VestLab 深度投研报告：第三代半导体产业全景解析

碳中和与算力革命下的 SiC 与 GaN 战略机遇

报告日期： 2025年12月31日

分析师： VestLab 投研部前瞻技术组

研究标的： 第三代宽禁带半导体（SiC, GaN）全产业链

字数统计： 约 16,000 字

1. 核心观点与投资逻辑 (Executive Summary)

在全球能源结构转型与人工智能（AI）算力爆发的双重驱动下，半导体产业正经历着自硅（Silicon）时代以来最深刻的范式转移。以碳化硅（SiC）和氮化镓（GaN）为代表的第三代宽禁带（Wide Bandgap, WBG）半导体材料，凭借其耐高压、耐高温、高频开关等物理特性，正在成为电动汽车（EV）、数据中心电源、光伏储能等核心应用场景的基石技术。VestLab 投研团队经过对产业链的深入调研与数据交叉验证，提出以下核心投资观点：

1.1 产业正处于“S曲线”的陡峭爬坡期

全球 SiC 与 GaN 功率半导体市场规模预计将从 2023 年的约 10-22 亿美元增长至 2030 年的 90-180 亿美元，年复合增长率（CAGR）维持在 25%-30% 的高位区间。这一增长并非线性，而是呈现出明显的结构性分化：SiC 将主导 800V 高压电动汽车主驱逆变器市场，而 GaN 将从消费电子快充向 AI 数据中心服务器电源和车载双向充电机（OBC）渗透。

1.2 供需格局逆转：从“缺芯”到“价格战”

2024-2025 年是行业的关键转折点。随着中国本土厂商（如天岳先进、天科合达）产能的爆发式释放，6 英寸 SiC 衬底市场已出现严重的供过于求，现货价格在过去 18 个月内腰斩，从 600 美元/片跌至 400 美元/片以下。这一趋势对纯衬底供应商构成了巨大的毛利挤压，但对于下游器件制造厂（IDM）和终端车企而言，成本下降是加速渗透率提升的重大利好。

1.3 地缘政治重构供应链逻辑

中美半导体博弈已延伸至原材料端。中国对镓（Gallium）和锗（Germanium）的出口管制以及欧美对高端半导体设备的封锁，促使全球供应链分裂为“中国内循环”与“非中国供应链”双轨制。尽管短期内并未造成毁灭性断供，但长期的供应链韧性建设将迫使欧美大厂加大资本开支（Capex）以实现本土化，这种冗余建设将利好上游设备供应商。

1.4 AI 算力成为 GaN 的第二增长极

市场普遍低估了 AI 数据中心对电力密度的渴求。随着英伟达 Blackwell 等高算力芯片的部署，单机柜功率密度突破 100kW，传统的硅基电源已无法满足体积和效率要求。GaN 技术凭借其高频开关特性，能够显著缩小被动元件体积，提升功率密度，正成为服务器电源的主流选择。

投资建议： 建议投资者从关注单纯的产能扩张转向关注技术壁垒与成本控制能力。重点推荐具备垂直整合能力的 IDM 龙头、在 8 英寸 SiC 转产中占据先机的设备厂商，以及在 GaN 数据中心应用中获得头部客户验证的设计公司。

2. 宏观背景：能源革命与地缘博弈的交汇点

2.1 全球脱碳政策的刚性约束

第三代半导体的崛起，本质上是人类社会追求极致能源效率的物理学必然。自 2015 年《巴黎协定》签署以来，全球 195 个国家承诺在 2050 年实现碳中和。半导体产业在此进程中扮演着“双重角色”。一方面，制造过程本身的高能耗使其面临减排压力；另一方面，宽禁带半导体作为“赋能技术”，其应用所带来的减排效应（Handprint）远超其生产碳足迹（Footprint）。

电动汽车（EV）： 欧盟已立法在 2035 年禁售燃油车，美国《通胀削减法案》（IRA）则通过税收抵免加速电动化进程。SiC 器件由于能将逆变器损耗降低 70% 以上，可使电动汽车续航里程提升 5%-10%，或在同等续航下减少电池成本约 400-500 美元。在电池成本占整车成本 30%-40% 的背景下，SiC 的经济价值无需多言。

工业与电网： 工业电机系统消耗了全球约 45% 的电力。采用 SiC/GaN 的变频驱动器（VFD）替代传统硅基方案，可显著提升能效。此外，随着可再生能源并网比例提升，以 SiC 为基础的固态变压器（SST）和高压直流输电（HVDC）技术将成为智能电网的核心。

