第三代半导体：新能源汽车+AIOT+5G撬动蓝海市场碳中和引领发展热潮 (1).pdf

行业 报告 | 行业深度研究 请务必阅读正文之后的信息披露和免责申明 1 半导体 证券 研究报告 2021 年 10 月 26 日 投资 评级 行业 评级 强于大市 (维持 评级 ) 上次评级 强于大市 作者 潘暕 分析师 SAC 执业证书编号： S1110517070005 资料 来源： 贝格数据 相关报告 1 半导体 -行业研究周报 :台积电单月 营收再创新高， A 股半导体进入预增窗 口 2021-10-12 2 半导体 -行业研究周报 :DDR5 放量 在即，新一轮存储器迭代周期将开 启 2021-09-27 3 半导体 -行业研究周报 :半导体需求 持续高企，碳中和时代引领第三代半 导体发展热潮 2021-09-19 行业走势图 第三代半导体： 新能源汽车 +AIOT+5G 撬动 蓝海 市 场，碳中和引领发展热潮 1.核心因素驱动 ：下游应用迭起 +绿色能源需求 +后摩尔时代驱动第三代半 导体大发展 1)下游应用迭起，第三代半导体因物理性能优异竞争力极强 新能源汽车等下游应用需求高起带动第三代半导体在大功率电力电子器件 领域 起量。 快充装置、输变电系统、轨道交通、电动汽车和充电桩等都需要 大功率、高效率的电力电子器件 ，基于 SiC、 GaN 的电子电力器件因其物理 性能优异在相关市场备受青睐 。 AIoT 时代，智慧化产品渗透率将迅速提 升，智能家居照明的商机空间广阔。 GaN 在蓝光等短波长光电器件方面优 势明显。 5G 时代驱动 GaN 射频器件快速发展。 GaN 器件工作效率和输出 功率优异，成为 5G 时代功率放大器主要技术。 2) 绿色 能源需求迫在眉睫，第三代半导体助力 “碳达峰 、碳中和 ” 目标 实现 第三代半导体有望成为绿色经济的中流砥柱， 助力光伏、风电，直流特高 压输电，新能源汽车、消费电源等领域电能高效转换，推动能源绿色低碳发 展。举例来看，若全球采用硅芯片器件的数据中心都升级为 GaN 功率芯片 器件，将减少 30-40%的能源浪费，相当于节省了 100 兆瓦时太阳能和减少 1.25 亿吨二氧化碳排放量。 3）后摩尔时代来临， 新材料新 架构 的创新支撑各类新应用蓬勃发展，其中 第三代半导体为代表的核心材料是芯片性能的提升的基石 材料工艺是芯片研发的主旋律。 SiC、 GaN 拥有高的击穿电场强度、高工作 温度、低器件导通电阻、高电子密度等优势， 在后摩尔时代极具潜力 。 2. 供需测算：产业链各环节产能增长，但供给仍然不足 我国产线陆续开通， 第三代半导体领域 6 英寸 8 英寸尺寸晶圆渐成主流 。 截至 2020 年底，国内 约有 8 条 SiC 制造产线， 10 条 正在建设 。 7 条 GaN- on-Si 产线， 4 条 正在建设。 供给端： 我国 2020 年 SiC 导电型衬底 产能 （折 合 6 英寸）约 18 万片 ，外延 22 万片 ， Si 基 GaN 外延约 28 万片。 需求 端： 测算 2025 年我国仅新能源汽车 板块 就需 75 万片等效 SiC 6 寸晶圆 , 仅 快充部分就需要 67 万片 GaN 相关 晶圆， 现有产能与需求差距较大 ，如不 在 2025 年前 加速扩产， 供给会持续紧缺。 3. 成本测算：与传统产品价差持续缩小，综合成本优势大于传统硅基 SiC、 GaN 器件 与传统 Si 基 产品价差持续缩小 。 1) 上游衬底产能持续释 放，供货能力提升，材料端衬底价格下降，器件制造成本降低 ; 2) 量产技术 趋于稳定，良品率提升， 叠加 产能持续扩张，拉动市场价格下降 ; 3) 产线规 格由 4 英寸转向 6 英寸 , 成本大幅下降。 未来 SiC、 GaN 综合成本优势显 著， 可通过 大幅 提高器件能效 +减小器件 体积 使其综合成本优势大于传统硅 基材料， 看好第三代半导体 随着价格降低迎来大发展。 投资建议： 看好下游应用迭起 +绿色能源需求 +后摩尔时代驱动 下 第三代半 导体大发展 ，推荐 前瞻布局 +高质量 研发第三代半导体的优质龙头企业，推 荐三安光电 /闻泰科技 /立昂微； 关注斯达半导 /华润微 /士兰微 /纳微半导体 / 华虹半导体 /新洁能 /扬杰科技 /赛微电子 /捷捷微电 /华微电子 /时代电气 /天岳 先进 /凤凰光学 /宏微科技 风险提示 ： 产业政策变化、国际贸易争端加剧、下游行业发展不及预期 -1% 10% 21% 32% 43% 54% 65% 76% 2020-10 2021-02 2021-06 半导体 沪深 300 行业 报告 | 行业深度研究 请务必阅读正文之后的信息披露和免责申明 2 内容目录 1. 