。電機控制器是新能源車的核心部件之一，IGBT 是電機控制器的核心電力電子元器件。根據驅動視界統計數據，電機控制系統成本占據整車成本的 15%~20%，而 IGBT 模塊占據電 機控制模塊成本的 37%。1200V 以下 IGBT 和 MOSFET 是電動車電源解決方案核心部件。
高端車型提升單車功率半導體的價值量。如大眾、福特、寶馬等傳統車企擴產新能源車，特斯拉、比亞迪等新興電動車車企異軍突起，汽車電動化趨勢不可逆轉，這也將提高功率半導體的需求。汽車電動化除了帶來車身功率半導體價值量的提升之外，新增的充電樁也將帶來功率半導體增量。工信部、國家能源局聯合發布《提升新能源汽車充電保障能力行動計劃》提出利用三年時間優化充電基礎設施發展環境，實現“一車一樁”接電需求。
MOSFET、IGBT 是充電樁實現電能轉換的核心元器件。在充電樁中，同樣需要 DC/DC 等功率器件實現 供電電壓和頻率的轉換。根據 ON semiconductor 數據，充電站中的 MOSFET、IGBT、功率二極管等功率半導體價值量將達到 500 美元。
根據工信部發布《電動汽車充電基礎設施發展指南（2015-2020 年）》，到 2020 年將國內將新建 480 萬個分布式充電樁。
IGBT 模塊是光伏發電逆變器和風力發電逆變器的核心零部件，新能源發電助力功率半導體持續增長驅動力。
IGBT 是光伏逆變器和風電逆變器的核心零部件。光伏逆變器的功率組價主要是由 IGBT 和功率二極管 組成，風力發電逆變器中的功率組件和光伏逆變器的功率組件類似。光伏逆變器和風電逆變器中的 IGBT 主要是 1200V-1700V 的 IGBT。
國內光伏需求強勁，我國供電結構尚需改善，光伏發電、太陽能發電比例提升空間大。從我國電力供應結構上看，火力發電是我國供電的主力。根據國家統計局統計，2020 年 2 月火力發電占 比達到 76.04%，而太陽能發電和風力發電占比僅為 5.78%、1.75%。由于煤炭資源是不可再生，并且 火力發電會帶來環境破壞等問題，因此我國能源結構改善空間較大，未來光伏發電和風力發電的滲 透率有望進一步提升。根據產業信息網數據，2020 年我國風電裝機容量有望達到 270GW，2025 年我 國光伏累計裝機容量有望達到 400GW。功率半導體是實現變頻技術的核心半導體器件。變頻技術是使用 IGBT、MOSFET、晶閘管等功率半導 體元器件對電能實現變換和控制，從而實現電壓頻率的變化。變頻技術的運用主要集中于家電、新能源車、軌道交通等領域，其中變頻家電是最重要的運用領域。相比于傳統的白色家電，變頻白色 家電更加高效節能，能夠實現精準控制，實現舒適靜音，能夠實現多樣化功能。根據英飛凌數據， 變頻技術能夠使得家電節約 60%的能效。
變頻技術在白色家電的滲透率快速提升。近年來，變頻家電全面推廣，尤其是變頻空調的推廣。變頻空調因為低頻啟動、啟動電流較小、能夠快速制冷、節能等優點受到消費者青睞。根據產業在線統計數據，變頻家用空調出貨量在家用空調中的占比從 2010 年的 17%提升到 2018 年上半年的 41%， 提升 24 個百分點；變頻洗衣機的滲透率從 2011 年的 9%提升到 2018H1 的 39%，提升 30 個百分點；變 頻冰箱的滲透率從 2011 年的 4%提升到 2017 年的 17%。
受益于變頻白色家電的快速滲透，家電用功率半導體需求上升。家電的變頻化、網絡化發展帶動 IGBT、 MOSFET、IPM 等功率器件的快速發展。根據 IHS 數據，2017 年家電用功率半導體市場規模為 14.47 億 美元，2021 年有望增長至 26.68 億美元，四年復合增長率達 16.5%。
