半导体系列专题：国产功率半导体高端布局加码，国产替代加速.pdf

电子 | 证券研究报告 行业深度 2020 年 3 月 27 日 Table_IndustryRank 强于大市 公司名称 股票代码 股价 (人民币 ) 评级 捷捷微电 300623.SZ 33.60 买入 扬杰科技 300373.SZ 24.01 买入 华 润 微 688396.SH 35.45 增持 斯达半导 603290.SH 119.58 增持 资料来源：万得，中银 证券 以 2020 年 3 月 27 日当地货币收市价为标准 相关研究 报告 Table_relatedreport 华为 P40 发布会点评 20200326 电子行业 2019 年报前瞻 20200229 半导体系列专题 晶圆代工篇 20200223 中银国际证券股份有限公司 具备证券投资咨询业务资格 Table_Industry 电子 Table_Analyser 赵琦 021-20328313 qi.zhaobocichina 证券投资咨询业务证书编号： S1300518080001 王达婷 021-20328284 dating.wangbocichina 证券投资咨询业务证书编号： S1300519060001 Table_Title 半导体系列专题 国产功率半导体高端布局加码，国产替代加速 功率半导体是电子装置中电能转换与电路控制的核心，是实现电子装置中电压、频率、直流交流转换等功能的核心部件。 本篇报告将重点围绕功率半导体的器件类型、应用市场、行业格局以及 SiC、 GaN 的发展情况进行展开 。 支撑评级的要点 常见的功率半导体类型及区别： 功率半导体是电子装置中电能转换与电路控制的核心，主要用于 电压、频率、直流交流转换等功能。 功率 IC、IGBT、 MOSFET、二极管是四种运用最为广泛的功率半导体产品。 功 率半导体 下游 应用领域 ： 汽车电动化是功率半导体发展新动能。电动车的空调、充电系统、逆变器、 DC/DC 等核心部件都需要功率器件实现供电电压和直流交流的转换。根据英飞凌预测，轻度混合动力汽车、插电混合动力汽车、纯电动汽车半导体元器件价值量分别达到 531 美元、 785 美元、 775 美元。光伏等新能源发电逆变 器、变频家电等是 IGBT等功率半导体的重用应用领域。 5G 通讯技术也将带来功率半导体需求的提升，根据英飞凌数据， 4G MIMO 射频板上功率半导体的价值量约为 25 美元，但 5G massive 阶段的射频板功率半导体价值量将提升到 100美元，是 MIMO 射频板的 4 倍。 SiC、 GaN 的发展现状和前景 ： SiC 具有宽禁带、高临界击穿电场、高饱和电子迁移速度和高热导率等特性，在大功率、高频、高温等应用方面潜力较大，新能源汽车为碳化硅功率器件的重要市场。 GaN 具有 宽禁带、高饱和电子漂移速度、高电子迁移率等物理特性， 但 GaN 的 功率器件类型相对碳化硅较少，其中 GaN HEMT 为氮化镓最受关注的功率器件类型。 GaN 因 具有 高输出功率、高能效特性 在在消费电子快充产品上得以应用。 功率半导体的市场格局 ： 高端 MOSFET、 IGBT 等领域仍以 英飞凌、安森美 、 意法半导体、 三菱电机、东芝、瑞萨 等 国际大厂占 主导。 同时，在车用 半导体 领域，国际大厂也 积极布局 ， 外延并购完善汽车电子产品线。 近年来国产功率半导体取得较大进步，从低端市场开始逐步向车用等高端运用市场渗透。 重点推荐 随着新能源汽车产业的发展 、 5G 通讯到来，功率半导体器件的需求将持续提升。在半导 体国产化的大趋势下，国内功率半导体企业有望迎来新的发展机遇，推荐：捷捷微电、华润微、扬杰科技、斯达半导。 