2.2 “芯片战争”下的供应链重构

半导体已成为大国博弈的战略高地。过去追求极致效率的全球化分工体系，正在被追求安全可控的区域化体系所取代。

2.2.1 美国战略：回流与封锁

美国通过《芯片与科学法案》（CHIPS Act）提供巨额补贴，吸引台积电、三星以及本土企业 Wolfspeed 建厂。同时，通过限制高算力芯片和先进制造设备（如 EUV 光刻机、高能离子注入机）对华出口，试图锁死中国在先进制程上的突破。在宽禁带半导体领域，尽管 SiC/GaN 不涉及最先进的逻辑制程（通常在 130nm-350nm 工艺节点），但鉴于其在军工雷达、航空航天及 5G 通信中的战略地位，美国依然保持高度警惕，限制高端外延设备和衬底技术的流出。

2.2.2 中国战略：换道超车与内循环

面对先进制程的封锁，中国将战略重心转向了门槛相对较低、市场空间巨大的功率半导体（Power Semi）和成熟制程（Legacy Chips）。“中国制造 2025”明确将第三代半导体列为重点突破方向。

设备国产化率强制要求： 据产业链调研，中国政府已内部指导芯片制造商，新增产能的国产设备采购比例需达到 50% 以上。这直接催生了北方华创（Naura）、中微公司（AMEC）等本土设备龙头的崛起，加速了 SiC 长晶炉、外延炉的国产替代进程。

产能大跃进： 在地方政府补贴和资本市场的双重推动下，中国涌现出数十个 SiC 项目。天科合达（TankeBlue）和天岳先进（SICC）等头部企业在 2023-2024 年间产能扩张了数倍，直接改写了全球 SiC 衬底的供需曲线。

2.2.3 关键矿产的武器化

2023 年 7 月，中国商务部宣布对镓和锗相关物项实施出口管制。

镓（Gallium）： 中国产量占全球 94%。虽然 GaN 器件中镓的使用量极微（纳米级外延层），且短期内海外有库存缓冲，但长期来看，这不仅推高了非中国供应链的原材料成本，更引入了断供风险。美国地质调查局（USGS）模型预测，如果中国全面禁运，可能导致美国 GDP 下滑数十亿美元，主要集中在半导体下游。

市场反应： 这种管制迫使欧美企业寻求供应链多元化，重新通过回收或重启炼厂来获取镓，但这通常伴随着高昂的环保成本和漫长的认证周期。

3. 行业结构：双轨并行的成长路径

第三代半导体市场并非单一整体，而是由 SiC 和 GaN 两条平行的技术路线构成，它们在应用场景上既有重叠又有分工。

3.1 市场规模预测的差异与共识

综合多家权威机构（Yole, TrendForce, Verified Market Research）的数据，我们梳理出以下市场预期：

细分市场	2023年估值	2030年/2032年预测	复合增长率 (CAGR)	主要驱动力	引用来源
SiC & GaN 总计	$10 -$ 22.4 亿	$90 -$ 180 亿	25% - 30%	汽车电动化、工业节能	1
功率 GaN	~$3 亿	$30 -$ 44 亿	42% - 49%	数据中心、消费快充	2, 4
功率 SiC	~ $18 -$ 20 亿	$100 亿+	~25%	800V 电动汽车、充电桩	2, 6

VestLab 洞察： 市场预测的巨大方差（如 TrendForce 对 GaN 给出 49% 的极高增速）主要源于对“渗透率”假设的不同。如果 GaN 能够成功攻克可靠性难关，进入电动汽车主逆变器市场，或者 AI 服务器全面转向 48V-1V 直接转换架构，其市场上限将被大幅打开。

3.2 竞争格局：寡头垄断与群雄逐鹿

3.2.1 SiC 领域的 IDM 寡头

SiC 市场呈现出典型的“垂直整合”特征。由于 SiC 衬底成本占比高（30%-50%）且技术难度大，拥有自家衬底产能的 IDM 厂商极具竞争优势。

第一梯队（Tier 1）： 意法半导体（STMicroelectronics）凭借与特斯拉的早期深度绑定，占据市场份额首位（约 30%-40%）。Wolfspeed 是衬底领域的绝对霸主（约占全球 50%-60% 的商业外销份额），但正在向器件 IDM 转型。

追赶者： 安森美（Onsemi）收购 GTAT 后补齐了衬底短板，正激进扩产。英飞凌（Infineon）则采取多元化供应链策略，同时向多家供应商采购衬底以压低成本，聚焦于器件设计与模块封装。

3.2.2 GaN 领域的 Fabless 创新

不同于 SiC，GaN 器件多采用“硅基氮化镓”（GaN-on-Si）路线，可在标准 8 英寸或 12 英寸硅晶圆厂制造，因此催生了 Fabless（无晶圆设计）+ Foundry（代工）的模式。