下游应用迭起 +能源安全 +后摩尔时代驱动第三代半导体大发展 . 8 1.1. 第三代半导体： 优势显著，下游应用场景极为广阔 . 9 1.2. 物理性能：能力损耗低、封装尺寸小、散热能力强 . 10 1.3. 制备成本：与传统产品价差持续缩小，综合成本优势明显 . 12 1.4. 产业链：龙头效应初显，国内企业快速追赶 . 16 1.5. 能源安全：第三代半导体有望成为绿色经济的中流砥柱 . 20 2. 供 需测算：产业链各环节产能增长，但供给仍然不足 . 22 2.1. 供给端：产线陆续开通，产能不断增加 . 22 2.2. 需求端： SiC 在新能源汽车中硅片用量测算 . 23 2.3. 需求端： GaN 在电力电子及射频中硅片用量测算 . 26 2.4. 需 求端高速发展，但供给仍然不足，国产替代迫在眉睫 . 27 3. 下游应用：物理性能优势 +节能减排需求， SiC 应用多点开花 . 27 3.1. SiC 在新能源汽车领域备受青睐，未来五年带动 60 亿美元市场 . 29 3.2. SiC 在充电基础设施市场空间广阔，将在直流充电桩带动下实现突破 . 31 3.3. SiC 在光伏发电领域优势显著，为系统的小型高效带来可能 . 32 4. 下游应用：光电 +射频 +电力电子起量， GaN 应用场景广阔 . 34 4.1. GaN 下游市场 2022 超十亿美元，电力电子、射频、光电领域起量朝夕 . 35 4.2. GaN 在光电子领域占据主要市场，是制造 Micro-LED 芯片的优选 . 36 4.3. GaN 在电力电子市场深受认可，消费快充 +汽车电子增长空间广阔 . 37 4.4. GaN 在射频领域市场潜能可观，为 5G 时代功率放大器核心 . 38 4.5. GaN 异质外延方面产品线持续扩充完善， Si 基 GaN、 SiC 基 GaN 前景广阔 . 41 5. 产业竞争格局：美日欧三足鼎立，我国渐行渐近 . 44 5.1. 海外市 场持续渗透，美日欧三足鼎立 . 44 5.1.1. 全球展开全面战略部署，各国抢占第三代半导体战略制高点 . 44 5.1.2. SiC 美国优势显著，欧洲产业链完备，日本在设备和模块技术方面领先 . 45 5.1.3. GaN 国际产业格局初定，美日欧三足鼎立 . 46 5.2. 政 策和市场双轮推动，中国第三代半导体产业发展前景光明 . 47 5.2.1. 我国政策持续向好，扶持力度不断增强 . 48 5.2.2. 我国碳化硅产业研发实力提升，与先进水平差距缩小 . 48 5.2.3. 多方配合推动创新，中国 GaN 产业发展正当时 . 50 6. 海外半导体公司情况：群雄争霸，先发制人 . 50 6.1. CREE：宽禁带化合物半导体龙头 . 50 6.2. 英飞凌： SiC 领域领军人， GaN 已投入量产 . 51 6.3. 意法半导体：与终端应用企业形成强绑定，完善产业布局 . 54 6.4. 住友电工：全球第三代半导体射频领域引领者 . 56 6.5. 三菱电 机：第二代 SiC 功率模块优势显著，积极探索 GaN-HEMT . 58 6.6. 纳微半导体： GaN 功率芯片设计领军者，推动下一代氮化镓技术发展 . 60 7. 我国公司情况：厚积薄发，未来可期 . 61 7.1. 三安光电 : 化合物半导体业务多轮驱动 , 加速替代海外供应商 . 61 行业 报告 | 行业深度研究 请务必阅读正文之后的信息披露和免责申明 3 7.2. 闻泰科技：持续高质量研发，新型化合物半导体迎来广阔空间 . 64 7.3. 斯达半导：加码布局碳化硅功率芯片，加速国产替代提升核心竞争力 . 66 7.4. 华润微：旗下国内首条 6 英寸商用 SiC 晶圆生产线量产 . 67 7.5. 立昂微 : GaN 芯片产能爬坡，规模化生产正当时 . 68 7.6. 士兰微： IGBT 产品营收再创新高， SiC 中试线实现通线 . 69 7.7. 华虹半导体： IGBT 在 12 英寸实现规模量产 . 70 7.8. 新洁能：国内 IGBT 等半导体功率器件市占率排名前列 . 71 7.9. 