一文读懂：第三代半导体行业现状和投资机遇

本文来自微信公众号：华映资本（ID：MeridianCapital），作者：朱彤，题图来自：视觉中国

近年，“第三代半导体”在多个领域崭露头角，以SiC（碳化硅）、GaN（氮化镓）为主的第三代化合物半导体已然成为产业端、投资界及各地政府的宠儿，这得益于其自身优秀的物理特性及产业端的快速拉动。

  

本期将围绕第三代半导体材料的优异特性、市场前景、应用领域、行业现状，一起揭开“第三代半导体”的神秘面纱，共探投资机遇。

 

摘要：“风潮涌动”第三代半导体投资的势与机

 

投资机遇

 

• 多个下游产业集中爆发，40-50%的应用市场将在中国，下游的爆发导致上游晶圆供不应求；性能及成本即将达到产业化甜蜜点，产品进入高速导入期；

• 不同于传统硅基IC的晶圆及芯片制造，第三代半导体材料及器件生产投资周期短，投资金额小，对高端设备依赖相对较弱，固定资产投资不大，更依赖于工艺和人，适合VC投资；

• 国内起步较晚，国家“十四五”政策大力支持，自主可控需求明确；国产替代空间巨大，尚未形成行业寡头。

 

看好的方向

 

• 6-8寸衬底、外延附加值高，占器件成本75%以上，工艺难度大，掌握核心技术的人才稀缺；

 

• 存在巨大的市场机会，国内企业处于同一起跑线，寡头格局并未形成。

 

看好的项目基因

 

• 倾向于有多年的第三代半导体从业经验的团队，具备国际化能力（20年+）；

 

• 上游材料或器件2年可以投产、产能过万片；

 

• 6-8寸衬底/外延量产经验或核心技术、扩径技术、一定的设备研发能力；

 

• 产品（样品）性能优异（良率、缺陷密度等），生产工艺水平处于国际前列。

 

关心的核心指标

 

• 生产成本及良率：涉及衬底/外延生长时间、生长温度、生长速度、每炉耗电量、每炉切片数量、硬度等；

 

• 参数指标：缺陷密度、TTV（总厚度偏差），BOW（弯曲度），WRAP（翘曲度），表面粗糙度，微管密度、电阻率，空洞及裂纹；

 

• 重点关注客户样品测试报告、产品一致性、客户评价、订单情况、客户数量和质量，送样/产品进展。

一、第三代半导体材料物理特性优势突出

半导体指常温下导电与性能介于导体与绝缘体之间的材料。从应用普及的进程来划分，可分为第一代半导体材料、第二代半导体材料、第三代半导体材料等。

第一代半导体材料包括Si（硅）、Ge（锗）等，Si以优异性能、低廉价格及成熟的工艺，在大规模集成电路领域地位不可撼动；第二代半导体材料包括GaAs（砷化镓）、InP（磷化铟）等，GaAs主要运用于大功率发光电子器件和射频器件；第三代导体材料包括SiC、GaN等，GaN主要运用于光电器件和微波射频器件，SiC主要运用于功率器件。

 

网络公开数据，华映资本整理

 

三代半导体作为宽禁带半导体材料，具备诸多优异的物理特性。以SiC为例，相比传统的Si半导体材料，SiC拥有3倍的禁带宽度、3倍的热导率、近10倍的击穿场强、以及2倍的电子饱和漂移速率。其器件体积小、超高切换频率、超高电压工作、高温下器件稳定性高是制造高压、高温、抗辐照功率半导体器件的优良半导体材料，也是目前综合性能最好、产业化程度最高、技术最成熟的第三代半导体材料。

 

行业公开数据，华映资本整理

 

• 击穿电场高→耐高压、导通电阻低→小型化、可靠性强。理论上，相同耐压的器件，SiC的单位面积的漂移层阻抗可以降低到Si的1/300。

 

• 高电子饱和漂移速度→高频开关损耗小→提高转换效率。

 

• 禁带宽度大、导热系数高→耐高温→可在高温环境下稳定工作，减小散热设备面积。未来车企或将能够把两套水冷系统合二为一甚至直接采用风冷系统，这将大大降低HEV驱动系统的成本，同时空出更多的车身空间以装配更多的电子元器件。

 

二、第三代半导体应用前景广阔，拥抱巨大增量市场

新能源汽车领域

 

