碳化硅及氮化镓的研究论文

以碳化硅(SiC)和氮化镓(GaN)为代表的的第三代半导体材料主要用于电力电子、微波射频和光电子器件的制造。其中，电力电子器件主要应用于消费类或工业、商业电源的制造，未来随着新能源汽车的广泛应用，该领域的应用比例将大幅增长;而在GaN射频器件的下游应用领域中，国防和基站是最大的应用领域，未来随着5G基站的应用推广，GaN射频器件在基站的应用占比将有所提升。

1、第三代半导体材料应用于三大器件的制造

以碳化硅(SiC)、氮化镓(GaN)、氧化锌(ZnO)、金刚石、氮化铝(AIN)为代表的宽禁带半导体材料，被称为第三代半导体材料，目前发展较为成熟的是碳化硅(SiC)和氮化镓(GaN)，其主要应用于电力电子器件和射频器件制造中。

2、2020年电力电子器件规模将达亿美元

在电力电子板块，SiC是电力电子器件的主要材料，而GaN的应用占比相对较小。数据显示，2018-2019年，全球SiC和GaN在电力电子器件的应用规模有所增长，2019年达亿美元;据Yole预测，2020年，SiC和GaN的电力电子器件市场规模将达亿美元，增速有所下降，主要受全球疫情的影响。

随着产业技术的成熟，SiC及GaN器件相较于Si器件的性能优势愈发明显，第三代功率器件的渗透率逐步提升，应用领域越发广泛。

以GaN电力电子器件的应用情况为例，2018-2019年，主要应用于消费类电源领域，至2025年，新能源汽车的应用将占据主导地位，至2030年，工业市场的应用也开始起步。

3、射频器件主要应用于基站、国防领域

在微波射频板块，GaN是射频器件的主要原料。2019年，全球GaN在射频领域的应用规模达亿美元，较2018年增长了亿美元;据yole预测，2020年GaN在射频领域的应用规模将达亿美元。

2019年，GaN射频器件的下游应用领域中，国防是最大的应用领域，应用规模达亿美元，占比约46;其次是基站领域，市场应用规模达亿美元，占比约43%。据yole预测，随着5G基站的应用推广，GaN射频器件在基站的应用占比将有所提升。

更多行业相关数据请参考前瞻产业研究院《中国第三代半导体材料行业市场前瞻与投资战略规划分析报告》。

硅基氮化镓半导体材料相比碳化硅基氮化镓及砷化镓，在实际案例中，目前还没有被广泛应用，但是因为性能优异，所以以后有望普及。例如相比碳化硅基的氮化镓，硅基的氮化镓比碳化硅基的氮化镓在线性度上有不同的显现，可对基站的复杂信号进行数字调制。在产能上，碳化硅基由于材料特性，不支持大的晶圆，而硅基氮化镓材料支持大晶圆的特性，有利于电路的扩展和集成，未来有可能在相关领域取代碳化硅基。另外相比砷化镓，氮化镓拥有高一些的饱和功率，所以当作低噪声放大器使用时，适合雷达等应用领域，可以省略掉限幅器，限幅器的主要作用就是防止高功率干扰信号对放大器带来损失。所以简化的系统噪声系数会好于砷化镓，除此之外混频器等应用中，更好的动态范围也比砷化镓合适。综合以上所述，从某些方面来说，硅基氮化镓半导体材料有一定优异性，未来有望被广泛应用。

与LDMOS相比，硅基氮化镓提高了10%能效，并且结合多个性能优势，提供更佳更远的路径；另一方面，与碳化硅基氮化镓相比，硅基氮化镓的规模生产结构优化。适当利用，10%的能效提升即可极大程度上减少无线网络运营商的基站运营成本。据半导体供应商MACOM的有关估计，假设平均能效为美元/千瓦时，仅将一年内部署的宏基站转换为硅基氮化镓，就可节省超过1亿美元电费。通过将LDMOS半导体器件转换为硅基氮化镓功率放大器后，不仅可以提高能效，同时也减少了二氧化碳的排放——这不管是无线营运商还是客户，都是令人振奋的。