第一代半導體是“元素半導體”，典型如硅基和鍺基半導體，適用于數據的運算和存儲；其中以硅基半導體技術成熟，應用也較廣。近年來Si功率器件結構設計和制造工藝日趨完善，已經接近其材料特性決定的理論極限，依靠繼續完善來提高裝置與系統性能的潛力有限。因此GaAs等第二代半導體材料和GaN、SiC 等第三代半導體材料開始進入大規模應用。
第二代是砷化鎵、磷化銦為基礎的III-V 族化合物半導體，主要解決信息通信，應用領域包括半導體激光器、光纖通信、寬帶網等信息傳輸和存儲等領域的革命；
第三代是以氮化鎵、氮化銦、氮化鋁、碳化硅為基礎的III-V 族化合物半導體，在電和光的轉化方面性能突出，在微波信號傳輸方面的效率更高，可被廣泛應用到照明、顯示、通訊等各個領域。特別地，藍綠光LED 也是基于SiC 或GaN 材料，也是特殊的第三代半導體。
半導體材料演進及應用領域
第二和三代半導體也可以統稱為化合物半導體，其市場空間廣闊，未來成長性高。2014 年全球半導體市場約3360億美元，其中化合物半導體市場約512 億美元，占比僅15%，2014-2020 年CAGR近13%，在2020年將超過1000億美元，長期來看，化合物半導體的占比有望提升至50%以上，還有數倍的增長空間。
與硅半導體一樣，化合物半導體市場也可以分為Fabless和IDM，占比分別為30%以下和70%以上。化合物半導體材料制成的高頻、高速、防輻射的高溫器件，通常應用于激光器、無線通信、光纖通信、移動通信、軍事電子等領域。
三大材料簡單對比
材料 | 應用 | 全球市場容量 |
GaAs | 應用于通訊領域，受益通信射頻芯片PA（功率放大器）驅動 | 74億美元，過往CAGR為15% |
GaN | 大功率、高頻性能出色，應用在軍事領域 | 2億美元，目前成長空間10億美元 |
SiC | 作大功率高頻半導體如IGBT和MOSEFT | 2億美元，目前成長空間20億美元 |
三代半導體材料的物理特性對比
參數 | Si | GaAS | GaN | SiC |
禁帶寬度（eV） | 1.1 | 1.4 | 3.4 | 3.2 |
介電常數 | 11.8 | 12.8 | 9.0 | 9.7 |
擊穿場強（10^6V/cm） | 0.6 | 0.7 | 3.5 | 2.5 |
熱傳導率（W/m℃） | 130 | 46 | 170 | 370 |
電子遷移率（cm2/V·s） | 700 | 4700 | 1600 | 600 |
飽和速度（10^7cm/s） | 1.0 | 2.0 | 2.5 | 2.0 |
硅和碳化硅性能進行比較
目前國內較少有企業能夠掌握生產技術，主要由美國、臺灣等公司主導，并限制向中國的技術輸出。高門檻和較為溫和的競爭狀況帶來較高的毛利率水平，Cree 化合物半導體產品毛利率在50%以上(整體毛利率受毛利率偏低的其它業務影響)。從事純代工的臺灣穩懋毛利率最低為38%。普通的臺灣代工廠商毛利率常常處于10-20%的水平，行業的高毛利帶動代工廠的盈利能力明顯提高。
國際廠商主導化合物半導體市場
公司 | 化合物半導體產品 | 用途 | 商業模式 |
臺灣穩懋 | GaAs 為主，正開發GaN | 手機、通訊設備 | 純代工 |
美國Cree（科銳） | SiC、GaN | RF（軍工、通訊）、電源管理（服務器、太陽能、工業電子） | IDM |
美國Qorvo | GaAs | 手機、通訊設備、軍工 | IDM |
美國Skyworks | GaAs | 手機 | IDM |
美國Avago | GaAs、GaN、InP | 手機 | 制造外包 |
中國銳迪科 | GaAs | 手機、廣播設備 | 純設計 |
GaAS：第二代半導體中最典型的材料