在功率等级相同的条件下，采用SiC器件可将电驱、电控等体积小型化，满足功率密度更高、设计更紧凑的需求，同时也能使电动车续航里程更长。

据罗兰贝格估算，预计2025年一台纯电动车中电子系统成本约为7030美元，较2019年的一台燃油车的3145美元大增3885美元。据StrategyAnalytics数据显示，纯电动汽车中功率半导体占汽车半导体总成本比重约为55%，远超传统能源汽车的21%。

特斯拉的Model3车型采用了以24个SiC-MOSFET为功率模块的逆变器，是第一家在主逆变器中集成全SiC功率器件的汽车厂商；目前全球已有超过20家汽车厂商在车载充电系统中使用SiC功率器件；此外，SiC器件应用于新能源汽车充电桩，可以减小充电桩体积，提高充电速度。

行业公开数据，华映资本整理

 

光伏领域

 

基于硅基器件的传统逆变器成本约占系统10%左右，却是系统能量损耗的主要来源之一。

使用SiC-MOSFET或SiC-MOSFET与SiC-SBD结合的功率模块的光伏逆变器，转换效率可从96%提升至99%以上，能量损耗降低 50%以上，设备循环寿命提升50倍，延长器件使用寿命、降低生产成本。

中国目前是最大的光伏组件生产国，占全球产能72.3%。2026年全球太阳能光伏支架系统市场规模达到160亿美金。

另外，SiC在充电桩、大功率电器、轨道交通领域均有巨大应用前景。2023年，全球SiC功率器件市场规模将达到15亿美金 ，2019-2023年CAGR=21.8% 。

 网络公开数据，华映资本整理

GaN方面，在射频和电力电子均有较大发展潜力。

GaN 器件有Si基和SiC基两种。GaN-on-Si主要应用于电力电子领域，用作高功率开关。GaN-on-SiC 主要应用于射频领域，主要得益于SiC的高导热率以及低RFloss，适用于功率较大的宏基站。

据Yole分析，预计2025年GaN射频器件在通信基建上的市场将达7.31亿美元，2019~2025年复合增速达14.88%，2025年整体市场规模达20亿美元，2019~2025年复合增速达12%。以我国5G基站市场为例，2020年我国5G基站达80万个，2023年预计小基站+微基站数量达到1.32亿个。

据拓璞产业研究院分析，预计2023年，我国5G基站建设需求GaN晶圆约45.3万片，对应4寸半绝缘SiC衬底片需求45.3万片，衬底和外延需求量持续增加。此外在快充领域，OPPO和小米等均发布GaN充电头，快充领域有望进入指数级爆发期，2023年市场规模将达到60亿美金。

 

网络公开数据，华映资本整理

三、第三代半导体正当进入商业化爆发前夕

 

需求端

 

如上文所述，三代半导体材料适合诸多场景的使用，并且在这些场景中，中国几乎都是全球单一的最大市场国。其中，SiC功率器件因其耐高压，耐高温，低能耗，小型化的特点，可以广泛的应用于电动/混动汽车、充电桩/充电站、高铁轨交、光伏逆变器中。

 

GaN功率器件凭其高频率、低损耗、低成本的特点，可以广泛使用于智能终端快充、数据中心、车规级充电场景中。GaN微波器件因其高频率、高功率、高效率可以广泛地应用于宏基站/小微基站、智能终端、军用雷达、卫星通讯等领域。

 

供给端

 

近年来随着工艺的进步及下游市场的拉动，三代半导体已经初步具备产业化的基础，价格亦达到了量产“甜蜜点”。

 

全球范围内，衬底和外延由4寸向6寸线转移，Cree已有8寸样品出货，未来5年将达到量产标准。三代半导体器件价格近年来持续下降，2023-2024年，SiC模块价格有望达到硅基器件价格的3倍以内，已具备产能快速爆发的必要条件。

网络公开数据，华映资本整理

国家政策明确，重点解决“卡脖子”问题，政府参与扮演投资人角色

近年来，在国家及地方政府层面，多次出台行业扶持政策，重点发展第三代半导体产业，解决半导体行业“卡脖子”问题。在火热的市场环境下，各地政府也积极参与到三代半导体项目的投资建设当中。

因三代半导体投资规模相对较低，产业链上游的材料及生产环节不再集中于一二线城市，而是全国遍地开花。根据《火热的投资环境以及政策保障下，我国SIC产业已完成基本布局》一文的整理数据显示，2018-2020年，我国仅SiC项目政府投资达到32个，计划投资金额超过700亿。

