1、第三代半导体助力国家第三代半导体助力国家“双碳双碳”战战略略目录目录CONTENTS第三代半导体产业进第三代半导体产业进展展三一概概述述结论与建结论与建议议四第三代半导体的地位和作第三代半导体的地位和作用用二0 1概述概述4三代电网的划分电网中的功率半导体技术”碳中和、碳达峰”，第三代半导体，未来可期2020年年 9月月22日，我国宣布，二氧化碳排放力日，我国宣布，二氧化碳排放力争争 于于2030年前达到峰值，努力争取年前达到峰值，努力争取2060年前实年前实现现“碳中和碳中和”。可提升能源转换效率的第三代半导体产业正在开可提升能源转换效率的第三代半导体产业正在开启启 发展加速度，有望成为绿色
2、经济的中流砥柱。目前，发展加速度，有望成为绿色经济的中流砥柱。目前，第三代半导体的触角已延伸至数据中心、新能源第三代半导体的触角已延伸至数据中心、新能源汽汽 车等多个关键领域，整个行业渐入佳境，未来可期车等多个关键领域，整个行业渐入佳境，未来可期。向世界的郑重承诺实现实现双碳目标标，没有退路政府加大力度抓落实规规划和政策双管齐齐下2021年3月5日，政府工作报告指出，制定2030年前碳排放达峰行动方 案。优化产业结构和能源结构，推动煤炭清洁高效利用，大力发展新 能源，在确保安全的前提下积极有序发展核电。2021年3月13日，十四五规划中要求制定2030年前碳排放达峰行动方 案，锚定努力争取20
3、60年前实现碳中和；十四五时期单位国内生产总 值能源消耗和二氧化碳排放分别降低13.5%、18%。2021年3月15日，习近平总书记在中央财经委员会第九西会议上强调，要把碳达峰、碳中和纳入生态文明建设整体布局，拿出抓铁有痕的劲 头，如期实现2030年前碳达峰、2060年前碳中和目标。8“双碳双碳”目标下，提出构建目标下，提出构建“新型电力系统新型电力系统”今年3月15日，中央财经委员会第九次 会议，研究促进平台经济健康发展问 题和实现碳达峰、碳中和的基本思路 和主要举措。会议指出，要构建清洁低碳安全高效 的能源体系，控制化石能源总量，着 力提高能源利用效率，实施可再生能 源替代行动，深化电力体
4、制改革，构 建以新能源为主体的新型电力系统。在“新型电力系统”中，新能源发电、柔性输配电、储能、用电等各个环节 构成未来的能源互联网，功率半导体 是重要的支撑。多端直多端直 流互流互联联风电场风电场 并并网网海上钻井海上钻井 平台平台/孤岛孤岛 供供电电电网互联电网互联/电电 力交力交易易太阳能发太阳能发 电并电并网网特大城特大城 市供市供电电为实现为实现“双碳双碳”目标，巨大的投入必不可目标，巨大的投入必不可少少5月18日，渣打全球研究团队发布报告显示，为达成碳中和目标，2060年前中国在 脱碳进程中需进行高达人民币127-192万亿元的投资，相当于平均每年投资人民币3.2-4.8 万亿元。
5、考虑到中国能源密集型增长模式和以煤炭为主的能源消费体系，以及相对较短的碳达 峰到碳中和的过渡期，实现这一目标对中国来说极具挑战。政府需兼顾中期内的增长目标与降低碳排放强度的约束性指标，有鉴于此，中国的年 碳排放量约在2030年或之前达到峰值108亿吨-116亿吨。减碳要求中国经济推进重要转型，意味着服务业、低碳和高科技制造业的GDP占比上 升，且能源消费由化石能源转向可再生能源。中国强大的制造业能力和规模经济，使其在从可再生能源的研发到大规模生产和消费 并实现盈利的跨越中处于有利地位。金融业在为绿色投资融资，管理气候变化和产 业转型风险，以及推进碳排放合理定价方面将起重要作用。0 2第三代半导