评级面临的主要风险 新能源汽车、家电、通讯等的需求不及预期； 功率半导体的国产化进程不及预期。 Table_Companyname 目录 1、常见的功率半导 体类型及区别？ . 5 2、功率半导体主要应用领域有哪些？ . 12 3、 SIC、 GAN 的发展现状和前景？ . 22 4、功率半导体的市场格局如何？ . 26 5、投资建议 . 30 6、风险提示 . 30 扬杰科技 . 32 华 润 微 . 34 斯达半导 . 36 图表 目录 图表 1. 半导体产品分类 . 5 图表 2. 全球功率半导体市场结构 . 5 图表 3. 肖特基功率二极管 . 6 图表 4. 快恢复功率二极管 . 6 图表 5. 主要功率二极管结构及特性 . 6 图表 6. 半导体产品分类 . 7 图表 7. LDMOS MOSFET 结构图 . 7 图表 8. Planer MOSFET 结构 . 8 图表 9. Trench MOSFET 结构 . 8 图表 10. 第六代 IGBT 结构 . 9 图表 11. 第七代 IGBT 结构 . 9 图表 12. 6 代 IGBT 性能比较 . 9 图表 13. 功率半导体下游市场运用广泛 . 9 图表 14. 影响功率半导体性能的主要因素 . 10 图表 15. 三代硅材料物理性能 . 10 图表 16. 各种半导体材料运用领域 . 11 图表 17. 全球功率半导体市场规模 . 12 图表 18. 国内功率半导体市场规模 . 12 图表 19. 功率半导体在新能源车电机驱动、 DC/DC、充电器上的运用 . 12 图表 20. 功率半导体直接受益于汽车电动化 . 13 图表 21. 电动车相比于传统汽车功率半导体需求量大幅提升 . 13 图表 22. 传统车企在新能源汽车领域的进展 . 14 图表 23. 全球电动 汽车渗透率快速提升 . 14 图表 24. 全球主要国家电动车充电器数量 (百万个） . 15 图表 25. 全球主要国家电动车充电需求量 (十亿瓦时） . 15 图表 26. 电动车充电桩结构 . 15 图表 27. 充电站功率器件价值量 . 16 图表 28. 充电站功率器件价值量 . 16 图表 29. 光伏逆变器功率组件结构 . 16 图表 30. 新能源产业发展带动高压功率半导体发展 . 17 图表 31. 变频技术对家电产品的运用价值 . 17 图表 32. 功率半导体是变频电路的核心器件 . 18 图表 33. 变频家电渗透率不断提升 . 错误 !未定义书签。 图表 34. 家电用功率半导体市场规模快速增长 . 19 图表 35. 5G 运用场景带动功率半导体需求提升 . 19 图表 36. 频率越高，基站覆盖面积越小 . 20 图表 37. 国内基站数量 . 20 图表 38. 自动化生产驱动工业用功率半导体需求量提升 . 21 图表 39. 工业互联网市场规模快速发展 . 21 图表 40. Si、 SiC 和 GaN 材料特性的对比 . 22 图表 41. SiC 产业链环节及参与厂商情况 . 23 图表 42. SiC 功率器件的市场规模 . 23 图表 43. SiC 模块与硅 IGBT 功率模块的电力损耗比较 . 24 图表 44. GaNHEMT 结构图 . 24 图表 45. 电源中的氮化镓器件 . 25 图表 46. 适配器原理图 . 25 图表 47. 氮化镓器件的市场规模 . 25 图表 48. 功率半导体市场格局 . 26 图表 49. MOSFET 市场格局 . 26 图表 50. 分立 IGBT 市场格局 . 27 图表 51. IGBT 模块市场格局 . 27 图表 52. 