近两年的投资热潮，也使得该领域的企业普遍估值偏高，产生了泡沫，一些项目在未来3-5年很可能难以落地，行业将迎来一次洗牌。

数据来源：网络公开数据，华映资本整理

数据来源：《火热的投资环境以及政策保障下，我国SiC产业已完成基本布局》，华映资本整理

四、产业链上游材料工艺难提升工艺扩产正当时

产业链环节中，上游主要是原材料如碳粉，硅粉，化合物半导体粉体及相关辅料，根据其纯度不同价格有一定差异，对于衬底厂商来说，为降低成本大部分采用自研粉体，同时也会有一定的比例对外采购。

设备主要分为材料生产设备及前端工艺加工设备。前段工艺加工设备大部分与传统硅生产线相同，如高温离子注入机、碳膜溅射仪、量产型高温退火炉等。在上游衬底、外延的材料制备上，由于碳化硅具有硬度高、高温环境生长且缓慢等特性，需要一些特殊的生产设备。

衬底生长环节大部分以实现国产化，核心设备为长晶炉，因其工艺的特殊性，部分衬底厂商会自研炉子，也有个别企业同时对外销售。外延设备、切磨抛设备及测试设备目前仍以进口日本、欧洲、美国设备为主。

下图为碳化硅器件从原材料粉体到制备成熟的器件模组的生产流程，最终器件成本方面，因其材料制备工艺难度大、良率低，衬底占器件价格高达50%，外延占比25%左右。面对下游行业需求的爆发，提升工艺及良率，扩大晶圆产能是行业当务之急。近年来，国内代表性衬底企业山东天岳、天科合达，外延厂商翰天天成、东莞天域实现了快速发展，也涌现一批后起之秀，如苏州超芯星、百识电子等。

五、碳化硅产业链全景

 

全球格局分析：欧美日起步早、中国发展速度快、美国全球独大，80%碳化硅来自美国

 

美国：保持全球独大，拥有Cree、II-VI、Dow Corning、Transphorm等世界顶尖企业，占有全球碳化硅70~80%产量；

欧洲：拥有完整的碳化硅衬底、外延、器件、应用产业链，独有高端光刻机制造技术、拥有英飞凌、意法半导体、Siltronic、IQE等优势制造商；

韩国：重点研发和生产高纯度SiC粉末、高质量SiC外延材料以及硅基SiC和GaN功率器件;

日本：技术力量雄厚，产业链完整，是设备和模块开发的领先者，拥有松下、罗姆半导体、住友电气、三菱化工、瑞萨、富士电机等知名厂商;

中国：发展较快，近年已经进入产业化和收益阶段，正在快速追赶国际巨头；

 

上市公司方面，有三安光电，北方华创等企业，大部分为未上市企业，但最近3年发展迅速，其中衬底企业山东天岳、天科合达已在上市申报阶段。

 

企业成立的时间上，普遍晚于欧美日巨头15-20年以上，在衬底、外延工艺方面处于落后位置。国内主要技术源头：中科院、山东大学、中电科体系、清华、及海外企业归国创业人才等。

 

产业形态分析：SiC厂商以全产业链的IDM巨头为主、IDM占器件90%以上

 

• 化合物半导体芯片性能与材料、结构设计和制造工艺之间的关联性较强，且三代半导体设计难度不如数字电路复杂，因此很多企业采用IDM模式。

 

• 例如Rohm和CREE整合了SiC从衬底到模组的全产业链环节；Mitsubishi Electric和Fuji Electric整合了芯片到终端应用系统。

 

• 全球大部分器件及应用市场份额被IDM厂商Infineon、CREE、Rohm、意法半导体等少数企业瓜分。

 

• 2020年CREE占据衬底市场约52%份额、器件市场约21%份额；CREE和Infineon、Rohm共占器件市场的63%。CREE占据碳化硅基GaN超过24%市场份额。

 

数据来源：网络公开数据，华映资本整理

 

海外及中国台湾地区SiC产业链主要玩家及龙头企业

 

数据来源：方正证券研报、网络公开数据

 

CREE-全球三代半导体全产业链龙头企业

 

科锐（CREE）成立于1987年，是美国上市公司（1993年，纳斯达克:CREE），为全球LED外延、芯片、封装、LED照明解决方案、化合物半导体材料、功率器件 和射频于一体的著名制造商和行业领先者。 