6、体的地位与作第三代半导体的地位与作用用10第三代半导体材料特征发展现状未来趋势始于1990年代氮化镓、碳化硅等（2eV）材料：氮化镓、碳化硅、氮化铝、金刚石等三大主要应用领域：光电子、电力电子和微波射频第三代半导体的突出特征“五高”特性高光效高光效高功率高功率高电压高电压高频率高频率高工作温度高工作温度 第一代半导体第一代半导体:以硅以硅（Si）和锗和锗（Ge）等元素半导体为代表，奠定微电子产业基础等元素半导体为代表，奠定微电子产业基础；第二代半导体第二代半导体:以砷化镓以砷化镓（GaAs）和磷化铟和磷化铟（InP）等化合物半导体为代表，奠定信息产业基础等化合物半导体为代表，奠定信息产业基础；
7、第三代半导体第三代半导体:以氮化镓以氮化镓（GaN）、碳化硅、碳化硅（SiC）等宽禁带化合物半导体为代表，支撑战略性新兴产业发展，等宽禁带化合物半导体为代表，支撑战略性新兴产业发展，实实 现换道超车，重塑国际半导体产业格局现换道超车，重塑国际半导体产业格局。1112来源来源：IMT-2020(5G)1 是开启是开启5G、人工智能、万物互联，支撑智能社会发展的核、人工智能、万物互联，支撑智能社会发展的核心心为移动通信、卫星通信提供峰值为移动通信、卫星通信提供峰值10Gbps以上的带宽、毫秒级时延和超高密度连接的核心器件以上的带宽、毫秒级时延和超高密度连接的核心器件；为移动终端、智能设备提供低能耗
8、、小型化、便携式的供电系统为移动终端、智能设备提供低能耗、小型化、便携式的供电系统。为什么是第三代半导体？为什么是第三代半导体？为什么是第三代半导体？为什么是第三代半导体？1支撑新能源并网和能源互联网发展支撑新能源并网和能源互联网发展2支撑现代轨道交通装备、新能源汽车等产业升支撑现代轨道交通装备、新能源汽车等产业升级级电力电子变压器电力充电机其它部件牵引变流器辅助电源系统2 是支撑节能减排，实现是支撑节能减排，实现“双碳双碳”目标的核心技目标的核心技术术更多里程数更多里程数！330-360公里公里300公里公里为什么是第三代半导体？为什么是第三代半导体？3 是实现绿色照明、推动医疗与健康，不断
9、光电子产业发展的重要途是实现绿色照明、推动医疗与健康，不断光电子产业发展的重要途径径1LED技术进步与应用拓展：技术进步与应用拓展：健康照明与光健康/光医疗，智慧照明，农业照明2深紫外深紫外LED催生的新应用：催生的新应用：医疗、空气和污水净化、消毒等3激光显示、激光显示、MicroLED等引领的新显示应用等引领的新显示应用154.是提升航空航天和国防能力的重要保是提升航空航天和国防能力的重要保障障 在微波功率器件方面在微波功率器件方面，GaN 射频器件具有工作电压高、输出功率大、抗辐射能力强等优点，将实现精射频器件具有工作电压高、输出功率大、抗辐射能力强等优点，将实现精度度 更高、辐射距离更
10、远更高、辐射距离更远；使用高频、高可靠、长寿命、工作温度范围宽、抗辐照能力强的第三代半导体功率器件可以有效降低航使用高频、高可靠、长寿命、工作温度范围宽、抗辐照能力强的第三代半导体功率器件可以有效降低航空空 航天电源及配电分系统的重量和体积，起到抵抗极端环境和降低能耗的作用航天电源及配电分系统的重量和体积，起到抵抗极端环境和降低能耗的作用。为什么是第三代半导体？为什么是第三代半导体？16“双碳”的重点在能源，而能源的重点在电力电力的基础是电网：历经“三代电网”的发展两大特征：大规模可再生能源的集中和分散接入；电网运行控制和用电的全面智能化。挑战：电源和电力网发展模式，电网装备水平，电网运行控制