英飞凌汽车业务营收 . 28 图表 53. 意法半导体汽车业务营收 . 28 图表 54. 国内功率半导体企业及业务情况 . 错误 !未定义书签。 图表 55. 国内功率半导体企业及业务情况 . 29 附录图表：报告中提及上市公司估值表 . 31 1、常见的功率半导 体 类型及 区别？ 功率半导体是电子装置中电能转换与电路控制的核心，是实现电子装置中电压、频率、直流交流转换等功能的核心部件。 根据器件集成度不同，功率半导体可以分为功率 IC 和功率分立器件两大类。功率分立器件包括二极管、晶体管、晶闸管三大类别，其中晶体管是 分立 器件中市场份额最大的种类 。常见晶体管主要有 BJT、 IGBT 和 MOSFET。 IGBT 和 MOSFET 是 当前市场 关注度较高 的功率 型晶体管。功率 IC 是将晶体管、二极管、电阻、电容等元件集成在一个半导体晶片上，具有所需电路功能的微型结构 。 根据运用场景的不同，功率 IC 包括 AC/DC、 DC/DC、电源管理、驱动 IC 等种类。 图表 1. 半导体产品分类 资料来源： 华润微招股说明书 ， 中银证券 功率 IC、 IGBT、 MOSFET、二极管是四种运用最为广泛的功率半导体产品。 根据 Yole 数据， 2017 年功率 IC 占全球功率半导体市场规模的 54%，是市场份额占比最大的功率半导体产品。 MOSFET 主要运用于不间断电源、开关电源，变频器音频设备等领域， 2017 年 MOSFET 市场规模占功率半导体整体市场规模的 17%；功率二极管主要用于电源、适配器、汽车、消费电子等领域， 2017 年全球功率二极管销售额占功率半导体整体销售额的比例约 15%。由于 IGBT 的操作频率范围较广，能够覆盖较高的功率范围，适用于轨道交通、光伏发电、汽车电子等领域， 2017 年 IGBT 的销售占比达到 12%。 图表 2. 全球功率半导体市场结构 资料来源： Yole， IHS， gartner， 中银证券 1、功率二极管 功率二极管是一种不可控型的功率器件，因此功率二极管不可以作为开关器件使用，功率二极管电流 容量大，阻断电压高，但是开关频率较低。功率二极管 的单向导电性可用于电路的整流、箝位、续流。外围电路中二极管主要起防反作用 ,防止电流反灌造成期间损坏。 功率二极管细分产品包括功率整流二极管、功率肖特基二极管、快速恢复二极管、超快速恢复二极管、小电流整流二极管、变容二极管等种类。 普通整流功率二极管一般采用 p+pnn+的结构，反向恢复时间长一般在 25 微秒；电流定额范围较大，可以实现 1 安培到数百安培的电流；电压范围宽，可以实现 5V-5000V 的整流；但是普通整流功率二极管高频特性一般，一般用于 1KHz 以下的整流电路 中。 快恢复功率二极管（ FRD）采用 PN 结构，采用扩散工艺，可以实现短时间的反向恢复，一般反向恢复时间小于 5 微秒，广泛的使用在变换器中。超快恢复功率二极管（ UFRD）在快速恢复功率二极管的基础上，采用外延工艺，实现超快速反向恢复。 肖特基功率二极管（ SBD）不是利用 P 型半导体和 N 型半导体接触形成 PN 接原理制作的，而是利用金属和半导体接触形成的金属 -半导体结原理制造的。肖特基二极管具有开关频率高和正向压降低等优点，但是反向击穿电压比较低，一般低于 100V。因此肖特基二极管一般用于高频低电压领域。 图表 3. 肖特基功率二 极管 图表 4. 快恢复功率二极管 资料来源： 中国 知网 ， 中银证券 资料来源： 中国 知网 ， 中银证券 图表 5. 