GaAS市場規模過去三年維持CAGR15%以上，預計隨著4G的普及，其市場將保持快速增長。相較于常見的硅半導體，砷化鎵具有高頻、抗輻射、耐高溫等特性，因此廣泛應用在主流的商用無線通信、光通訊以及先進的國防用途上，其中無線通信的普及化更是催生砷化鎵代工經營模式的重要推動力量，手機和通訊設備消耗掉80%以上的砷化鎵器件。
智能手機內部的芯片是由基帶、AP（應用處理器）、射頻芯片、連接芯片和存儲芯片構成，其中為了完成2/3/4G等蜂窩通訊功能，最核心的兩大芯片是基帶和射頻。射頻芯片之中的前端模組包括重要的器件PA（功率放大器），目前前端模組約占智能手機芯片成本的10%左右。從低成本的GSM手機到多模多頻段LTE 智能手機，2G手機時代僅需要兩顆PA，而4G手機時代因LTE頻段的碎片化，使得一部4G 手機至少需要四顆PA芯片，iPhone 6使用了5顆PA芯片。因此在4G取代3G的過程之中，PA芯片是需求量增長最快、收益最明顯的品種，將直接拉動砷化鎵PA的需求，而且砷化鎵PA由于在高功率傳輸上具備不可替代的物理性質優勢，未來5G通訊，其地位將會進一步加強。
目前超過60%的份額集中在Skyworks、Qorvo（RFMD與TriQuint2014年合并而成）、Avago三大巨頭手中，其他公司份額約占1/3。在國內需求不斷加溫的背景下，我國國內卻沒有大規模的6 寸GaAs制造工廠，國內除RDA、Vanchip等公司可以設計部分中低端GaAs器件以外，中高端產品幾乎全部來自Skyworks、Qorvo、Avago等美國巨頭。
除了在民用通信領域外，在軍工領域，如戰術武器中用GaAs IC的設備，戰機中的雷達，電子戰設備采用GaAs 器件，導彈裝載GaAs 引信等。
手機、通訊設備和軍工是GaAs最大用途
GaN：不斷探索應用領域，長期空間廣闊
GaN是微波放大和電能轉換領域的理想材料，潛在市場規模150億美元，目前年均增速18%左右，目前氮化鎵器件2/3是應用在軍工電子，如軍事通訊、電子干擾、雷達等領域，在民用領域，主要是在通訊基站、功率器件等方面，隨著消費類電子和通信技術要的不斷提升，未來民用領域大有可為。
該材料是上世紀90年代才引起人們關注，目前正處于產業發展初始階段，市場規模較小，但是展望遠期空間巨大。
GaN 器件主要應用領域
目前在微波功率器件的市場化方面，美國和日本處于世界領先。在美國，Cree、RFMD、Nitronex、TriQuint等近10家公司推出了GaN微波功率器件產品，Cree、RFMD等幾家公司不但擁有有GaN微波功率器件的Foundry服務，同時Cree公司還有3英寸和4英寸GaN基微電子材料產品。
我國在GaN 基微電子材料和器件領域的研究起步較晚，但近幾年進展很大，中國科學院半導體研究所可以提供2 英寸和3 英寸外延材料，某些研究所和公司的器件和電路產品也在試用中。
GaN方面晶圓的制備難度大，且由于技術起步晚，其單晶晶圓尺寸要小于SiC，不過由于GaN只有一種多型體，所以其外延片可以采用Si、藍寶石和SiC等材料的襯底進行生產，從而制造出大尺寸的外延片。
目前三安光電在國家集成電路產業基金支持之下開始進入砷化鎵芯片和氮化鎵領域。
SiC：功率半導體器件取代Si，市場空間大
碳化硅因其在高溫、高壓、高頻等條件下的優異性能表現，成為當前最受關注的半導體材料之一，在交流-直流轉換器等電源轉換裝置中得到大量應用。
SiC 和GaN 取代現有硅功率器件的方向
對比硅器件：
1）碳化硅器件功率損耗可減少將近50%，從而有效提升電源轉化效率；
2）碳化硅器件由于轉換效率高、發熱小，所以可以有效減小冷卻系統的體積，從而實現電源轉換裝置整體的小型化，這對于新能源汽車等需要大量電源轉換裝置的系統具有重大的意義；
3）和同為第三代半導體的GaN由于性能的不同，各自的應用領域也有差別，GaN 主要用在微波器件上，而SiC 則主要作為大功率高頻功率器件；以SiC 為材料的二極管、IGBT、MOSFET 等器件，未來有望在新能源汽車等領域取代Si；