11、、仿真计算分析，智能用电以及用户与电网双向互 动等多个方面，提出了前所未有的挑战。机遇：未来将在大型骨干电源建设，国家级主干电网建设，电网运行控制和调度的数字化、信息化、智能化等方面进一步创新发展。第一代电网：19 世纪中叶，物理学中电磁现象的科学发现和技术发明，以及工业化升级对能源动力的强烈需求，催生了 19 世纪末 20世纪初的电力工业。第二代电网：二战结束后，为满足社会经济发展的需要，电网规模不断扩 大，形成了大型互联电网；发电机组单机容量达到 30 万100 万 kW；建立了 330 kV 及以上电压等级的超高压/特高 压交流、直流输电系统。第三代电网：*部分内容引自中国电机工程学报，
12、Vol.33 No.22Aug.5,2013“电网和电网技术发展的回顾与展望试论三代电网”，作者：周孝信（中国工程院院士）、陈树勇、鲁宗相可控汞弧阀半控器件：晶闸管全控器件：Si 基I G BT第三代半导体器件（Si C、G aN）D C 输电“三代电网三代电网”中的功率半导体技中的功率半导体技术术FACTs,DFACTs，VSC-HVDCFACTs,H V D C19541954年，瑞典本土和哥特兰岛之间建成 100kV，20MW，96km的海底电缆直流输电工 程，采用汞弧换流技术。这是世界上第一个工程化的高 压直流输电工程。电网技术 进入“换流时代”1950-20101972年，加拿大伊尔
13、河直流背靠 背工程，80kV，320MW，世界 上首个采用晶闸管换流阀技术的直 流输电工程。1980年，美国提出以电力电子为 核心的灵活交流输电技术（FACTS）体系。1989年，葛洲坝-上海 500kV，中国第一个超高压直流输电工程2010年，向家坝-上海 800kV，6400MW特高压直流2006-20502006年，Estlink工程，电力交易、系统互 连、采用地下电缆，150kV，350MW，采用IGBT的三电平电压源换流柔性直流 输电技术。2015年，法西电网互联，320kV，2*1000MW，采用IGBT的MMC柔性直流 输电技术。截止2020年，国网、南网已完成多个柔直 和直流微
14、网示范工程。以化石能源为主体的能源结构正逐步向以风、光等可再生能源为主的绿色清洁能 源结构转型，已成为世界能源战略的广泛共识；新能源的间歇性、波动性给现有电网的安全稳定性提出了严峻挑战，为此，亟需 变革电网输配方式，以适应能源转型的需求，柔性直流输电、直流微网成为选项。可再生能源发展需求东东/南部地区南部地区大大 规模海上风规模海上风电电（约（约200GW）三北地三北地区区 风电基风电基地地西藏地区高比西藏地区高比例例（超（超50%）可）可再再 生能生能源源我国可再生能源规划示意能源发展趋势以新能源为主题的“新型电力系统”新型电力系统符合第三代电网的两大特征：大规模可再生能源的集中和分散接入；
15、电网运行控制和用电的全面智能化；第三代半导体器件（SiC和GaN功率器件）与新一代柔性交流和直流输配电技术相结合将极大提升所有换流、变 流和用电装置及其系统的性能：减小体积和重量、降低损耗与提高效率、提高系统可靠性。核心技术：柔性直流换流及其电力电子技术新型电力系统形态：大电网+微网可 控 P 、Q南方 电网交流、直流联网国家电网MGsMGsMGs双向信息流区域电网MGMGMGM G微电网大电网UHVDCUHVAC双向电力流双向信息流双向电力流VSC-HVDC20新型电力系统的使命与传统电网相比，新型电力系统的使命将发生重大变化，具体表现在：与传统电网相比，新型电力系统的使命将发生重大变化，具
16、体表现在：“开源、输开源、输 通和节流通和节流”。“开源开源”是指由化石能源发电为主转向可再生能源发电为主，是指由化石能源发电为主转向可再生能源发电为主，“输输通通 ”就是能源互联网的建设，就是能源互联网的建设，“节流节流”是指在新能源发电、能源互联网、微网与是指在新能源发电、能源互联网、微网与智能智能 用电等电力转换环节要采用第三代半导体功率器件技术，优化系统结构、提用电等电力转换环节要采用第三代半导体功率器件技术，优化系统结构、提高转换高转换 效率、减小设备体积。其中能源互联网将成为：效率、减小设备体积。其中能源互联网将成为：1）大规模新能源电力的输送网络，具有接纳大规模可再生能源电力的能
