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2022年第三代半导体行业研究报告

资产信息网 2022-04-21 15:39 发文

第一章 行业概况

目前市场上的半导体材料以硅基为主,根据摩尔定律,当价格不变时,集成电路上可容纳的元器件的数目,约每隔18-24个月便会增加一倍,性能也将提升一倍,但随着台积电在1nm及以下芯片方面取得重大进展,硅基半导体未来将面临着摩尔定律失效的问题,主要因为1颗原子的直径大小约为0.1nm,在1nm制程下,一条线可容纳不到10颗原子,只要其中有一个原子存在缺陷,就会影响到产品良率。而以碳化硅和氮化镓为主的第三代半导体材料性能更加优异,且热导性能高,在小型化和轻量化方面更有优势,将成为下一代半导体材料的主要方向。

半导体材料起于上世纪50年代,最初以锗为主,世界上第一只晶体管就是由锗作为半导体材料,但由于硅在自然界的储量非常丰富,产品价格更低,且锗基半导体虽然电子能级更好,导电性能更强,但热导能力较弱,发热现象较为明显,所以硅基半导体成为第一代半导体材料的核心。目前,世界上绝大多数的半导体器件均以硅作为基础材料进行制造,占据全球半导体产品90%以上的市场份额,广泛应用于集成电路及部分功率半导体等低压、低频、低功率领域,下游涵盖消费电子、通信、光伏、军事以及航空航天等。

第二代半导体材料以砷化镓和锑化铟为主,为化合物半导体,砷化镓是典型代表。第二代半导体材料电子迁移率较高,生长工艺成熟,但禁带宽度较小,击穿电场低,且材料有毒,易造成环境污染,在高温、高频、高功率领域应用比较受限,而在高频、高速领域应用较广,如卫星通讯、移动通讯以及光通讯等。

第三代半导体材料以碳化硅和氮化镓为主,为宽禁带半导体材料,与前两代半导体材料相比,第三代半导体材料具有更宽的禁带宽度、更高的击穿电场、更高的热导率,在高温、高压金额高频领域表现较为优异,广泛应用于新能源汽车、5G宏基站、光伏、风电、高铁等领域。

表:第三代半导体材料

资料来源:千际投行,资产信息网,国融证券

与硅基材料相比,以碳化硅和氮化镓为代表的第三代半导体材料的耐高压、耐高温、高频和高热导率性能更好。

耐高压:碳化硅和氮化镓材料的击穿电场强度均在3MV/cm及以上,是硅基材料的10倍,击穿电场强度大,碳化硅基器件可以极大地提高耐压容量、工作频率和电流密度,并大大降低器件的导通损耗,所以非常适用于5G基站、轨交交通、光伏风电等高压领域。

耐高温:半导体器件在高温下易产生载流子的本征激发现象,造成器件失效,而半导体材料的禁带宽度越大,器件的极限工作温度就越高,碳化硅和氮化镓的禁带宽度分别为3.2eVh、3.4eV,而硅的禁带宽度仅为1.12eV,大约为碳化硅和氮化镓禁带宽度的1/3,较高的禁带宽度可以保证碳化硅和氮化镓器件在高温条件下工作的可靠性。目前,硅器件的极限工作温度一般不能超过300℃,而碳化硅器件的极限工作温度可以达到600℃以上,耐高温效果极为显著。

高热导性:高热导率有助于半导体器件的散热,实现快速降温,在同样的输出功率下,能够使半导体器件保持更低的温度,所需的散热设计要求更低,便于简化器件终端的冷却系统,有助于实现半导体器件的小型化和轻量化,所以同规格下对制程的要求更低。目前,碳化硅的热导率超过硅的3倍,散热性能性好,无需复杂的散热设计需求,节省器件空间,更容易向集成化、小型化方向发展。

高频性能:漂移速度是指一个电子因为电场的关系而移动的平均速度,电子漂移速度越快,工作频率越高。碳化硅和氮化镓的饱和电子漂移速率超过硅基材料的2倍,能够实现更高的工作频率和更高的功率密度。

表:三代半导体材料的指标参数对比

资料来源:千际投行,资产信息网,国融证券

此外,根据CREE公司数据,碳化硅衬底器件体积小,在相同的规格下,碳化硅基MOSFET尺寸仅为硅基MOSFET的1/10,大幅缩小了同规格器件的制程要求。同时,由于碳化硅拥有较高的禁带宽度,碳化硅器件可进行重掺杂,导通电阻可至少降低至原来的1/100。并且,根据应用材料数据,由于碳化硅具有较高的能量转换效率,且不会随着频率的提高而降低,碳化硅器件的工作频率可以达到硅基器件的10倍,相同规格的碳化硅基MOSFET较硅基IGBT的总能量损耗可大大降低70%。