 

在氮化镓（GaN）和碳化硅（SiC）等方面独一无二的材料技术与先进的白光技术，拥有1300多项美国专利、2900多项国际专利和389项中国专利；在SiC领域拥有绝对的领导地位，在2018年SiC晶片市场占比超过62%；收购整合wolfspeed后基于 SiC 衬底的 GaN 具有较强技术优势，超20%市场份额全球第一。

 

 

罗姆-日本三代半导体领军企业

 

日本ROHM是碳化硅MOSFET分立器件和模组领域第二大公司，提供650V~1700V范围内各种产品；在商业化碳化硅生产后仅七年时间，ROHM推出了沟槽式碳化硅MOSFET，成为全球第一家量产此类产品的厂商。

 

II-IV-美国三代半导体衬底+外延代表性企业

 

II-VI Deutschland公司属于II-VI集团，于1971年在美国宾夕法尼亚州创立，生产红外和 CO2激光光学元件和材料，也是全球较大的激光镜片制造商。

 

 

六、国内碳化硅产业链全景

 

国内行业现状及趋势分析：起步晚，布局快，但面临诸多挑战

• 器件国产化率极低：我国功率半导体市场国产化程度低，其中IGBT约90%依靠进口。SiC、GaN在电力电子领域渗透率约1.5~1.9%，SiC、GaN电力电子同样 90%以上依赖于进口，主要为 CREE、英飞凌、Rohm，国产的功率器件目前仅在SiC二极管有量产销售突破。

 

• 产能严重不足，成本高居不下：全求范围内，面对下游应用多个行业的爆发，产能严重不足，需成倍的扩产。

 

• 6-8寸扩径正当时：目前国内衬底主要为2-4英寸，未来3~5年，6英寸碳化硅衬底严重匮乏，4寸线3-5年逐渐淘汰。目前国内批量出国6寸晶圆的企业寥寥无几。以天科合达为例，2019年其6寸年出货1500片不到，4寸出货在3万多片。目前全球可以稳定提供6英寸碳化硅衬底的只有美国的CREE，II-VI和瑞典的Norstel。

 

• 6英寸在较长时间成为主流，8寸因器件厂商投入产出比不高且前端工艺产能极为紧张，过度会比较慢，但长期看大尺寸是趋势。

 

• 良率低，一致性差，工艺亟待改良：国内衬底企业生产良率尚不及CREE等国际大厂，经济效益有待提升，产品的一致性问题是难以攻克的短板，进入主流供应链需要时间，工艺急需改良。

 

• 衬底和外延出货量低，特别是外延出货量更低，据悉近年来年出货量不到万片。大部分依赖进口，主要为英国、韩国、日本、美国等企业。目前国内瀚天天成和天域半导体均可供应4-6英寸外延片，月出货量具体未知，中电科13所、55所亦均有内部供应的外延片生产部门。

 

• 芯片设计与制造方面：国内600-3300VSiC-SBD已开始批量应用，有企业研发出 1200V/50ASiC-MOSFET；泰科天润已建成国内第一条SiC器件生产线，SBD产品覆盖 600V-3300V的电压范围；中车时代电气的6英寸SiC生产线也于2018年1月首批芯片试制成功。

 

• 技术趋势：大尺寸、低缺陷、低电阻率、高导热率。四代半导体（氧化镓、金刚石等，离产业化较远）。

 

国内产业发展较晚，目前产业链上下游代表性企业发展速度快，已初具规模

 

数据来源：方正证券研报、网络公开数据

数据来源：网络公开数据，华映资本整理，统计数据截至2021年5月

 

参考资料

硬科技复兴联盟《第三代半导体SiC行业研究报告》

知乎专栏《碳化硅SIC材料研究现状与行业应用》

电子发烧友网《碳化硅（SiC）功率器件发展现状》

电子发烧友网《火热的投资环境以及政策保障下，我国SIC产业已完成基本布局》

电子发烧友网《三种碳化硅的主要制备方法》

方正证券《第三代半导体之SiC研究框架》

方正证券《第三代半导体之GaN研究框架》

天科合达招股说明书、山东天岳招股说明书、海外上市公司年报、老虎证券、方正证券、粤开策略、东兴证券研报、知乎、wind等 

本文来自微信公众号：华映资本（ID：MeridianCapital），作者：朱彤