17、力。2）灵活、高效的能源配置和供应系统，建立用户需求响应机制，分布式电源和储 能将改变终端用电模式，电能将在电网和用户之间双向流动，大幅度提高终端能 源利用效率。3）安全、可靠的智能能源网络，具有极高的供电可靠性，基本排除大面积停电的 风险。4）覆盖城乡的能源、电力、信息的物联网和综合服务体系，实现“多网合一”，成为能源、信息的双重载体。21新型电力系统“八大”核心技术 1）高能量密度、高效储能技术：集中大容量与灵活分布式储能 2）新型电力电子装置：电能路由器、直流断路器和电力变换器 3）高性能功率集成与封装技术 4）新型电力电子器件与模组：第三代半导体器件（SiC、GaN）5）新型配电技术：
18、直流微网 6）新型一体化控制与保护系统 7）用电侧分布式电源与微网 8）信息安全与能源互联网操作系统0 3第三代半导体产业进第三代半导体产业进展展国内外产业分布典型其应用22美国：SiC领域全球技术领先，占 有最大市场份额欧洲：专注第三代半导体设计和器件开发日本：技术力量雄厚、产业链完整、专注SiC器件和GaN晶体中国：发展较快，具备 技术和市场基础全球第三代半导体产业分布珠三角半导体照明产业全国领珠三角半导体照明产业全国领先先闽三角第三代半导体产业龙头牵闽三角第三代半导体产业龙头牵 引，发展迅引，发展迅速速中西部科研资源、军工应用基础中西部科研资源、军工应用基础 雄雄厚厚北京研发力量全国最强
19、，具较完北京研发力量全国最强，具较完 整的整的SiC链条链条长三角长三角GaN链条链条比比 较完备，侧重电较完备，侧重电力力 电子和微波射电子和微波射频频国内第三代半导体产业分布新能源汽车市场成为SiC半导体应用的主要驱动力新能源汽车市场新能源汽车市场SiC、GaN功率市场规模（亿元）功率市场规模（亿元）资 料 来 源：CASA Research新能源汽车市场新能源汽车市场SiC晶圆需求预测（万片）晶圆需求预测（万片）资 料 来 源：CASA Research国内第三代半导体产业进展CASA Research预计国内SiC汽车市场将以30.6%的复合年增长率增长，2020年市场规模15.8亿元
20、，到2025年将超过45亿元。预计 国际SiC汽车市场将以38.0的复合年增长率增长，到2025年将超过100亿元。26.433.845.914.55.915.280.027.619.238.122.052.672.6100.20.0020.0040.00100.0080.0060.00120.002019年 2020年(E)2021年(F)2022年(F)2023年(F)2024年(F)2025年(F)中国新能源汽车SiC、GaN功率市场规模（亿元）全球新能源汽车SiC、GaN功率市场规模（亿元）1.517.728.63.84.15.17.110.215.08.723.511.838.162
21、.450.0040.0030.0020.0010.000.0060.002019年2020年(E)2021年(F)2022年(F)2023年(F)2024年(F)2025年(F)6英寸SiC-on-SiC晶圆需求量（国内）6英寸SiC-on-SiC晶圆需求量（全球）GaN电力电子器件在消费电子PD快充市场爆发PD快充快充GaN电力电子器件市场规模（亿元）电力电子器件市场规模（亿元）资 料 来 源：CASA ResearchPD快充快充6英寸英寸GaN-on-Si晶圆需求量（万片）晶圆需求量（万片）资 料 来 源：CASA Research国内第三代半导体产业进展CASA Research数据显