同时,在新能源汽车领域,相较于硅基IGBT,碳化硅MOSFET电动车的续航里程更长。在一般城市路况下,碳化硅MOSFET相较于硅基IGBT能够节省77%的能量损耗,在高速路况下,碳化硅MOSFET相较于硅基IGBT能够节省85%的能量损耗,能量损耗的减少使得碳化硅MOSFET的电动车相较于硅基IGBT电动车的续航里程提升5-10%,电池成本节省超过400美元。

第二章 商业模式与技术发展

2.1 产业链分析

第三代半导体产业链环节包括单晶衬底、外延片、器件设计、器件制造、封装测试、整机终端。与Si材料不同,SiC和GaN器件不能直接制作在单晶衬底上,必须在衬底上生长高质量外延材料,在外延层上制造各类器件。

SiC功率器件用外延片主要生长在SiC单晶衬底上。GaN器件根据其应用领域不同衬底材料主要包括蓝宝石、GaN、Si、SiC,其中蓝宝石衬底目前最大尺寸为6in(152mm),生产GaN外延片质量好,价格便宜,主要用于光电子器件中LED芯片,由于其与GaN晶格失配度较大,导电性、导热性差,无法用于射频器件;GaN单晶衬底目前量产最大尺寸为2in(50mm),外延片质量极好,但价格昂贵,目前主要用于光电子器件中激光器;Si单晶衬底是GaN功率器件最主要的衬底材料,外延片质量良好,最大应用尺寸为8in(203mm),价格便宜,是消费电子电源芯片最主要选择;SiC衬底目前国内量产尺寸为4in~6in(101mm~152mm),SiC衬底与GaN的失配小,生长的GaN外延片质量很好,同时SiC衬底热导率高,散热性能好,但价格贵,主要应用于5G基站射频前段芯片、军用雷达等领域。单晶衬底和外延片的材料制造能力、晶圆尺寸、性能参数决定了第三代半导体产业的发展水平及进程。

图:GaN/SiC不同衬底应用情况

资料来源:千际投行,资产信息网,天风证券

SiC产业链主要包含粉体、单晶材料、外延材料、芯片制备、功率器件、模块封装和应用等环节。从产业链格局来看,美国仅科锐一家公司的SiC晶圆产量就占据全球60%以上,日本和欧洲紧随其后。日本在SiC半导体设备和功率模块方面优势较大,比较典型的企业包括富士电机、三菱电机、昭和电工、罗姆半导体等。欧洲在SiC衬底、外延片等方面优势较大,典型的公司包括瑞典的Norstel、德国的英飞凌和瑞士的意法半导体。与国外企业相比,国内企业整体竞争力较弱,但在全产业链上都有所布局,且近年来的进步十分迅速。在SiC衬底方面,山东天岳、天科合达可以供应3~6英寸的单晶衬底,产能亦在不断提升;在SiC外延方面,东莞天域和瀚天天成均能够供应3~6英寸的SiC外延;在SiC器件方面,以三安光电、中电科55所和中车时代为代表的国内企业在芯片设计与制造、模块封装等方面均已有深厚的积累。

图:SiC产业链重点企业

资料来源:千际投行,资产信息网,天风证券

GaN产业链包括上游衬底、中游外延片、下游器件模块等环节。GaN产业,住友电工和科锐是全球GaN射频器件领域的龙头企业,市场占有率均超过30%,其次为Qorvo和MACOM。苏州纳维科技,是国内唯一一家,国际上少有的几家能批量生产2in(50mm)GaN的企业;东莞中镓,建成国内首家专业氮化镓衬底生产线,可以制备出1100μm的自支撑GaN衬底;苏州晶湛、聚能晶源均可以生产8in(203mm)硅基氮化镓外延片;世纪金光,是涵盖SiC、GaN单晶、外延、器件、模块研发设计生产销售一体的公司;润微电子收购中航微电子,拥有8in(203mm)硅基氮化镓生产线和国内首个600V/10AGaN器件产品;士兰微,拥有6in(152mm)硅基氮化镓功率器件生产线。

图:GaN产业链重点企业

资料来源:千际投行,资产信息网,天风证券

2.2 商业模式分析

目前第三代半导体主要商业模式可分为两类:IDM(垂直整合制造)模式和垂直分工模式。

IDM(Integrated Device Manufacture)模式

从设计到制造、封测以及销售自有品牌IC都一手包办的半导体公司,被称为IDM公司。国外IDM代表有:英特尔(Intel)、SK海力士、美光、NXP、英飞凌、索尼、德州仪器(TI)、三星(Samsung)、东芝(Toshiba)、意法半导体(ST)等。大陆IDM厂商主要有:华润微电子、士兰微、扬杰科技、苏州固锝、上海贝岭等。