主要功率二极管结构 及特性 结构 特性 应用 普通功率二极管 采用 P+PNN+结构 扩散工艺制造 反向恢复时间一般为 25 微秒，电流定额从小于 1 安培到数百安培，电压从 50V 到最高 5KV 用于 1KHz 以下的整流电路 快速恢复二极管 采用 PN 或者 PIN 结构，采用扩散工艺，掺杂金杂质 反向恢复时间一般小于 5 微秒，约为数百纳秒，反向耐压在1200V 以下 用于各种变换器，工作与高频开关状态 超快恢复二极管 外 延工艺 反向恢复时间一般小于 100 纳秒 用户根据电路特点和工作频率来选择使用 肖特基功率二极管 金属 半导体二极管，采用薄膜淀积工艺 多子导电，反向恢复时间一般在10 纳秒 40 纳秒之间 适用于高频领域 资料 来源： 中国 知网 ， 中银证券 2、 MOSFET MOSFET（ Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor）简称金氧半场效晶体管 ，是一种可以广泛使用在模拟电路和数字电路的场效应晶体管。 MOSFET 可以实现较大的导通电流，导通电流可以达到上千安 培， 并且 可以在较高频率下运行可以达到 MHz 甚至几十 MHz，但是器件的耐压能力一般。因此MOSFET 可以广泛的运用于开关电源、镇流器、高频感应加热等领域。 为了满足电气化程度不断提升的社会需求，功率型 MOSFET 性能不断被提升。 MOSFET 的改进主要围2020 年 3 月 27 日 主标题 7 绕着更高的工作频率、更高的输出功率。目前市场上功率型 MOSFET 可以分为 Planar MOSFET 和 trench MOSFET 两种类型。 图表 6. 半导体产品分类 资料来源： 华润微招股说明书 ， 中银证券 早期的功率型 MOSFET 也叫 LDMOS（ later Double diffusion MOS），这种结构的 MOSFET 可以实现大电流传输，但是器件的栅、源、漏都在表面，因此器件的漏极和源极需要很长，十分浪费芯片面积。并且由于 LDMOS 的栅、源、漏都在同一个表面，在多个 MOSFET 器件进行并联时需要额外的隔离层，工艺步骤增加。因此后来发展了 VDMOS（ vertcal DMOS），这就是早期的 planer VDMOS MOSFET，这种结构将原来 LDMOS 器件的漏极统一放到器件的另一侧，这样使得漏极和源极的漂移区长度可以通过背面减薄来控制，而且该种结构可以实现更有 利于 晶体 管并联。晶体管的并联可以增大 MOSFET的功率。这种结构的的表面处理工艺和传统的 CMOS 工艺兼容。 图表 7. LDMOS MOSFET 结构图 资料来源： IEEE、 中银证券 为克服 planer MOSFET 中整体面积使用效率不高的问题，后来发展出 trench MOSFET 器件结构。 Trench MOSFET 是将管子的沟道从原来的 planer 变成沿着槽壁的纵向。这样的结构虽然提升了硅片面积使用效率，但是工艺难度加大，成本较高，并且当槽较深是容易击穿，因此 trench MOSFET 的耐压性价差。但是该 种结 构可 以实现较多的晶体管并联，可以导通的大电流，因此适合在低电压和大电流的工作环境。 2020 年 3 月 27 日 主标题 8 图表 8. Planer MOSFET 结构 图表 9. Trench MOSFET 结构 资料来源： 英飞凌， 中银证券 资料来源： 英飞凌， 中银证券 3、 IGBT IGBT 是由 BJT 和 MOSFET 组成的复合功率半导体器件 ， 同时具备 MOSFET 开关速度高、输入阻抗高、控制功率低、驱动电路简单、开关损耗小的优点和 BJT 导通电压低、通态电流大、损耗小的优点。IGBT 在功率 MOSFET 的基础上增加了一层，即在背面的漏极上增加一个 P+层。 