扬杰科技：瞄准 SiC 行业发展趋势，加强 SiC 功率器件等研发力度 . 72 7.10. 赛微电子：掌握业绩领先 SiC、 GaN 外延技术， GaN 业务产能爬升迅猛 . 73 7.11. 捷捷微电：与研究所合作研发第三代半导体相关技术 . 74 7.12. 华微电子：积极布局第三代半导体器件技术 . 75 7.13. 时代电气： IGBT 技术达国际先进水平，应用于轨道交通和电网 . 76 7.14. 天岳先进：国内领先第三代半导体碳化硅衬底材料制造商 . 77 7.15. 凤凰光学：拟收购国盛电子和普兴电子，布局 SiC 外延材料 . 77 7.16. 宏微科技：自主设计研发 IGBT 芯片，参与制定国家相关标准 . 77 8. 投资建议 . 78 9. 风险提示 . 78 图表目录 图 1： 2016-2025 年我国 SiC、 GaN 电力电子器件应用市场规模（亿元） . 8 图 2：第三代半导体实现能源安全 . 9 图 3：半导体材料的演化 . 10 图 4：硅和化合物半导体应用的范围 . 10 图 5：碳化硅综合优势比较 . 10 图 6：三类代表性半导体材料物理特性比较 . 11 图 7：同规格碳化硅器件与硅器件对比 . 13 图 8： 2017 年 -2020 年 650V 的 SiC SBD 价格持续下降 (元 /A) . 13 图 9： 2017 年 -2020 年 1200V 的 SiC SBD 价格持续下降 (元 /A) . 13 图 10：碳化硅单晶生长示意图 （左：液相生长法；右：物理气相传输法） . 14 图 11： HVPE 生长设备 . 15 图 12：氨热法生长示意图 . 15 图 13：助熔剂法生长过程示意图 . 15 图 14： GaN/SiC 不同衬底应用情况 . 16 图 15： SiC 产业链重点企业 . 17 图 16： GaN 产业链重点企业 . 17 图 17： SiC 产业链重点企业布局及投资情况 . 18 图 18： GaN 产业链重点企业布局及投资情况 . 19 图 19：采用 SiC MOSFET 的双通道升压模块 . 20 图 20：智能电网示意图 . 21 图 21： SiC 在新能源汽车中用量的估计 . 23 行业 报告 | 行业深度研究 请务必阅读正文之后的信息披露和免责申明 4 图 22： SiC 器件在新能源汽车的优势 . 23 图 23：国内 SiC 衬底 技术指标进展 . 24 图 24：全球及我国新能源汽车销量测算（万辆） . 25 图 25：新能源汽车 SiC 硅片需求量测算（片） . 25 图 26： PD 快充 GaN 电力电子器件市场规模（亿元） . 26 图 27： PD 快充 GaN-on-Si 晶圆需求量（万片） . 26 图 28： 5G 宏基站 GaN 晶圆需求量（万片） . 27 图 29：碳化硅功率器件应用领域 . 28 图 30：碳化硅功率器件市场规模预测， 2027 年突破百亿美元 . 28 图 31： SiC 市场广阔 . 28 图 32： SiC 在新能源汽车领域 2027 年带动 60 亿美元市场 . 29 图 33： SiC MOSFET 在牵引逆变器方面的优势 . 29 图 34：碳化硅功率模块和硅 IGBT 功率模块电力损耗比较 ， SiC 显著降低 . 30 图 35： SiC 在快充领域发展迅猛 . 31 图 36： SiC 在光伏发电以及充电基础设施领域的优势 . 31 图 37： 2019-2025 年 SiC 在各应用领域的发展规模 . 32 图 38： SiC 在光伏发电领域的发展空间广阔 . 33 图 39： SiC 二极管在 光伏并网逆变器中的应用 . 33 图 40： 光伏逆变器中碳化硅功率器件占比预测 . 34 图 41：氮化镓 (GaN)下游应用发展情况 . 34 图 42： 2020 年氮化镓 (GaN)下游应用领域结构 . 35 图 43： Wolfspeed 预计 GaN 市场将在 2022 年达到 11 亿美元 . 35 图 44：微尺寸 LED 芯片的结构示意图 . 36 图 45： Micro-LED 驱动阵列结构图 . 36 图 46：全彩 Micro-LED 投影仪 . 36 图 47：努比亚 30W GaN 充电器（左）对比苹果 30W PD 充电器 . 37 图 48： GaN 电源市场增长预测（按季度） . 37 图 49：宝马汽车尝试无线充电 . 