垂直分工模式

有的半导体公司仅做IC设计,没有芯片加工厂(Fab),通常被称为Fabless,例如华为、ARM、NVIDIA和高通等。另外还有的公司只做代工,不做设计,称为代工厂(Foundry),代表企业有台积电、格罗方德、中芯国际、台联电等。

根据上述两种商业模式,现有的半导体企业可以分为IDM、Foundry、Fabless以及Fab-lite(介于IDM和Fabless之间)这四种形式。

2.3 技术发展

SiC技术和产品进展

(1)SiC衬底

国内SiC商业化衬底以4英寸为主,逐步向6英寸过渡,微管密度小于1个/cm2,实现95%的衬底可用面积,位错约在1×103/cm2,较上年有所进步。研发水平上,实现了高质量6英寸SiC衬底材料的制备,微管密度为0.5个/cm2,螺位错密度为1200个/cm2。但也要认识到,国内SiC衬底单晶质量与国外差距明显,存在单晶性能一致性差、成品率低、成本高等问题,国产高性能衬底自给率仍然较低,占全球的市场份额不到5%。

衬底尺寸成为影响器件成本的重要因素,其技术进展将直接影响器件商业化进程。在降低成本和市场需求等多重因素影响下,SiC衬底尺寸将持续扩大,“十四五”时期我国将推进6英寸衬底规模化量产,突破8英寸衬底关键技术,降低成本,提高自给率。国内能批量生产SiC单晶衬底的公司包括天科合达、山东天岳、烁科晶体、同光晶体、中科钢研、南砂晶圆、福建北电新材料、世纪金光、中电化合物、江苏超芯星等公司。

图:国内SiC衬底技术指标进展

资料来源:千际投行,资产信息网,CASA

(2)SiC外延

SiC外延方面,国内已实现4-6英寸商业化产品供给,可以满足3.3kV及以下功率器件制备需求,而超高压(>10kV)SiC功率器件所需的N型SiC外延片以及双极型SiC功率器件所需的P型SiC外延片等方面还处于研究阶段。研发水平方面,已经实现厚度大于200μm外延生长,掺杂浓度小于1×1013/cm3,在5×1018/cm3量级掺杂浓度均匀性<6%。瀚天天成、东莞天域是专注于SiC外延片生产销售的企业,其产品除满足国内市场需求外,还有部分外销能力。中电科55所、中电科13所具备SiC外延生产能力,但主要是自用。

(3)SiC电力电子器件

现阶段已商业化的SiC产品主要集中在650V-1700V电压等级,3300V以上电压等级器件尚处于工程样品阶段,主要产品是SiC二极管和晶体管,SiC IGBT器件还在研发当中。国内以4/6英寸小规模量产线/中试线为主。

SiC二极管实现650V-1700V全系列批量供货能力,导通电流最高50A。泰科天润已经发布3300V/0.6A-50ASiC二极管系列产品。

SiC MOSFET实现650V(120-17mΩ)、1200V(80-25mΩ)、1700V(80-45mΩ)产品小批量生产,尚处于应用推广阶段,代表企业有中电科55所、三安集成、中车时代半导体、全球能源互联网研究院、基本半导体、瞻芯电子等。已经研制出6.5kV(25A,45mΩ∙cm2),10kV(10A,114mΩ∙cm2),15kV(10A,204mΩ∙cm2),20kV(4A,443mΩcm2)SiC MOSFET样品。

图:2020年国内企业推出的SiC器件

资料来源:千际投行,资产信息网,CASA

(4)SiC功率模块

国内SiC功率模块量产产品电压等级650V-1700V,其中比亚迪产品已经开始实现上车应用。CASA Research据公开发布消息统计,目前正在推进布局的企业包括华微电子、士兰微、江苏宏微、斯达半导体、中恒微等。

GaN技术和产品进展

(1)GaN衬底

国内商业化的GaN衬底尺寸以2英寸为主,4英寸实现小批量出货,预计2025年前完成6英寸衬底的批量生产并进入市场。主要企业包括苏州纳维和东莞中镓等公司,苏州纳维2英寸GaN单晶衬底厚度300±15μm,位错密度104cm-2-5×106cm-2,电阻率0.01-108Ω·cm,综合指标达到国际先进水平。