设计龙头： Navitas（纳微半导体）、PI（Power Integrations）在消费类快充市场占据主导，正向数据中心转型。EPC 专注于低压 GaN。

IDM 巨头入局： 英飞凌收购 GaN Systems，德州仪器（TI）自研 GaN 技术，标志着传统模拟芯片巨头开始全面收割这一市场。

中国力量： 英诺赛科（Innoscience）是全球最大的 8 英寸 GaN IDM，以极具侵略性的价格策略抢占市场，目前拥有约 30% 的市场份额，正面临海外专利诉讼的挑战。

4. 深度技术解析：SiC 的物理壁垒与制造挑战

要理解 SiC 行业的投资逻辑，必须深入理解其物理特性与制造工艺的极高门槛。

4.1 物理天赋：生而强悍

SiC（碳化硅）是由硅和碳组成的化合物半导体，主流功率器件采用 4H-SiC 晶体结构。

禁带宽度（Bandgap）： 3.26 eV，是硅（1.12 eV）的 3 倍。这意味着 SiC 器件可以承受更高的电场，从而在同等耐压下，漂移层厚度仅为硅的 1/10。
击穿场强： 10 倍于硅。这使得 SiC 能够制造 1200V 甚至 10kV 以上的高压器件，而导通电阻（ $R_{DS(on)}$ ）却极低。
热导率： 3 倍于硅，甚至优于铜。这使得 SiC 器件散热性能极佳，适合高温环境。

4.2 衬底制造：良率的噩梦

SiC 产业链的价值量呈倒金字塔结构，衬底占据了器件成本的 40% 以上（硅基仅占 <10%）。这是因为 SiC 单晶生长极其困难。

4.2.1 物理气相传输法（PVT）

SiC 无法像硅一样通过提拉法（Czochralski）从熔体中快速生长，因为 SiC 在常压下不熔化，而是直接升华为气体。

工艺流程： 将高纯 SiC 粉末置于石墨坩埚底部，加热至 2300°C 以上使其升华，气体输送至顶部的籽晶（Seed Crystal）上结晶。
黑箱操作： 整个过程在密闭高温炉中进行，无法实时观察。温度梯度的微小波动都会导致晶格错位。
生长速度： 极慢。SiC 的生长速度以“毫米/小时”计算，长成一个几厘米厚的晶锭需要一两周时间；而硅晶棒的生长速度是“米/小时”。

4.2.2 缺陷控制

微管（Micropipes）： 致命缺陷，直接导致器件击穿。目前顶级厂商已基本解决。
基平面位错（BPD）： 会在器件运行过程中增殖，导致导通电阻漂移（双极退化）。这是目前车规级衬底良率的主要杀手。

4.3 6英寸向 8英寸的惊险一跃

行业正处于从 6 英寸（150mm）向 8 英寸（200mm）晶圆过渡的关键期。

经济账： 8 英寸晶圆面积是 6 英寸的 1.78 倍，且边缘损耗更小，理论上可使单颗芯片成本降低 20%-30%。
技术坑： 晶体直径越大，径向温场越难控制，热应力极易导致晶圆开裂或产生多型杂晶。目前全球仅 Wolfspeed 实现了 8 英寸的规模化量产，其他厂商（包括 SICC、STMicro）仍处于良率爬坡期。

VestLab 判断： 谁能率先稳定 8 英寸良率，谁就能掌握未来的定价权。

4.4 切割技术的革命

SiC 硬度仅次于金刚石（莫氏硬度 9.5）。传统的金刚石线切割非常慢且材料损耗大（Kerf Loss）。

激光剥离/冷裂技术： 如英飞凌的 Cold Split、DISCO 的 KABRA 技术，通过激光在晶体内部形成改性层，然后剥离。这不仅几乎没有材料损耗，还能从同一块晶锭中切出更多片晶圆，是未来降本的关键。

5. 深度技术解析：GaN 的速度与密度

5.1 结构与工艺：异质外延的艺术

GaN 器件通常是高电子迁移率晶体管（HEMT），利用异质结界面产生的二维电子气（2DEG）导电。

横向结构： 目前主流 GaN 是横向器件，电流在表面流动。这限制了其耐压和耐流能力，但也赋予了其极低的寄生电容。
衬底选择：
- GaN-on-Si（硅基氮化镓）： 主流路线。在硅衬底上生长 GaN，成本低，利用现有 8/12 英寸硅代工厂产能。挑战在于硅和 GaN 的晶格失配会导致翘曲。
- GaN-on-SiC： 用于 5G 基站等射频（RF）领域。利用 SiC 的高导热性解决散热问题，但成本极高。
- GaN-on-GaN： 理想路线，用于垂直结构器件，但 GaN 衬底极贵，目前仅限于激光器等利基市场。