5G massive MIMO 技術帶動單站用功率半導體需求量。全球移動通信技術進入 5G 時代，相比 4G 通訊 技術，5G 使用毫米波、massive MIMO 等技術實現大帶寬、低時延網絡傳輸。2019 年 6 月，工信部向 三大運營商發放 5G 牌照，三大運營商獲得頻譜在 2GHz 以上，高于 4G 的頻譜，未來 5G 頻譜有望演進到毫米波。信號頻率越高帶來的衰減問題越嚴重，對基站端發射功率構成了巨大的挑戰。另一方 面，4G 使用 MIMO 技術一般不超過4T4R，但在未來 5G 種的 massive MIMO 有望達到 64T64R甚至更高階數。Massive MIMO 的大規模使用提升基站對電源管理的需求，根據英飛凌數據，4G MIMO 射頻板上 功率半導體的價值量約為 25 美元，但 5G massive 階段的射頻板功率半導體價值量將提升到 100 美元， 是 MIMO 射頻板的 4 倍。
5G 基站建設規模高于 4G 基站數，功率半導體受益。在無線通信中，信號的頻率越高，信號的強度衰減越快，覆蓋的范圍就會越小。由于 4G 通信的可用頻段比 3G 頻率高，為了保證良好的 4G 信號覆 蓋， 4G 基站的數量保持上升的趨勢。截至 2018 年，我國的 4G 基站 372 萬站， 3G 基站的數量為 117 萬站， 4G 的基站的數量 為 3G 基站的 3.2 倍。5G 的頻段在 2600MHz 以上 ，比 4G 的頻率更高，為了保證良好的信號覆蓋， 基站的需求量將會大幅度增加。獲得根據 中國聯通網絡技術研究員預測 5G 宏基站的需求量約是 4G基站的 1.5 倍，2018年 4G基站的數量為 372萬站，因此 5G宏基站至少需要 558 萬站。為了實現 5G 在熱點區域的良好信號覆蓋，5G 需要在熱點區域建設大量小基站。未來宏基站+ 小基站數量的增長將帶來通訊用功率半導體的爆發。此外，5G 帶來數據爆發式增長，這將帶來數據中心的建設和云服務規模的提升。數據中心的建設將 帶動 AC/DC、DC/DC 等電源管理模塊的需求 ，通訊用功率半導體市場規模進一步提升。 工業領域實功率半導體運用最大的領域，功率半導體在工業的運用范圍較廣，數控機床、鼓風機、 發電系統、軋鋼機等工業設備均需要使用功率半導體器件。另一方面，由于我國人口紅利逐漸消失， 提高社會生產效率成為必然選擇，未來工業將朝著自動化、聯網化方向發展。根據前瞻產業研究院 預測，2019 年我國工業互聯網市場規模達到 6,080 億元，預計 2024 年將達到 12,500 億元，5 年復合增長率達 15.5%。功率半導體是實現電力控制核心零部件，未來有望在工業互聯網大潮中迎來需求的增 長。根據 ON semiconductor 數據，相比于人工生產，機器人生產的將帶來 250 美元半導體價值量，這主要有 MOSFET、二極管、圖像傳感器等半導體元器件構成。
SiC 材料屬于第三代半導體材料，目前用于襯底的 SiC 材料類型主要為 4H-SiC。4H-SiC 的禁帶寬度是 Si 的 3 倍，臨界擊穿電場達到 40V/cm，因此，在相同結構下，SiC 器件阻斷能力比硅器件高好多倍， 相同的擊穿電壓下，SiC 器件的漂移區可以更薄，保證其擁有更小的導通電阻。
一般硅器件最高到 200℃就會因熱擊穿造成失效，而 SiC 具有的寬禁帶特性，保證了 SiC 器件可以在 500℃以上高溫環境工作，且具有極好抗輻射性能。另外，4H-SiC 的飽和電子遷移速度是 Si 的 2 倍，因此具有良好的高頻特性。并且碳化硅的熱導率也較高，是 Si 的三倍。SiC 的寬禁帶、高臨界擊穿電場、高飽和電子遷 移速度和高熱導率等特性使得碳化硅功率器件具有耐高溫、抗輻射、 高開關頻率等良好的性能，因 此受到業界廣泛關注。
SiC 功率器件產業鏈環節主要包括單晶、外延、器件、模塊和應用環節。目前，碳化硅功率器件主要 包括功率二極管和功晶體管。功率二極管主要包括結勢壘肖特基二極管 JBS、PiN 二極管和混合 PIN 肖特基二極管 MPS，功率晶體管主要包括 MOSFET、結型場效應晶體管 JFET、雙極型晶體管 BJT、IGBT、 門極可關斷晶閘管 GTO 和發射極可關斷晶閘管 ETO 等。目前，實現碳化硅功率器件產業化公司主要 有美國 Wolfspeed、德國英飛凌、日本羅姆、歐洲意法半導體、日本三菱，這幾家約占國際市場 90% 份額。受限于大直徑碳化硅單晶生長難度高、成本高等因素，碳化硅功率器件的市場規模仍然較低。根據 Yole 預測，2020 年全球碳化硅功率器件市場規模約 5-6 億美元，約占整個功率半導體器件市場份額的 3-4%，預計到 2022 年，碳化硅功率器件的市場規模有望超過 10 億美元。