(2)GaN外延

GaN电力电子应用方面,Si基GaN外延片主流尺寸为6英寸,英诺赛科率先实现8英寸GaN-on-Si外延材料及晶圆制造大规模量产,外延材料的均匀性小于1%。

GaN射频应用方面,SiC基GaN外延片主流尺寸为4英寸,并逐步向6英寸发展,代表企业中电科13所、55所、三安集成、苏州能讯等。

GaN光电子应用方面,LED照明市场以及UVA紫外LED用蓝宝石基GaN外延片主流尺寸为4英寸,主要企业有三安光电、华灿光电、乾照光电等,UVB/UVC紫外LED用蓝宝石基GaN外延片主流尺寸为2英寸,主要企业有中科潞安、圆融光电等;Mini/Micro-LED用Si基GaN外延片实现8英寸材料产业化,代表企业有晶湛半导体、晶能光电等;蓝/绿光激光器GaN基GaN外延片主流尺寸2英寸,国内企业目前还未实现产业化。

(3)GaN电力电子器件/模块

国内实现650V产品,主要为分立器件,已经开始批量应用,但导通电阻较高、系统集成度较低,与国际水平存在一定差距;低压产品处于应用推广阶段。代表企业有英诺赛科、赛微电子、能华微电子等。

2020年,GaN电力电子器件在PD快充领域的应用具有战略性意义,说明GaN电力电子器件得到PD快充领域的认可,相关器件产品快速渗透。国内企业如英诺赛科、氮矽科技、芯冠科技、东科半导体、苏州量微、聚能创芯、能华微电子相继推出用于PD快充的GaN模块产品。但GaN电力电子器件尚未在新能源汽车领域取得实质进展。相比较而言,国内GaN企业可参考国外企业的市场策略,先选择准入门槛较低的消费类领域,对材料、器件和工艺、封装等产业链进行充分的验证,循序渐进推进GaN在更广阔范围的应用市场。因此,建议首先布局消费类电源市场,如PD快充、LED驱动电源等;然后切入工业类电源,如数据中心;最后进入可靠性要求较高的新能源汽车市场。

(4)GaN射频器件/模块

对于SiC基GaN工艺,国内主流尺寸为4英寸,工作频段DC6GHz,输出功率10-700W,代表企业主要有中电科13所、中电科55所、苏州能讯、三安集成等。

对于Si基GaN工艺,国内代表企业为四川益丰(OMMIC),其Si基工艺线为6英寸线,D01GH工艺器件栅长100nm,功率达3.3W/mm(@30GHz),截止频率达110/160GHz(fT/fmax)。英诺赛科正在开发8英寸Si基GaN射频器件工艺。

(5)GaN光电子器件

LED芯片国产化率已经超过80%;南昌大学江风益团队利用V坑解决黄光鸿沟难题,黄光LED芯片发光效率达到27.9%,世界领先;发光波长在UVA波段(320nm-400nm)的紫外LED已有成熟的商业化产品并能满足应用的需求,外量子效率已超过40%;发光波长在UVC波段(280nm)的深紫外LED产品的外量子效率约5%,研发水平在350mA下光输出功率达到89.6mW;紫外单光子探测器探测效率和暗计数噪音达到国际领先水平。

随着Mini-LED技术快速突破,成本迅速下降,在超高清电视、高阶显示器等市场需求拉动下,Mini-LED背光和显示市场开始起量,其中Mini背光产业链上中下游协作成果斐然,2020年Mini-LED背光产品密集发布,如海信、康佳、华硕、TCL等,规模商业化已经开启;Mini直显芯片技术基本成熟,器件性价比不断提升,全面推动了Mini-LED显示在专业显示、商业显示和租赁市场的产业化进程。

Micro-LED作为下一代显示技术的重要技术路线,因其在消费类电子市场的广阔应用空间,得到LED行业以及显示行业的高度重视,从关键装备到芯片、封装、驱动、应用系统,国内企业也进行了全面布局。

2.4 政策监管

行业自律协会

中国半导体行业协会于1990年11月17日成立,是由全国半导体界从事集成电路、半导体分立器件、半导体材料和设备的生产、设计、科研、开发、经营、应用、教学的单位及其它相关的企、事业单位自愿参加的、非营利性的、行业自律的全国性社会团体。协会宗旨是按照国家的宪法、法律、法规和政策开展本行业的各项活动;为会员服务,为行业服务,为政府服务;在政府和会员单位之间发挥桥梁和纽带作用;维护会员单位和本行业的合法权益,促进半导体行业的发展。