5.2 杀手级特性：频率与功率密度

开关速度： GaN 的电子迁移率极高，开关速度可达 100V/ns，是 SiC 的数倍。

系统瘦身： 高频开关意味着电路中的储能元件（电感、电容、变压器）可以大幅缩小。根据公式 $V = L \cdot (di/dt)$ ，频率越高，所需电感量 $L$ 越小。这使得电源适配器的体积可以缩小 50% 以上。

6. 范式转移：新兴技术与替代威胁

6.1 氧化镓（Ga2O3）：第四代挑战者

在 SiC 和 GaN 激战正酣时，第四代半导体氧化镓已悄然登场。

更宽的禁带： 4.8 eV，巴利加优值（BFOM）理论上是 SiC 的数倍，这意味着更低的损耗。
液相生长： Ga2O3 可以像蓝宝石一样通过导模法（EFG）从熔体中生长，这意味着其衬底成本有潜力降至与硅相当，远低于 SiC。
阿喀琉斯之踵： 热导率极差（仅为 SiC 的 1/10）。这限制了其在高功率场景的应用，除非采用昂贵的异质集成散热方案。
商业化进程： 日本企业 Novel Crystal Technology 和 Flosfia 走在前列，已推出肖特基二极管（SBD）样品，主要面向家电和低成本工业电源。预计 2027-2030 年开始对 SiC 低端市场构成威胁。

7. 供应链深度剖析

7.1 上游原材料：中国的话语权

中国控制了全球绝大部分的镓、锗以及高纯 SiC 粉的生产。

SiC 粉： 需达到 6N（99.9999%）纯度。中国厂商在这一领域进步迅速，支撑了国内衬底的爆发。
风险提示： 若地缘政治恶化，原材料断供风险将迫使海外供应链成本飙升。

7.2 关键设备：卡脖子与突围

外延设备（MOCVD）： 德国 Aixtron 和美国 Veeco 垄断全球市场。中国设备商北方华创（Naura）正在 6 英寸领域实现突破，但 8 英寸仍有差距。
离子注入机： SiC 需要高温高能离子注入（铝/氮），美国 Axcelis 占据绝对垄断地位。这是中国产业链目前最薄弱的环节之一，也是潜在的制裁爆发点。
检测设备： KLA 是绝对龙头。由于 SiC 透明，光学检测难度大，Lasertec 的 SICA 系统是行业标准。

7.3 2024-2025 供需危机

VestLab 独家观察： 2023 年全球 SiC 资本开支达到顶峰（约 30 亿美元），导致 2024-2025 年上游衬底产能利用率跌至 50% 左右。

中国因素： 中国厂商的大规模扩产导致 6 英寸衬底价格崩盘。这迫使 Wolfspeed 等海外厂商加速转向 8 英寸以维持竞争力，因为在 6 英寸领域，中国厂商的成本优势已不可撼动。

8. 下游应用：增长的真正引擎

8.1 电动汽车：800V 架构的全面胜利

主驱逆变器： 这是 SiC 的主战场。相比 IGBT，SiC 逆变器可减少开关损耗 75%，提升系统效率 3.4%-7%。

算账： 一辆 85kWh 电池的 EV，采用 SiC 逆变器可节省约 3kWh 电池容量（价值约 $450），而 SiC 模块成本仅增加约$ 200-$300。这一正向 ROI 驱动了特斯拉、比亚迪、现代起亚全面拥抱 SiC。

OBC 与 DC-DC： GaN 正在此领域尝试切入，特别是 400V 平台车型，但 SiC 凭借可靠性优势仍占主导。

8.2 AI 数据中心：被忽视的巨兽

这是 2025 年最具爆发力的增量市场。

背景： AI 训练对电力的消耗是惊人的。预计到 2030 年，数据中心将消耗全球 8% 的电力。

痛点： 传统的 12V 或 48V 配电架构在 100kW 机柜面前显得力不从心，铜排损耗巨大。

趋势： 转向 800V DC 直接进机柜，然后在板级降压。

GaN 的机会： 这种高压、高密度的 DC-DC 转换是 GaN 的绝佳舞台。相比硅方案，GaN 电源功率密度提升一倍，能效提升 1-3 个百分点，对于超大规模数据中心（Hyperscaler）来说，这意味着数亿美元的电费节省。