新能源汽車為碳化硅功率器件的重要市場。電動汽車中，車載充電器、DC/DC 轉換器、主逆變器和電動壓縮機對功率電子器件要求較高，需要 IGBT 或 SiC 功率器件。
1）更高的電流密度，在相同功率等級下，碳化硅功率模塊的體積顯著小于硅基 IGBT 模塊。以 IPM 為例，碳化硅功率模塊體積可縮小至硅功率模塊的 2/3-1/3。
2）導通電阻低，具有更低 的開關損耗，提高系統效率或工作頻率。碳化硅功率模塊與采用硅基 IGBT 的功率模塊相比，可將開 關損失降低 85%。
3）更高的結溫，能夠在高溫條件下工作。碳化硅器件結溫高，極限工作溫度有望 達到 600℃以上，而硅器件的最大結溫僅為 150℃。由于碳化硅功率器件的優良特性，預計汽車 OBC、 逆變器在未來幾年對于 SiC 的需求將呈現出線性增長。特斯拉量產的 Model 3 車型中主逆變器已采用全碳化硅功率模塊作為核心功率器件，單車搭載有 24 顆全碳化硅功率模塊。
GaN 同屬于第三代半導體材料，具有寬禁帶、高臨界擊穿場強、高飽和電子漂移速度等物理特性， 使得其功率器件擁有高功率、高頻率和高壓下工作的能力，因此受到關注。目前，氮化鎵應用較多 的是光電器件和微波射頻領域，跟 SiC 相比，GaN 的功率器件類型不多，主要的 GaN 器件類型包括 功率肖特基二極管、氮化鎵 PN 二極管、氮化鎵場效應晶體管（GaN FET）和高電子遷移率晶體管（GaN HEMT），其中 GaN HEMT 為氮化鎵最受關注的器件類型。氮化鎵的應用領域以航天、軍事等應用較多，但近年來也逐步走向消費電子領域。在消費電子產品 的重充電電源領域，高輸出功率和高轉換效率一直是產品技術升級的焦點，而 GaN 功率器件具有的 高輸出功率、高能效特性，使其能在既定功率水平下能夠做到更小的體積，因此在電源快充產品中得以應用。OPPO、小米等手機廠商已經開始在手機充電器中采用 GaN 技術。
根據 Yole 數據，2019 年氮化鎵器件的市場規模約 6,000 萬美金，預計到 2022 年，全球氮化鎵器件的市場規模將達到 4.45 億美金。
功率半導體行業在資金、技術、客戶認證等方面壁壘較高，在高端功率器件領域，以美、日、歐等國廠商為主導。MOSFET市場以英飛凌、安森美等廠商占主導。根據 IHS 統計，2018 年全球功率 MOSFET 分立器件銷 售額達到 75.8 億美元，其中英飛凌銷售額達到 21 億美元，占全球功率 MOSFET 銷售額的 27.7%，安森美、意法半導體、東芝半導體、瑞薩半導體分別占據 13.1%、8.0%、7.0%、7.0%的市場份額，前五大供應商占據 62.8%市場份額，前十大供應商占據 81%的市場份額。
IGBT 集中于英飛凌、安森美、三菱電機等廠商。在 IGBT 方面，2018 年全球分立 IGBT 市場規模達到13.1 億美元，英飛凌占據 37.4%，英飛凌、安森美、富士電機、littelfuse、意法半導體前五大廠商占比 高達 67.8%。
功率二極管市場格局分散。目前功率半導體市場相對分散，Vishay 是全球功率二極管最大供應商，占 據全球約 10%，前五大廠商約占據 28%，功率二極管的市場集中度遠低于 MOSFET 和 IGBT。歐、美、日龍頭廠商以 IDM 為主，垂直整合優勢明顯。龍頭廠商英飛凌、安森美、羅姆半導體、三 菱電機等龍頭廠商均具備晶圓設計、制造、封裝測試能力。IDM 企業在研發與生產各個環節積累更 加深厚，有利于技術的沉淀和產品群的形成與升級。公司能夠發揮資源的內部整合優勢，提升運營 效率，有利于控制生產成本和響應客戶定制化需求。 目前英飛凌等龍頭廠商晶圓制造以 8 英寸、12 英寸產線為主，單位芯片的制造成本更低，產品更具 成本優勢。龍頭廠商充分發揮工藝優勢，提升產品性能。背面工藝和減薄工藝先進對 IGBT 尤為重要， 目前英飛凌制造的 IGBT 能夠減薄到 40 微米。另一方面，車用功率半導體對散熱要求極高，同時需要考慮強振動等使用條件，因此高端車用功率半導體對封裝的要求遠高于工業使用的功率半導體。因此，IDM 是當前功率半導體龍頭的主流經營模式。