在引 入 P+层之后，从结构上漏端增加了一个 P+/N-driff 的 PN 结，该 PN 结处于正偏状态，不仅不影响导通反而增加了空穴注入效应，该 PN 结带来的特性类似于 BJT 有两种载流子参与导电。因此 IGBT 具备 MOSFET 的开关速度高、输入阻抗高、控制功率低、驱动电路简单、开关损耗小等优点，同时具备 BJT 导通电压低、通态电流大、损耗小等优点。 IGBT 在高压、大电流、高速方面有突出的产品竞争力，已经成为功率半导体主流发展方向。 从 1988 年 IGBT 诞生至今，已经有七代 IGBT 结构。第一代 IGBT(PT-IGBT)产品结构 简单 ，但 是由于晶体结构本身原因造成负温度系数，并联时各个 IGBT 原胞压降不一致，不利于并联运行，并且电流只有 25A，容量较小，因此没有普遍使用。第二代 IGBT 也称为改进型 PT-IGBT 是在 P+和 N-driff 层时间加入 N-buffer 层，这一层形成的耗尽层可以减小芯片厚度、减小功耗，该种产品在 600V 以上具备优势，但是 1200V 以上时外延厚度较大导致成本较高，并且可靠性降低。西门子是改进型 PT-IGBT 产品的主流厂商。 第三代 IGBT 也称为 Trench-IGBT，该种结构的思路和 trench MOSFET 思 路一 样， 将沟道转移到垂直面上。该种结构导通电阻小，栅极密度增加不受限制，有效特高耐压能力。由于需要使用双注入技术，制作难度较大。英飞凌的减薄技术处于世界先进水平，因此英在 Trench IGBT 时代英飞凌一举成为 IGBT行业巨头。 第四代为 NPT-IGBT，该种产品不再使用外延技术，而是使用离子注入技术生成 P+集电极（透明集电极），该种结构可以精准控制结深进而控制发射效率，增快载流子抽取速度来降低关断损耗，同时该种结构具备正温度系数，在稳态功耗和关断功耗取得较高的折中，该种产品结构被广泛的使用。 第五代 FS-IGBT 结合了第四代 NPT-IGBT 的“透明集电区技术”和“电场中止技术”。采用先进的薄片技术并在薄片上形成电场中止层，有效的减薄芯片的厚度，是的导通压降和动态功耗都有明显下降。 第六代 FS-trench 在第五代基础上改进沟槽结构，增加芯片电流导通能力，优化芯片内载流子浓度和分布，减小芯片的综合损耗和提高 IGBT 耐压能力。 2012 年三菱电机推出第七代 IGBT。 IGBT7 采用了新型微沟槽（ MPT） +电场场截止技术。 它采用基于n-掺杂的衬底的典型垂直 IGBT 设计， p 基区内的 n 型重掺杂构成了发射极接触结构。通过 在电 隔离 的沟槽刻蚀接触孔，确定了沟道和栅极。在 n-衬底的底部，通过 p+掺杂实现了集电极区。在 n-衬底和和 p+之间，通过 n+掺杂实现了场截止（ FS）结构。 IGBT7 增加有源栅极密度，能够增加单位芯片面积上的导电沟道 ，全面优化 IGBT 性能 。 根据富士电机发布的第七代 IGBT 产品数据，相比于第六代 V2020 年 3 月 27 日 主标题 9 系列， IGBT7 可以使逆变器的功率损耗降低 10%，最高操作结温度从 150提高到 175，这有助于减小设备尺寸。 图表 10. 第六代 IGBT 结构 图表 11. 第七代 IGBT 结构 资料来源： 英飞凌， 中银证券 资料来源： 英飞凌， 中 银证 券 图表 12. 