38 图 50： 2020-2025 年中国 48V 轻混系统车型销量及预测（万辆） . 38 图 51： VisIC 车载充电器 . 38 图 52： GaN 使 1） 4G 速度更快 +2）更快的从 4G-5G 的改变 . 39 图 52： 2020 年我国 GaN 射频器件下游应用领域 . 39 图 55：氮化镓 (GaN)赋能 5G 单片前端解决方案 . 39 图 56： GaN 射 频处 5G 以外市场同样将迎来高增长， CAGR 高达 25% . 40 图 57：不同材料微波射频器件的应用范围对比 . 41 图 58： Si 基 GaN 和 SiC 基 GaN 和硅基氮化镓技术市场预测 . 41 图 59： 650V SiC MOSFET、 GaN HEMT 和 Si IGBT 价格比较 (元 /A) . 42 图 60：国际上商业化的 GaN 射频产品性能 . 43 图 61： GaN-on-XX 技术应用领域 vs 元件出货量 . 43 图 62： GaN 领域海外重点机构技术布局（专利数量）（截至 2019 年 4 月） . 45 图 63： 2018 年导电型碳化硅晶片厂商市场占有率 . 46 行业 报告 | 行业深度研究 请务必阅读正文之后的信息披露和免责申明 5 图 64：碳 化硅全球市场三足鼎立 . 46 图 65：第三代半导体材料专利申请趋势及技术来源国分布 . 47 图 66：国内 SiC 衬底技术指标进展 . 49 图 67： 30 年全球 SiC 和 GaN 领导地位 . 50 图 68： Cree（ Wolfspeed） GaN on SiC MMIC 产品 . 51 图 69： SiC 成本逐渐下降 . 51 图 70： SiC 成本逐渐下降 . 51 图 71： Cree 营收情况（百万美元） . 51 图 72： Wolfspeed 毛 利润及毛利率情况（百万美元） . 51 图 73：英飞凌的碳化硅产业发展历程 . 52 图 74：英飞凌为充电桩系统提供 “ 一站式 ” 解决方案 . 52 图 75：英飞凌采用高性能 ALN 陶瓷的新 EasyDUAL CoolSiC MOSFET 功率模块 . 53 图 76：英飞凌氮化镓开关管驱动芯片 EiceDRIVERIC . 53 图 77：英飞凌营收情况（亿元） . 53 图 78：英飞凌净利润情况（亿元） . 53 图 79：英飞凌第三代半导体相关营 业收入及其占比（百万欧元） . 54 图 80：意法半导体制造首批 200mm 碳化硅晶圆 . 54 图 81：意法半导体营收情况（亿元） . 55 图 82：意法半导体净利润情况（亿元） . 55 图 83：意法半导体 ADG 部分营业收入情况（百万美元） . 56 图 84：住友 电工商业发展 . 56 图 85：住友电工销售额 . 57 图 86：住友电工营业利润 . 57 图 87：住友电工电子板块营收情况（百万日元） . 57 图 88：截至 2017 年全球申请主体排名前十位 . 58 图 89：第二代 SiC 功率模块产品与传统产品的比较 . 58 图 90： GaN-HEMT 部分正在开发中的新产品 . 59 图 91：三菱电机营收情况（百万人民币） . 59 图 92：三菱电机净利润情况（ 百万人民币） . 59 图 93：三菱电机电子设备板块营收情况 . 60 图 94：三菱电机电子设备板块净利润情况 . 60 图 95： 2020 年三菱电机各板块收入占比情况 . 60 图 116：集成芯片功率图 . 60 图 117： DC-DC 转换器对比 . 61 图 118：纳微半导体营收情况（单位：百万日元） . 61 图 96：三安光电化合物半导体布局广泛 . 62 图 97：三安集成营收逐年增长 （亿元） ,2021H1 超过 2020 全年营收 . 63 图 98：三安光电在氮化镓的应用领域 . 63 图 99：安世半导体 GaN FET 系列产品 . 65 图 100：闻泰科技营收情况（亿元） . 65 图 101：闻泰科技归母净利润情况 （亿元） . 65 行业 报告 | 行业深度研究 请务必阅读正文之后的信息披露和免责申明 6 图 102：闻泰科技毛利率、净利率情况 . 65 图 103：斯达半导营收（亿元）稳步上升 . 66 图 104：斯达半导净利润（亿元）稳步上升 . 66 图 105：斯达半导毛利率、净利润率稳步上升 . 