車載半導體將是半導體產業下一個千億藍海市場。根據 strategy Analytics 數據，2018 年全球車載半導體市場規模達到 377 億美元，英飛凌、瑞薩半導體、意法 半導體占據前列。 車規級半導體技術難度大，價值量高。車規級功率半導體設計制造難度大，需要平衡低功耗與高可 靠性、高功率容量；車規級功率半導體封裝難度較高，車規級封裝需要滿足高效散熱、高可靠性等 需求，確保汽車長期可靠運行。汽車成為各大功率半導體龍頭的最重要的收入來源。根據英飛凌年報，2019 年公司汽車業務收入占 比達到 44%，市公司最大的業務收入來源。2009 年英飛凌汽車業務收入為 9.05 億美元，占比僅為當 年營收的 28%，2019 年英飛凌的汽車業務收入達到 35.03 億美元，占當年營收 44%。十年間英飛凌汽 車業務收入復合增長率為 14.5%，高于同期公司營收 10%的復合增長率。根據 ON semiconductor 年報數據，公司汽車業務營收占比從 2011Q1 的 21%提升至 2019Q4 的 32%，2012 年-2019 年汽車業務收入 復合增速達到 9.76%，高于同期公司 6.07%的營收復合增速。根據意法半導體數據，2010 年汽車業務 收入為 14.02 億美元，在當年營收占比為 13.73%，2019 年公司汽車業務收入達到 36.06 億美元，在當年收入的比例 37.74%。2010 年至 2019 年汽車業務收入復合增長率 10.91%，遠高于同期公司業務營收。
根據 Yole 數據，CREE 公司占據全球 60%的 SiC 晶圓制造市場份額，英飛凌，CREE、意法半導體、安森美等功率半導體前十企業占據碳化硅功率器件 50%以上市場份額。
國際上，住友電工、日立電線、古河機械金屬和三菱化學等日本公司已可以出售標準2-3英寸HVPE制備的GaN襯底，具備4英寸襯底的小批量供應能力。6英寸制備600V以上電力電子器件的Si上GaN外延材料則由美國Nitronex、德國Azzuro和日本企業提供；目前已推出耐壓650V及以下系列Si基GaN功率半導體器件，主要應用于服務器電源（PFC）、車載充電、光伏逆變器等，美國Navitas、美國Dialog均為此類供應商。GaN微波射頻器件目前主要用于遠距離信號傳輸和高功率級別，如雷達、移動基站、衛星通信、電子戰等，主要玩家有東芝、三星等。政策、資金、人才多方面扶持，國內功率半導體企業快速發展。功率半導體行業集中度高，長期被 國外廠商壟斷，但近年來國產功率半導體廠商取得較大進步，從低端市場開始逐步向車用等高端運 用市場滲透。隨著社會電氣化的發展，我國成為全球功率半導體最大消費市場，國內孕育了一批功率半導體廠商，包括斯達半導體、華潤微電子、士蘭微等功率半導體廠商，并依托國內市場和政策切入市場，加速功率半導體國產化替代的進程。 蘇州能訊、蘇州晶湛、江蘇能華、杭州士蘭微、江蘇華功半導體均已進入布局GaN電力電子材料和器件；三安光電也已建設GaN射頻器件工藝線；海特高新通過其子公司海威華芯開始建設6英寸的第二代/第三代半導體集成電路芯片生產線，氮化鎵（GaN）半導體芯片（6寸）項目建設規模為30000片/年。2008 年株洲中車時代成功收購英國丹尼克斯半導體 75% 的股權，成為我國第一家全面掌握 IGBT 芯片技術研發、模塊測試的廠商。2019 年，聞泰科技收購安世集團， 成為安世半導體控股股東。安世半導體是全球第八大 MOSFET 供應商，中國財團的收購將促進功率半導體，尤其是 MOSFET 的國產化水平。2018年11月，聚力成半導體（重慶）有限公司奠基儀式在大足高新區舉行，該項目以研發、生產全球半導體領域前沿的氮化鎵外延片、芯片為主，計劃在12個月內完成一期廠房建設并開始試生產；該項目同時是聚力成在中國大陸的第一個生產、研發基地，將有望打破德國、日本、美國對GaN的壟斷局面。