22、示，2020年国内PD快充GaN电力电子器件市场规模约1.5亿元，预计到2025年市场规模将超过40亿元，年均 复合增长率97%。而2020年全球PD快充GaN电力电子器件市场规模超过3亿元，预计到2025年市场规模达到80多亿元，年均复合增 长率90%。4.402019年2020年2021年2022年2023年2024年2025年全球（亿元）国内（亿元）9082.81130129.0801107058.429086.26067.45043.26704028.3530.295039.944.73020100.701.323.212.479.1516.648.4014.6430100.70.33
23、.71.712.022.520.60-102019年2020年2021年2022年2023年2024年2025年5.711.36英寸GaN-on-Si晶圆需求量（全球）6英寸GaN-on-Si晶圆需求量（国内）SiC和和GaN功率器件的应用领域划功率器件的应用领域划分分不同封装的碳化硅功率模不同封装的碳化硅功率模块块1200V/100A SiC six-pack power module50 kW liquid-cooled 3-phase inverter developed based on this module for EV/HEV applications50kW液冷碳化硅三相逆变液
24、冷碳化硅三相逆变器器100 kW 三电三电平平 T型型(3L-T2),单相功率单单相功率单元元ITRW Position Paper May 2018Compact 250kW Inverter using SiC MOSFETs1200 V，445 A全SiC模块 导通电阻3.6 m最高运行温度175C Mosfet：Wolfspeeds CAS325M12HM2250kW 全SiC 三相逆变器GaN功率半导体器件功率半导体器件GaN功率半导体器件功率半导体器件：主要以Si基GaN异质外延为主，目前已实现6/8英寸工艺平台量产，产品性 能已能满足手机和PD快充、光伏微型逆变器、白色家电电源、
25、数据中心服 务器电源等小功率应用。随着材料和工艺技术的进步，未来有望不断提升电 压到900V-1200V，向更高电压和更大容量渗透。结论与建议结论与建议第三代半导体是中国半导体产业崛起的突破口，在关键材料、核心工艺与器件、先进第三代半导体是中国半导体产业崛起的突破口，在关键材料、核心工艺与器件、先进封封 装装和应用示范方面已取得突破，并具备产业化基础。当前，需做好与应用端的对接，和应用示范方面已取得突破，并具备产业化基础。当前，需做好与应用端的对接，强强 化标化标准化，培育应用市场准化，培育应用市场。“碳达峰、碳中和碳达峰、碳中和”国家战略是新一轮经济发展的巨大引擎，第三代半导体将助力这国家战
26、略是新一轮经济发展的巨大引擎，第三代半导体将助力这一一 战战略的实现，并成为实施这些国家战略的关键核心技术和产业略的实现，并成为实施这些国家战略的关键核心技术和产业。以新能源为主体的新型电力系统是第三代半导体功率器件技术应用的机遇和巨大市场以新能源为主体的新型电力系统是第三代半导体功率器件技术应用的机遇和巨大市场，目目前已具备先期布局的基础，有实力的企业应加速开展核心技术和装备的研发，推动前已具备先期布局的基础，有实力的企业应加速开展核心技术和装备的研发，推动示示 范应范应用用。新型电力系统是采用新技术和新系统的历史机遇，这一领域极有可能成为未来技术创新新型电力系统是采用新技术和新系统的历史机遇，这一领域极有可能成为未来技术创新、模式创新、产业创新和体制机制创新的沃土模式创新、产业创新和体制机制创新的沃土。33