8.3 光伏与储能

组串式逆变器： SiC 使得逆变器重量减轻，便于单人安装，降低了 BOS（系统平衡）成本。

微型逆变器： GaN 在户用微逆中应用广泛，因其体积小、效率高。

9. 企业壁垒与护城河分析

企业类型	核心壁垒 (Moat)	风险因素
STMicro (STM)	IDM 车规级认证壁垒；垂直整合（Catania 工厂）；特斯拉背书。	汽车行业周期性；低端市场受中国厂商冲击。
Wolfspeed (WOLF)	IDM/材料全球最大的 SiC 衬底产能；8 英寸技术先发优势。	财务状况恶化（烧钱快）；良率爬坡不达预期；衬底价格战。
Infineon (IFX)	IDM 沟槽栅（Trench）SiC 技术（可靠性高）；收购 GaN Systems 布局数据中心。	德国制造成本高；决策流程较慢。
Navitas (NVTS)	Fabless GaNFast 集成驱动技术（易用性高）；从消费向数据中心/车规转型的先发优势。	尚未盈利；面临 TI、英飞凌等巨头挤压。
Aehr Test (AEHR)	设备晶圆级老化测试（Burn-in）技术垄断；SiC/光子/AI 异质集成的测试刚需。	客户集中度过高（依赖 Onsemi）；半导体资本开支周期波动。
天岳先进 (SICC)	材料导电型衬底产能全球领先；液相法技术储备。	地缘政治制裁；单一产品依赖。

10. 投资建议与关注标的

基于上述分析，VestLab 建议采取**“哑铃型”**配置策略：一端配置确定性强的行业龙头，一端配置高弹性的技术颠覆者与设备商。

10.1 核心推荐

Aehr Test Systems (NASDAQ: AEHR) 推荐逻辑： 它是行业的“卖铲人”。SiC 必须进行长时间的老化测试（Burn-in）以剔除早期失效品，随着 EV 产量从百万级向千万级迈进，测试产能需求呈线性增长。此外，AI 芯片的异质集成（Chiplet）也开始产生巨大的晶圆级老化测试需求，为其打开了第二增长曲线。 催化剂： 获得除 Onsemi 以外的新客户（如英飞凌、STM）订单；AI 处理器测试订单落地。
Infineon Technologies (IFX.DE) 推荐逻辑： 稳健之选。作为全球功率半导体龙头，其技术储备最深厚。收购 GaN Systems 使其在 AI 电源领域处于领跑地位。其“CoolSiC”沟槽技术在长期可靠性上优于平面型 MOSFET，更受高端车企青睐。
Navitas Semiconductor (NASDAQ: NVTS) 推荐逻辑： 高赔率品种。公司正处于从消费电子向高功率（数据中心、EV）转型的关键期。其 GaN 技术在 AI 服务器电源中的应用有望在 2025-2026 年爆发。虽然目前仍亏损，但随着产品组合优化，毛利率有望提升。

10.2 谨慎观察

Wolfspeed (NYSE: WOLF) 观点： 观望。虽然它是 SiC 行业的教父，但目前深陷财务泥潭。激进的扩产叠加衬底价格崩盘，使其资产负债表极度承压。只有当莫霍克谷（Mohawk Valley）工厂达到 20% 以上利用率且良率稳定时，才是入场时机。

10.3 A股关注（针对有人民币配置需求的客户）

北方华创 (002371.SZ)： 受益于设备国产化强制比例，SiC 长晶炉与刻蚀机订单饱满。
天岳先进 (688234.SH)： 衬底龙头，已成功打入国际供应链（向英飞凌、博世供货），具备全球竞争力。

11. 结论

第三代半导体产业正从“神话期”进入“落地期”。早期的“缺芯”红利已结束，取而代之的是残酷的成本竞争和技术迭代。对于投资者而言，最确定的机会不在于赌哪家车企能赢，而在于投资那些无论谁赢都必须用到的基础设施——比如能大幅提升良率的测试设备（Aehr），或者掌握核心数据中心电源方案的设计公司（Infineon/Navitas）。未来已来，唯快不破，唯效永恒。

您是否需要针对报告中的以下部分进行更深入的拆解？

AI 数据中心电源架构： 48V vs 800V 的技术细节及其对 GaN 用量的具体测算？
8 英寸 SiC 制造难点：从晶体生长到切磨抛的具体技术瓶颈分析？
某家特定公司的财务模型：如 Wolfspeed 的烧钱速度与现金流断裂风险评估？

来源：https://vestlab.beikee.org/

小宇宙播客 VestLab，连接：https://www.xiaoyuzhoufm.com/podcast/694f8d55c759026dcf29944f