66 图 106：华润微营收（亿元）情况 . 67 图 107：华润微归母净利润（亿元）情况 . 67 图 108：华润微毛利率、净利率情况 . 68 图 109：立昂东芯技术路线 . 68 图 110：立昂微营收（亿元）稳步上升 . 68 图 111：立昂微净利润（亿元）稳步上升 . 68 图 112：立昂微毛利率、净利率情况 . 69 图 113：士兰微营收（亿元）情况 . 69 图 114：士兰微净利润（亿元）情况 . 69 图 115：士兰微毛利率、净利率情况 . 70 图 119：公司营业总收入与同比增长情况 . 71 图 120：扣非归母净利润与同 比增长情况 . 71 图 121：新洁能营收（亿元）情况 . 71 图 122：新洁能归母净利润（亿元）情况 . 71 图 123：新洁能毛利率、净利率情况 . 72 图 124：扬杰科技营收（亿元）情况 . 72 图 125：扬杰科技归母净利润（亿元）情况 . 72 图 126：扬杰科技毛利率、净利率情况 . 72 图 127：赛微电子营收（亿元）情况 . 73 图 128：赛微电子归母净利润（亿 元）情况 . 73 图 129：赛微电子毛利率、净利率情况 . 74 图 130：捷捷微电营收（亿元）情况 . 74 图 131：捷捷微电归母净利润（亿元）情况 . 74 图 132：捷捷微电毛利率 、净利率情况 . 74 图 133：华微电子营收（亿元）情况 . 75 图 134：华微电子归母净利润（亿元）情况 . 75 图 135：华微电子毛利率、净利率情况 . 75 图 136：时代电气营收（亿元）情况 . 76 图 137：时代电气归母净利润（亿元）情况 . 76 图 139：公司营业收入与同比增长状况 . 77 图 138：公司营收和同比增长情况 . 78 表 1： GaN 单晶衬底的生长工艺 . 15 表 2：国内 SiC 晶圆制造产线 . 22 表 3：国内 GaN 晶圆制造产线 . 22 表 4： 2020 年我国 SiC 产能统计 . 22 表 5： 2020 年我国 GaN 产能统计 . 23 行业 报告 | 行业深度研究 请务必阅读正文之后的信息披露和免责申明 7 表 6： GaN 异质外延产品主流尺寸及国内外代表企业 . 43 表 7：国际主要企业 SiC 布局情况 . 44 表 8：全球 GaN 产业格局 . 46 表 9： 2020 年度国家发布的半导体相关政策列表 . 48 表 10：意法半导体 2020 年产业链合作情况 . 55 表 11：三安光电核心技术服务 . 62 表 12：安世半导体核心技术先进性 . 64 行业 报告 | 行业深度研究 请务必阅读正文之后的信息披露和免责申明 8 1. 下游应用迭起 +能源安全 +后摩尔时代 驱动 第三代半导体 大 发 展 我们认为 第三代半导体 主要 受三大核心因素 驱动 ： 1） 下游应用迭起 ，第三代半导体因物理性能优异竞争力极强 2） 能源安全需求迫在眉睫 ， 第三代半导体助力 “碳达峰 、 碳中和 ”目标的实现 3）后摩尔时代 来临，第三代半导体为代表的 核心材料 是芯片性能的提升的基石 第三代半导体一般指禁带宽度大于 2.2eV 的半导体材料，也称为宽禁带半导体材料。半导 体产业发展至今经历了三个阶段，第一代半导体材料以硅为代表；第二代半导体材料砷 化镓也已经广泛应用；而以氮化镓和碳化硅、氧化锌、氧化铝、金刚石等宽禁带为代表 的第三代半导体材料，相较前两代产品性能优势显著。 我们认为在下游应用 +能源安全 +后摩尔时代三者推动下，第三代半导体将迎来大发展。 1） 下游应用迭起，第三代半导体因物理性能优异竞争力极强 第三代半导体主要在三个领域有强大的市场的竞争力： 第 一 是 新能源汽车等带动第三代半导体在 大功率电力电子器件 起量 。 快充装置、输变电 系统 、轨道交通、电动汽车和充电桩等都需要大功率、高效率的电力电子器件。无疑宽 禁带半导体，尤其是碳化硅、氮化镓具有比其他半导体材料更为明显的优势。 第 二 是 AIoT 时代驱动的 光电器件 大发展 。 在 AIoT 时代，智慧化产品渗透率更加迅速提 升，智能家居照明 市场将迎来机遇 。 第三代 半导体尤其在短波长光电器件方面有很明显 的优势。例如蓝光，现在所有的半导体照明已经采用了氮化镓。在紫光、紫外光甚至在 黄光、绿光等方面都可以直接用氮化物半导体作为材料。 第 三 是 5G 时代驱动 GaN 射频器件 快速发展 。