第一代半导体是“元素半导体”，典型如硅基和锗基半导体，适用于数据的运算和存储；其中以硅基半导体技术成熟，应用也较广。近年来Si功率器件结构设计和制造工艺日趋完善，已经接近其材料特性决定的理论极限，依靠继续完善来提高装置与系统性能的潜力有限。因此GaAs等第二代半导体材料和GaN、SiC 等第三代半导体材料开始进入大规模应用。
第二代是砷化镓、磷化铟为基础的III-V 族化合物半导体，主要解决信息通信，应用领域包括半导体激光器、光纤通信、宽带网等信息传输和存储等领域的革命；
第三代是以氮化镓、氮化铟、氮化铝、碳化硅为基础的III-V 族化合物半导体，在电和光的转化方面性能突出，在微波信号传输方面的效率更高，可被广泛应用到照明、显示、通讯等各个领域。特别地，蓝绿光LED 也是基于SiC 或GaN 材料，也是特殊的第三代半导体。
半导体材料演进及应用领域
第二和三代半导体也可以统称为化合物半导体，其市场空间广阔，未来成长性高。2014 年全球半导体市场约3360亿美元，其中化合物半导体市场约512 亿美元，占比仅15%，2014-2020 年CAGR近13%，在2020年将超过1000亿美元，长期来看，化合物半导体的占比有望提升至50%以上，还有数倍的增长空间。
与硅半导体一样，化合物半导体市场也可以分为Fabless和IDM，占比分别为30%以下和70%以上。化合物半导体材料制成的高频、高速、防辐射的高温器件，通常应用于激光器、无线通信、光纤通信、移动通信、军事电子等领域。
三大材料简单对比
材料 | 应用 | 全球市场容量 |
GaAs | 应用于通讯领域，受益通信射频芯片PA（功率放大器）驱动 | 74亿美元，过往CAGR为15% |
GaN | 大功率、高频性能出色，应用在军事领域 | 2亿美元，目前成长空间10亿美元 |
SiC | 作大功率高频半导体如IGBT和MOSEFT | 2亿美元，目前成长空间20亿美元 |
三代半导体材料的物理特性对比
参数 | Si | GaAS | GaN | SiC |
禁带宽度（eV） | 1.1 | 1.4 | 3.4 | 3.2 |
介电常数 | 11.8 | 12.8 | 9.0 | 9.7 |
击穿场强（10^6V/cm） | 0.6 | 0.7 | 3.5 | 2.5 |
热传导率（W/m℃） | 130 | 46 | 170 | 370 |
电子迁移率（cm2/V·s） | 700 | 4700 | 1600 | 600 |
饱和速度（10^7cm/s） | 1.0 | 2.0 | 2.5 | 2.0 |
硅和碳化硅性能进行比较
目前国内较少有企业能够掌握生产技术，主要由美国、台湾等公司主导，并限制向中国的技术输出。高门槛和较为温和的竞争状况带来较高的毛利率水平，Cree 化合物半导体产品毛利率在50%以上(整体毛利率受毛利率偏低的其它业务影响)。从事纯代工的台湾稳懋毛利率最低为38%。普通的台湾代工厂商毛利率常常处于10-20%的水平，行业的高毛利带动代工厂的盈利能力明显提高。
国际厂商主导化合物半导体市场
公司 | 化合物半导体产品 | 用途 | 商业模式 |
台湾稳懋 | GaAs 为主，正开发GaN | 手机、通讯设备 | 纯代工 |
美国Cree（科锐） | SiC、GaN | RF（军工、通讯）、电源管理（服务器、太阳能、工业电子） | IDM |
美国Qorvo | GaAs | 手机、通讯设备、军工 | IDM |
美国Skyworks | GaAs | 手机 | IDM |
美国Avago | GaAs、GaN、InP | 手机 | 制造外包 |
中国锐迪科 | GaAs | 手机、广播设备 | 纯设计 |
GaAS：第二代半导体中最典型的材料