6 代 IGBT 性能比较 特点 芯片面积相 对值 工艺线宽 (微米 ) 通太饱和压 降 (V) 关断时间（微秒） 功率损耗 (相对值 ) 断态电压 (V) 出现时间 (年 ) 1 平面串通型（ PT） 100 5 3.0 0.50 100 600 1988 2 改进平面传统型 （ PT） 56 5 2.8 0.30 74 600 1990 3 沟槽型（ trench） 40 3 2.0 0.25 51 1200 1992 4 非穿通型（ NPT） 31 1 1.5 0.25 39 3300 1997 5 电场截止型（ FS） 27 0.5 1.3 0.19 33 4500 2001 6 沟槽电场截至型 （ FS-Trench） 24 0.3 1.0 0.15 29 6500 2003 资料来源： ET 创芯网论坛 ， 中银证券 各类型功率器件由于结构不同，特性有所不同。 MOSFET 高频特性较好，工作频率可以达几十 KHz到上千 KHz，能够工作在高电流状态下，但耐压特性较差，在高功率领域应用受限。 IGBT 耐压高，高功率领域应用优势明显，高频特性弱于 MOSFET。晶闸管高频特性较差，在高功率领域应用优势明显。 图表 13. 功率半导体下游市场 运用 广泛 资料来源： Yole， 中银证券 2020 年 3 月 27 日 主标题 10 4、化合物半导体 影响功率半导体器产品性能的主要有两方面因素：一是器件结构，二是半导体材料。半导体材料的禁带宽度、饱和电子漂移速度、击穿场强都会影响功率半导体性能。从半导体产业发展至今，半导体产业主要经历了三代材料技术演变，第一代是以硅（ Si）、锗（ Ge）元素为主；第二代半导体材料以砷化镓（ GaAs）为主；第三代半导体材料以氮化镓（ GaN）、碳化硅（ SiC）为主。 图表 14. 影响功率半导体性能的主要因素 资料来源： 赛迪智库 ， 中银证券 第一代半导体材料，尤 其硅 基半 导体材料工艺成熟、成本较低，是目前半导体材料的主流， 目前 大部分 功率半导体和 集成电路都是基于硅基的第一代半导体材料 。但是第一代半导体材料禁带宽度有限，击穿电压低、饱和电子漂移速度低导致硅基半导体材料在面对高电压、高频、高功率运用场景越显捉襟见肘。 第二代半导体是以砷化镓（ GaAs）为主，砷化镓的运用主要集中在通讯领域，目前手机功率放大器是砷化镓的主要运用场景。 砷化镓生产成本较高，物理性能低于第三代半导体材料，因此在功率放大器中难以被使用。 第三代半导体材料氮化镓、碳化硅等材料在物理上具有能级禁 带宽的特点，因 此第三代半导体 材料也成为宽禁带半导体。 同时，第三代半导体材料的导热性能、高压击穿、电子饱和漂移速度均明显优于第一代、第二代功率半导体，因此第三代半导体在高温、高功率、高压、高频等运用场景有明显的的优势。 图表 15. 三 代硅材料物理性能 硅（ Si） 砷化镓（ GaAs） 氮化镓（ GaN） 碳化硅（ SiC） 禁带结构 间接带隙 直接带隙 直接带隙 间接带隙 禁带宽度（ eV） 1.1 1.4 3.4 3.3 电子迁移率（ cm2/Vs） 1350 8500 2000 1000 电子饱和漂移速度（ 107cm/s） 1.0 1.0 2.7 2.2 相对介电常数 11.9 12.5 8.9 9.7 热导率（ W/cmK） 1.49 0.54 1.3 4.9 击穿场强（ MV/cm） 0.3 0.4 3.3 2.8 器件理论最高工作温度（ ） 175 350 800 600 资料来源： 赛迪智库， 中银证券 氮化镓在高频电路中优势凸显，是当前移动通讯中有力竞争者。 氮化镓半导体材料电子报和漂移速度明显高于其他半导体材料。因此氮化镓通过高电子迁移率晶体管（ HEMT： High Electron Mobility Transistor）率先在高频电路上取得运用。但是氮化镓在耐压性、电流容量都比碳化硅低，在高功率、高电压运用场景性能低于碳化硅。因此当前氮化镓的主要运用场景主要集中于基站端功率放大器、航空航天等军用领域。