相比于砷化镓和硅等半导体材料，在微波 毫米波段的 第三代 半导体器件工作效率和输出功率明显高，适合做射频功率器件。民用 射频器件主要用在移动通信方面，包括现在的 4G、 5G 和未来的 6G 通信。例如，国内新 装的 4G 和 5G 移动通信的基站几乎全用氮化镓器件。尤其是 5G 基站采用 MIMO 收发体 制，每个基站 64 路收发，耗电量是 4G 基站的 3 倍以上，而且基站的密集度还要高于 4G 基站，不用高效率的氮化镓器件几乎是不可能的。未来 6G 通信频率更高、基站数更多， GaN 将更加突出。 图 1： 2016-2025 年我国 SiC、 GaN 电力电子器件应用市场规模（亿元） 资料来源： CASA Research、 天风证券研究所 2)能源安全需求迫在眉睫，第三代半导体助力 “碳达峰 、 碳中和 ”目标的实现 行业 报告 | 行业深度研究 请务必阅读正文之后的信息披露和免责申明 9 第三代半导体助力 “碳达峰 、 碳中和 ”目标的实现。 第三代半导体材料和技术对于建 成可循环的高效、高可靠性的能源网络起到至关重要的作用，可助力实现光伏、风电 （电能生产），直流特高压输电（电能传输），新能源汽车、工业电源、机车牵引、消费 电源（电能使用）等领域 的电能高效转换，推动能源绿色低碳发展。 当前能源技术革命已经从电力高端装备的发展逐步向由材料革命的发展来带动和引领 ， 第三代半导体 有望成为绿色经济的中流砥柱 。 习近平总书记提出了“四个革命、一个合 作 ”的能源安全战略，承诺中国在 2030 年前实现碳达峰， 2060 年前实现碳中和。国家 电网“碳达峰、碳中和 ”行动方 案提出了“两个 50%”的目标， 2050 年清洁能源占电能 生产的比例将超过 50%，电能在终端能源消费中的占比将超过 50%。实现“碳达峰、碳中 和”关键在于加快推进能源开发清洁替代和能源消费电能替代，实现能源生产清洁主导、 能源使用电能主导。 图 2： 第三代半导 体实现能源安全 资料来源： Yole，界面新闻研究部 、 天风证券研究所 3）后摩尔时代来临，第三代半导体为代表的核心材料是芯片性能的提升的基石 后摩尔时代来临，本土半导体板块迎来加速追赶黄金期。 摩尔定律（ Moore s Law）先 进工艺驱动芯片持续微缩的同时也导致了所需成本指数级增长、开发周期拉长、良率下 降，盈利风险明显升高。随着 28nm 推进到 20nm 节点，单个晶体管的成本不降反升，性 能提升也逐渐趋缓，这标志着后摩尔时代来临。为此芯片行业需要去寻找新的技术去支 撑芯片继续前进，这意味着摩尔定律形成的多年先发优势或不再受用，后发者如果能够 提前识别并做出前瞻性布局，完全存在换道超车的可能性。 材料工艺是芯片研发的主旋律。 第三代半导体 为主的 新材料是芯片制造工艺中的核心挑 战 ， 是芯片性能的提升的基石。 以 SiC、 GaN 为代表的宽禁带半导体材料，拥有高的击穿 电场强度、高的工作温度、低的器件导通电阻、高的电子密度等优势，目前宽禁带半导 体主要在 射频器件 、 大功率电力电子器件 、光电器件 三个领域有强大的市场的竞争力。 同时，在 化合物半导体与硅器件高度结合，在硅衬底上生长化合物，是后摩尔时代的一 个非常有意义、非常有发展潜力的领域。 1.1. 第三代半导体： 优势显著，下游应用场景极为广阔 第三代半导体物理性能优势显著，下游应用场景极为广阔。 半导体材料领域至今经历了 多个发展阶段， 相较而言，第三代 半导体在工作频率、抗高温和抗高压等方面更具优势。 第一代半 导体材料主要包括硅（ Si）和 锗 （ Ge），于 20 世纪 40 年代开始登上舞台，目前 主要应用于大规模集成电路中。但 硅材料的禁带宽度窄、电子迁移率低，且属于间接带 隙结构，在光电子器件和高频高功率器件 的应用上存在较大瓶颈 ，因此其性能已难以满 足高功率和高频器件的需求。第二代半导体材料的主要代表是砷化镓（ GaAs）、磷化铟 （ InP），这类材料已经具备了直接带隙的物理结构特性，发光效率高，而且相较于上一代 材料在工作频率、抗高温和抗高压等方面更具优势，因此广泛运用于光电和射频领域。 行业 报告 | 行业深度研究 请务必阅读正文之后的信息披露和免责申明 10 图 3：半导体材料的演化 资料来源： 新材料在线、 天风证券研究所 第三代半导体 的优异性能使其在 半导体照明、新一代移动通信、新能源并网、智能电网、 高速轨道交通、新能源汽车、消费类电子等领域具有广阔的应用前景 。 