GaAS市场规模过去三年维持CAGR15%以上，预计随着4G的普及，其市场将保持快速增长。相较于常见的硅半导体，砷化镓具有高频、抗辐射、耐高温等特性，因此广泛应用在主流的商用无线通信、光通讯以及先进的国防用途上，其中无线通信的普及化更是催生砷化镓代工经营模式的重要推动力量，手机和通讯设备消耗掉80%以上的砷化镓器件。
智能手机内部的芯片是由基带、AP（应用处理器）、射频芯片、连接芯片和存储芯片构成，其中为了完成2/3/4G等蜂窝通讯功能，最核心的两大芯片是基带和射频。射频芯片之中的前端模组包括重要的器件PA（功率放大器），目前前端模组约占智能手机芯片成本的10%左右。从低成本的GSM手机到多模多频段LTE 智能手机，2G手机时代仅需要两颗PA，而4G手机时代因LTE频段的碎片化，使得一部4G 手机至少需要四颗PA芯片，iPhone 6使用了5颗PA芯片。因此在4G取代3G的过程之中，PA芯片是需求量增长最快、收益最明显的品种，将直接拉动砷化镓PA的需求，而且砷化镓PA由于在高功率传输上具备不可替代的物理性质优势，未来5G通讯，其地位将会进一步加强。
目前超过60%的份额集中在Skyworks、Qorvo（RFMD与TriQuint2014年合并而成）、Avago三大巨头手中，其他公司份额约占1/3。在国内需求不断加温的背景下，我国国内却没有大规模的6 寸GaAs制造工厂，国内除RDA、Vanchip等公司可以设计部分中低端GaAs器件以外，中高端产品几乎全部来自Skyworks、Qorvo、Avago等美国巨头。
除了在民用通信领域外，在军工领域，如战术武器中用GaAs IC的设备，战机中的雷达，电子战设备采用GaAs 器件，导弹装载GaAs 引信等。
手机、通讯设备和军工是GaAs最大用途
GaN：不断探索应用领域，长期空间广阔
GaN是微波放大和电能转换领域的理想材料，潜在市场规模150亿美元，目前年均增速18%左右，目前氮化镓器件2/3是应用在军工电子，如军事通讯、电子干扰、雷达等领域，在民用领域，主要是在通讯基站、功率器件等方面，随着消费类电子和通信技术要的不断提升，未来民用领域大有可为。
该材料是上世纪90年代才引起人们关注，目前正处于产业发展初始阶段，市场规模较小，但是展望远期空间巨大。
GaN 器件主要应用领域
目前在微波功率器件的市场化方面，美国和日本处于世界领先。在美国，Cree、RFMD、Nitronex、TriQuint等近10家公司推出了GaN微波功率器件产品，Cree、RFMD等几家公司不但拥有有GaN微波功率器件的Foundry服务，同时Cree公司还有3英寸和4英寸GaN基微电子材料产品。
我国在GaN 基微电子材料和器件领域的研究起步较晚，但近几年进展很大，中国科学院半导体研究所可以提供2 英寸和3 英寸外延材料，某些研究所和公司的器件和电路产品也在试用中。
GaN方面晶圆的制备难度大，且由于技术起步晚，其单晶晶圆尺寸要小于SiC，不过由于GaN只有一种多型体，所以其外延片可以采用Si、蓝宝石和SiC等材料的衬底进行生产，从而制造出大尺寸的外延片。
目前三安光电在国家集成电路产业基金支持之下开始进入砷化镓芯片和氮化镓领域。
SiC：功率半导体器件取代Si，市场空间大
碳化硅因其在高温、高压、高频等条件下的优异性能表现，成为当前最受关注的半导体材料之一，在交流-直流转换器等电源转换装置中得到大量应用。
SiC 和GaN 取代现有硅功率器件的方向
对比硅器件：
1）碳化硅器件功率损耗可减少将近50%，从而有效提升电源转化效率；
2）碳化硅器件由于转换效率高、发热小，所以可以有效减小冷却系统的体积，从而实现电源转换装置整体的小型化，这对于新能源汽车等需要大量电源转换装置的系统具有重大的意义；
3）和同为第三代半导体的GaN由于性能的不同，各自的应用领域也有差别，GaN 主要用在微波器件上，而SiC 则主要作为大功率高频功率器件；以SiC 为材料的二极管、IGBT、MOSFET 等器件，未来有望在新能源汽车等领域取代Si；