4）目前SiC 二極管價格是Si 二極管價格的5-7 倍，SiC 結晶場效應管價格是Si 的5-7 倍，SiC MOSFET 價格是Si 的10-15 倍。因此若要SiC 產業迅速崛起，除了技術的不斷進步之外，降低成本亦尤為關鍵。
碳化硅所具備的高功率轉換、低功耗等特性，所以它特別適合深井鉆探、太陽能逆變器（實現直流與交流的轉換）、風能逆變器、電動汽車與混合動力汽車、工業驅動以及輕軌牽引等需要大功率電源轉換的應用。
SiC半導體潛在應用領域較為廣泛，對新能源汽車、軌道交通、智能電網和電壓轉換等領域都具有重大意義。隨著下游行業對半導體功率器件輕量化、高轉換效率、低發熱特性需求的持續增加，SiC在功率器件中取代Si成為行業發展的必然。根據國家新能源汽車推廣規劃，2015年國內電動汽車充電站數量將達到4000座，同時大力推廣充電樁的建設；2016—2020年，國家電網的充電站建設目標高達10000座，建成完整的“四縱四橫”電動汽車充電網絡。隨著新能源及大功率電源轉換相關產業的成熟，SiC功率器件將迎來高速發展期。
碳化硅半導體在多個領域實現對硅的逐步替代
據Yole Developpement估計，2013—2022年間SiC功率半導體市場規模的年均復合增速預計將達到38%。隨著SiC產量的快速提升，其生產成本將不斷下降，優異的性能將使得SiC在功率器件領域逐步實現對Si半導體的替代。面對120 億美元晶體市場，300 億美元電源管理元件市場，400 億美元類比晶片市場，SiC半導體未來發展和替代空間巨大。
碳化硅功率半導體應用市場將逐步拓展
目前整個碳化硅行業仍處于發展初期。碳化硅晶圓生長技術難度較大，全球僅極少數企業能夠量產，導致SiC單晶材料的價格長期居高不下，價格因素也成為阻礙SiC進入民用功率半導體市場的主要原因。
碳化硅器件的發展歷程
美國的科銳公司是行業領導者，其在該市場之中具備大量專利，形成了技術上的壟斷（目前其專利大部分碳化硅制造相關專利已經或即將到期，對行業發展和國內企業來說是巨大的利好），目前已經實現了6英寸碳化硅單晶的量產，12年就具備產量80-100萬片之間，占據全球市場碳化硅單晶80%以上市場份額。目前歐洲和日本部分企業也相繼推出了2—3英寸碳化硅單晶生產計劃，提前搶灘碳化硅市場。
碳化硅最大的應用市場在中國，占據全球近一半的使用量，但是我國的碳化硅產業還很不完善，國內從事碳化硅材料及器件研發制造的多為高校和科研院所，缺乏產業化能力，不過近兩年來國內已有少數企業開始進入碳化硅領域。
2012-2022年全球碳化硅半導體產業規模預測
國內碳化硅產業發展態勢
國內碳化硅企業概況：
1）北京天科合達專業從事碳化硅晶片制造，已經具備了生產2—4英寸碳化硅晶片的能力，形成了一條年產7萬片碳化硅晶片的生產線；
2）北京泰科天潤擁有一座完整的碳化硅半導體晶圓廠，可在4英寸SiC晶圓上現半導體功率器件的制造，是目前國內唯一擁有碳化硅器件生產線的企業；
3）中電55所也擁有4英寸碳化硅晶片產能，碳化硅器件也已實現量產，但主要供軍用；
4）山東天岳是一家以研制、生產半導體晶片及襯底材料為主的民營企業，是山東大學產業化基地。該企業40萬片的年產量，其碳碳化硅晶片主要面向如發電、輸電、鐵路、照明等民用領域；
5）國家電網智能電網研究院聯合天科合達等企業實現了碳化硅從單晶材料制備、外延材料生長到二極管芯片研制及其在電力系統應用驗證的全產業鏈國產化，并形成了年產能2萬片4英寸SiC晶片、30片4英寸外延片的晶圓產能，在碳化硅器件方面則具備了年產10萬只碳化硅二極管、1萬只碳化硅模塊的小批量生產能力。
相關報告：中國產業信息網發布的《2015-2020年中國碳化硅單晶片市場深度評估及投資戰略咨詢報告》