第三代半导体 包 括碳化硅 （ SiC） 、氮化镓 （ GaN） 、氧化锌 （ ZnO） 、氧化镓 （ GaO） 、氮化铝 （ AlN） ，以 及金刚石等宽禁带半导体材料 ，其中以碳化硅（ SiC）和氮化镓（ GaN）最具代表性。第 三代半导体材料具备高击穿电场、高热导率、高电子饱和速率及抗强辐射能力等优异性 能， 是固态光源和电力电子、微波射频器件的 “ 核芯 ” ，正在成为全球半导体产业新的 战略高地 。 本文主要论述的第三代半导体为 碳化硅 （ SiC） 和 氮化镓 （ GaN） 。 图 4：硅和化合物半导体应用的范围 资料来源： 英飞凌 、 全球化合物半导体产业竞争格局及未来发展机遇，作者宫学源 、 天风证券研究所 分类来看， SiC 适用于中高压器件， GaN 适用于中低压器件，两者重合部分为汽车电子和 光伏板块。 1.2. 物理性能： 能力损耗低、封装尺寸小、散热能力强 图 5：碳化硅综合优势比较 第一代 半导体 主要材料 ： Si、 Ge 技术标志 ：大晶片尺寸，窄线条宽度，如 12英寸、 0.15m 技术 主要产品 ：以大规模集成电路为主要技术的计算机等电子产品 第二代 半导体 主要材料 ： GaAS、 lnP等砷化物和磷化物 技术标志 ：使通讯速度、信息容量、存储密度大幅提高 主要产品 ：以光发射器件为基础的光显示、光通讯和光储存系统 第三代 半导体 主要材料 ： SiC、 GaN、 ZnO、 ZnSe、 AIN、金刚石等 技术标志 ：禁带宽度更高 主要产品 ：制作抗辐射、高频、大功率和高密度集成的电子器件 行业 报告 | 行业深度研究 请务必阅读正文之后的信息披露和免责申明 11 资料来源 ：美股探路客、 天风证券研究所 SiC 材料相比于 Si 材料有着 显著 的优势。 目前车规级半导体主要采用硅基材料，但受自 身性能极限限制，硅基器件的功率密度难以进一步提高，硅基材料在高开关频率及高压 下损耗大幅提升。与硅基半导体材料相比，以碳化硅为代表的第三代半导体材料具有高 击穿电场、高饱和电子漂移速度、高热导率、高抗辐射能力等特点 。 下表 是 三代半导体 衬底材料的指标参数对比 ，可看出 SiC 材料 具有 Si 材料不可比拟的优势，具体优势体现 在： （ 1） 能量损耗低。 SiC 模块的开关损耗和导通损耗显著低于同等 IGBT 模块且随着开关频 率的提高，与 IGBT 模块的损耗差越大， SiC 模块在降低损耗的同时可以实现高速开 关 ，有助于降低电池用量，提高续航里程，解决新能源汽车痛点。 （ 2） 更小的封装尺寸。 SiC 器件具备更小的能量损耗，能够提供较高的电流密度。在相同 功率等级下，碳化硅功率模块的体积显著小于硅基模块，有助于提升系统的功率密 度。 （ 3） 实现高频开关。 SiC 材料的电子饱和漂移速率是 Si 的 2 倍，有助于提升器件的工作 频率；高临界击穿电场的特性使其能够将 MOSFET 带入高压领域，克服 IGBT 在开关 过程中的拖尾电流问题，降低开关损耗和整车能耗，减少无源器件如电容、电感等 的使用，从而减少系统体积和重量。 （ 4） 耐高温、散热能力强。 SiC 的禁带宽度、热导率约是 Si 的 3 倍，可承受温度更高， 高热导率也将带来功率密度的提升和热量的更易释放，冷却部件可小型化，有利于 系统的小型化和轻量化。 图 6：三类代表性半导体材料物理特性比较 行业 报告 | 行业深度研究 请务必阅读正文之后的信息披露和免责申明 12 资料来源：全球化合物半导体产业竞争格局及未来发展机遇，作者宫学源、天风证券研究所 GaN 作为第三代半导体 具有宽带隙（ 3.4 eV）、击穿场强大（ 3.3 MW / cm）、电子饱和 漂移速度高（ 2.7 * 107 cm / s）等物理结构优势。 在以往的半导体材料中， Si 是目前集成 电路及半导体器件的主要材料，但其带隙窄，击穿电压低，在高频高功率器件的应用上 效果不佳 。以 GaAs 代表的第二代半导体材料由于电子迁移速率高，抗辐射等优点在微波 通信领域有着重要的应用价值，是目前通信用半导体材料的基础。然而， GaAs 的带隙和 击穿电压仍 难以满足 高频高功率器件的要求。 而 GaN 相较前两代半导体材料具有更大的 禁带宽度和击穿电压，同时化学稳定性高， 能够 耐高温，耐腐蚀 ，因此 在光电器件以及 高频高功率电子器件应用上 具有广阔的前景。 