4）目前SiC 二极管价格是Si 二极管价格的5-7 倍，SiC 结晶场效应管价格是Si 的5-7 倍，SiC MOSFET 价格是Si 的10-15 倍。因此若要SiC 产业迅速崛起，除了技术的不断进步之外，降低成本亦尤为关键。
碳化硅所具备的高功率转换、低功耗等特性，所以它特别适合深井钻探、太阳能逆变器（实现直流与交流的转换）、风能逆变器、电动汽车与混合动力汽车、工业驱动以及轻轨牵引等需要大功率电源转换的应用。
SiC半导体潜在应用领域较为广泛，对新能源汽车、轨道交通、智能电网和电压转换等领域都具有重大意义。随着下游行业对半导体功率器件轻量化、高转换效率、低发热特性需求的持续增加，SiC在功率器件中取代Si成为行业发展的必然。根据国家新能源汽车推广规划，2015年国内电动汽车充电站数量将达到4000座，同时大力推广充电桩的建设；2016—2020年，国家电网的充电站建设目标高达10000座，建成完整的“四纵四横”电动汽车充电网络。随着新能源及大功率电源转换相关产业的成熟，SiC功率器件将迎来高速发展期。
碳化硅半导体在多个领域实现对硅的逐步替代
据Yole Developpement估计，2013—2022年间SiC功率半导体市场规模的年均复合增速预计将达到38%。随着SiC产量的快速提升，其生产成本将不断下降，优异的性能将使得SiC在功率器件领域逐步实现对Si半导体的替代。面对120 亿美元晶体市场，300 亿美元电源管理元件市场，400 亿美元类比晶片市场，SiC半导体未来发展和替代空间巨大。
碳化硅功率半导体应用市场将逐步拓展
目前整个碳化硅行业仍处于发展初期。碳化硅晶圆生长技术难度较大，全球仅极少数企业能够量产，导致SiC单晶材料的价格长期居高不下，价格因素也成为阻碍SiC进入民用功率半导体市场的主要原因。
碳化硅器件的发展历程
美国的科锐公司是行业领导者，其在该市场之中具备大量专利，形成了技术上的垄断（目前其专利大部分碳化硅制造相关专利已经或即将到期，对行业发展和国内企业来说是巨大的利好），目前已经实现了6英寸碳化硅单晶的量产，12年就具备产量80-100万片之间，占据全球市场碳化硅单晶80%以上市场份额。目前欧洲和日本部分企业也相继推出了2—3英寸碳化硅单晶生产计划，提前抢滩碳化硅市场。
碳化硅最大的应用市场在中国，占据全球近一半的使用量，但是我国的碳化硅产业还很不完善，国内从事碳化硅材料及器件研发制造的多为高校和科研院所，缺乏产业化能力，不过近两年来国内已有少数企业开始进入碳化硅领域。
2012-2022年全球碳化硅半导体产业规模预测
国内碳化硅产业发展态势
国内碳化硅企业概况：
1）北京天科合达专业从事碳化硅晶片制造，已经具备了生产2—4英寸碳化硅晶片的能力，形成了一条年产7万片碳化硅晶片的生产线；
2）北京泰科天润拥有一座完整的碳化硅半导体晶圆厂，可在4英寸SiC晶圆上现半导体功率器件的制造，是目前国内唯一拥有碳化硅器件生产线的企业；
3）中电55所也拥有4英寸碳化硅晶片产能，碳化硅器件也已实现量产，但主要供军用；
4）山东天岳是一家以研制、生产半导体晶片及衬底材料为主的民营企业，是山东大学产业化基地。该企业40万片的年产量，其碳碳化硅晶片主要面向如发电、输电、铁路、照明等民用领域；
5）国家电网智能电网研究院联合天科合达等企业实现了碳化硅从单晶材料制备、外延材料生长到二极管芯片研制及其在电力系统应用验证的全产业链国产化，并形成了年产能2万片4英寸SiC晶片、30片4英寸外延片的晶圆产能，在碳化硅器件方面则具备了年产10万只碳化硅二极管、1万只碳化硅模块的小批量生产能力。
相关报告：中国产业信息网发布的《2015-2020年中国碳化硅单晶片市场深度评估及投资战略咨询报告》
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