該項目建成后，可為高鐵、新能源汽車、5G通訊、雷達、機器人等行業的電力控制系統和通訊系統的核心部件提供大量的氮化鎵高功率半導體和高射頻半導部件。
由于第三代半導體材料及其制作的各種器件的優越性、實用性和戰略性，未來，由SiC和GaN材料制成的半導體功率器件將支撐起當今節能技術的發展趨勢，成為節能設備最核心的器件，許多發達國家已將第三代半導體材料列入國家計劃，全面部署，竭力搶占戰略制高點。
根據發展目標，2018~2020年間，中國大陸將完成第三代半導體的產業基礎建設，進行產業鏈的完善、核心裝備研發、核心工藝開發、開發基礎器件并開始示范應用等。但由于中國大陸開展SiC、GaN材料和器件方面的研究工作比較晚，與國外相比水平較低，在SiC和GaN材料的制備與質量等方面仍有較多亟待破解的問題。
目前來看，阻礙中國大陸第三代半導體研究進展的重要因素是原始創新問題。借助功率器件產業的國產替代，或將能讓中國大陸在實踐應用中，更利于獲得更多有利于第三代半導體材料研發的原始創新專利。免責聲明 | 部分素材源自網絡，轉載僅作為行業分享交流，不代表本公眾號觀點，版權歸原作者所有。如涉侵權，請聯系我們處理。另外，如若轉載本文，請標明出處。
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1、內部研討會：
碳中和背景下的金剛石企業發展機遇與挑戰
2021年11月18-20日
1、金剛石企業如何制定碳中和時間?
2、金剛石制品&鉆石的制造有多少碳足跡？
3、碳稅制定標準
4、超硬材料在未來汽車領域的機遇?
5、“碳達峰、碳中和”背景下，金剛石線鋸作為光伏驅動者的機遇與挑戰
6、金剛石傳統企業如何轉型升級？技術升級與環保理念如何平衡？
7、……
(備注：1、現場建立微信交流群，提供交流合作平臺；2、名額有限，報名時需備注是否參與內部研討會，當天不接受報名)
2、論壇報告
（不局限如下話題，歡迎廣大科研工作者自薦或者推薦報告）
2021年11月18-20日
1、超精密加工與高端制品
1、超快激光微納加工與增材制造
2、先進刀具在汽車零部件、輕量化材料、航空航天精密加工應用
3、超精密加工與智能制造
4、金剛石高端工具與制品的制備與應用痛點
5、超硬刀具和磨具在3C領域、復合材料等領域的應用
6、光學材料等精密儀器的超精密加工工藝與裝備
7、半導體襯底材料的超精密磨拋與加工技術
8、超精密加工中的熱管理技術與方案
9、金剛石在超精密磨粒加工中的應用
10、金剛石線切割及在光伏領域應用
……
2、高功率器件與碳基散熱解決方案
1、大尺寸高質量金剛石膜制備與散熱應用
2、碳基芯片散熱器件
3、大功率半導體激光器散熱
4、碳基射頻電子器件研究進展
5、金剛石在大功率微波射頻器件及 5G 高功率芯片中的應用
6、CVD金剛石熱沉封裝高功率半導體激光器
7、金剛石在電子封裝和相變儲熱領域的研究進展
8、金剛石和SiC襯底散熱技術在GaN的中的應用
9、金屬基復合材料在導熱散熱中的應用
……
3、半導體前沿應用
1、大尺寸單晶襯底、外延及生長工藝與設備
2、金剛石晶體與光學窗口元器件
3、金剛石激光晶體材料與激光器
4、N型、P型摻雜與器件
5、大尺寸金剛石薄膜與光電功能金剛石的制備及性能研究
6、微納尺度下金剛石的彈性應變工程及器件探索、帶隙調控
7、超寬禁帶半導體
8、金剛石功率器件/射頻器件
9、金剛石NV色心研究
10、金剛石量子技術與器件：量子計算、傳感探測器等
11、金剛石微納電子器件
……
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