1.3. 制备 成本 ： 与传统产品价差持续缩小，综合成本优势 明显 第三代半导体制备方法： Si 单晶主要采用直拉法， 生长速度较为缓慢。 对于硅来说， 72h 可生长出 2m 3m 左右 的硅单晶棒，一根单晶棒一次能切下上千片硅片， 12in（ 305mm）是高端 IC 芯片主流尺 寸。 SiC 没有液态，只有固态和气态，升华温度约 2700，不能用拉硅单晶的方法制备。 目前制备半导体级高纯度 SiC 单晶，主要为 Lely 改良法，最快的 SiC 单晶生长方法，生 长速度在每小时 0.1mm 0.2mm 左右， 72h 仅生长 7.2mm 14.4mm。 GaN 主要在蓝宝石衬底上生长 GaN 厚膜，价格较为昂贵。 GaN 极其稳定，熔点约为 1700，具有高电离度，很难采用熔融的结晶技术制作 GaN 衬底。 目前主要在蓝宝石衬 底上生长 GaN 厚膜，然后通过剥离技术实现衬底和厚膜分离，将分离后的 GaN 厚膜做为 外延用衬底，主流尺寸为 2in（ 50mm）。由于价格昂贵，限制了 GaN 厚膜衬底的应用。 产品价格不断下降，达到甜蜜点。 影响 SiC、 GaN 功率器件价格下降的原因有以下四个 方面：第一，上游衬底产能持续释放，供货能力提升，材料端衬底价格下降，器件制造 成本降低；第二，量产技术趋于稳定，良品率提升，产能持续扩张，拉动市场价格下降； 第三，器件的产线规格由 4 英寸 转向 6 英寸、制造技术进一步提升，单片晶圆产芯片量 大幅提升，导致成本大幅下降；第四，随着更多量产企业加入，竞争加剧，导致价格进 一步下降。整体来看，根据 CASA 的跟踪， SiC、 GaN 产品的价格近几年来快速下降， 较 2017 年下降了 50%以上，而主流产品与 Si 产品的价差也在持续缩小，已经基本达到 4 倍以内，部分产品已经缩小至 2 倍，已经达到了甜蜜点。 尽管 第三代半导体 衬底成本 相对较高 ，但综合成本优势大于传统硅基，与传统产品价差 持续缩小。 未来随着全球半导体厂商加速研发及扩产，产线良率将逐步提高，从而提高 晶 圆利用率，将会有效降低器件成本。 以碳化硅为例分析， 由于生产设备、制造工艺、 良率与成本的劣势，碳化硅基器件过去仅在小范围内应用。 SiC 功率半导体商业化的最大 瓶颈是衬底成本过高。 目前国际主流 SiC 衬底尺寸为 4 英寸和 6 英寸，晶圆面积较小、芯 行业 报告 | 行业深度研究 请务必阅读正文之后的信息披露和免责申明 13 片裁切效率较低、单晶衬底及外延良率较低导致 SiC 器件成本高昂，叠加后续晶圆制造、 封装良率较低，且载流能力和栅氧稳定性仍待提高， SiC 器件整体成本仍处于较高水平。 晶体生产难度大导致 SiC 材料昂贵，根据 Yole Development 测算，单片成本 SiC 比 Si 基 产品 高出 7-8 倍 。 图 7： 同规格碳化硅器件与硅器件对比 资料来源： ROHM、 天科合达科创板首次公开发行股票招股说明书 (申报稿 )、 天风证券研究所 体积减少，功耗降低等优势使 SiC 综合优势 大于 传统硅基材料。 以 SiC 材料在新能源电动 汽车上的应用为例， 在考虑成本的时候，除了器件本身的成本，还要考虑因为性能提高 而带来的车辆总成本的下降。具体来说，采用 SiC 技术后，开关频率可以设计得更高，从 而能提高器件能效，减小无源器件的尺寸，并缩减模块的整体规格。此外， SiC 解决方案 所带来的高能效也可以降低动力电池冷却系统的尺寸。以上这些，在电动车总成本中有 很高的占比。综合下来，与传统硅基解决方案相比， SiC 解决方案可使整车半导体成本节 省近 2000 美元。显然，这是 SiC 给汽车制造商带来的实在的成本效益。 2020 年， SiC 电力电子器件价格进一步下降，与同类型 Si 器件价差缩小。 CASA 第三代 半导体产业发展报告的数据显示 ， 在 公开报价方面， 650V 的 SiC SBD 2020 年底的平均价 格是 1.58 元 /A，较 2019 年底下降了 13.2%，与 Si 器件的价差在 3.8 倍左右。 1200V 的 SiC SBD 的平均价是 3.83 元 /A，较 2019 年下降了 8.6%，与 Si 器件的差距在 4.5 倍左右。 据 CASA 调研显示 ，实际成交价低于公开报价。 650V 的 SiC SBD 的实际成交价格约 0.7 元 /A， 1200V 的 SiC SBD 价格约 1.