政府法律法规

第三代半导体国防战略意义重大,《瓦森纳协定》严格禁运和封锁,本地化势在必行。第三代半导体材料为宽禁带半导体,除了在新能源汽车、光伏、轨道交通等民用领域有广阔应用外,第三代半导体在国防领域有重要应用,是有源相控阵雷达、毫米波通信设备、激光武器、“航天级”固态探测器等军事装备中的核心组件,2008年《瓦森纳协定》就对国内第三代半导体材料进行了明确的限制,部分西方发达国家作为协定成员国对我国实施严格禁运。除了最先进的设备以外,华裔工程师也很难进入欧美等知名半导体公司的核心部门,相关并购也会受到西方发达国家的严格审查,以防技术泄露,国内产业发展必须靠独立自主。

国家顶层规划已经出台,地方支持政策相继落地,十四五期间第三代半导体将迎来大发展时代。2021年3月,《中华人民共和国国民经济和社会发展第十四个五年规划和2035年远景目标纲要》发布,其中明确提出要大力发展碳化硅、氮化镓等宽禁带半导体产业。目前,在国家十四五产业规划的基础上科技部、工信部等重要部委,已相继出台细则文件,大力支持第三代半导体材料产业发展,从国家层面指明了第三代半导体产业支持方向。此外,继国家顶层政策落地后,目前,北京、上海、广东、湖南、山东等国内主要省市均出台了相关政策支持碳化硅等第三代半导体产业发展的配套政策,在政策大力支持下,十四五期间有望成为国内第三代半导体产业大步发展的时代。

表:国家层面第三代半导体产业发展支持政策

资料来源:千际投行,资产信息网,工信部,发改委,科技部

表:地方政府第三代半导体产业发展支持政策

资料来源:千际投行,资产信息网

第三章 行业发展与市场竞争

3.1 行业财务分析

图:行业综合财务分析

资料来源:千际投行,资产信息网,Wind

图:行业历史估值

资料来源:千际投行,资产信息网,Wind

图:指数市场表现

资料来源:千际投行,资产信息网,Wind

图:指数历史估值

资料来源:千际投行,资产信息网,Wind

估值方法可以选择市盈率估值法、PEG估值法、市净率估值法、市现率、P/S市销率估值法、EV/Sales市售率估值法、RNAV重估净资产估值法、EV/EBITDA估值法、DDM估值法、DCF现金流折现估值法、NAV净资产价值估值法等。

图:主要上市公司

资料来源:千际投行,资产信息网,Wind

图:三安光电主营构成

资料来源:千际投行,资产信息网,Wind

图:闻泰科技主营构成

资料来源:千际投行,资产信息网,Wind

3.2 风险因子分析

管理风险

大部分公司处于扩张期,规模越来越大,涉及的领域也越来越多,如果公司的管理水平和员工的整体素质不能适应未来公司规模达到扩张的需要,将会削弱公司的市场竞争力。

技术风险

行业技术快速更新换代,行业的需求和业务模式不断升级。在此情况下,公司存在技术产品丧失竞争优势的风险、现有核心技术被竞争对手模仿等风险。

产品质量控制风险

随着公司经营规模的扩大,如果公司不能持续有效地执行相关质量控制制度和措施,一旦产品出现质量问题,将影响公司在客户中的地位和声誉,进而对公司经营业绩产生不利影响。

3.3 市场发展现状

全球市场

2020年,尽管新冠疫情对全球产业造成冲击,但半导体市场实现了强劲的增长。据美国半导体行业协会数据显示,全球半导体2020年市场规模达到4400亿美元,同比增长6.8%。新冠疫情居家办公推动了对手机、计算机、云基础设施的需求,拉动半导体市场增长。但同时,新冠疫情给汽车半导体带来消极影响,汽车半导体产能不足叠加汽车电动化对半导体需求增加的双重影响,造成全球汽车半导体芯片短缺。以SiC和GaN为代表的第三代半导体在新能源汽车、5G、15光伏发电、PD快充等领域不断取得突破,2020年全球第三代半导体市场总体保持增长态势。

根据Yole和Omdia数据显示,到2020年底,碳化硅(SiC)和氮化镓(GaN)功率半导体的全球市场将增长到8.54亿美元,SiC电力电子市场规模约为7.03亿美元,GaN电力电子市场规模约为1.51亿美元。到2025年SiC电力电子市场规模将超过30亿美元,GaN电力电子器件市场规模将超过6.8亿美元。综合Yole、IHS、Gartner等多家分析机构数据及调研反馈,2020年全球功率半导体器件市场规模约为180~200亿美元,SiC、GaN电力电子器件渗透率约为4.2%~4.5%,较2019年提升一个百分点。

新能源汽车是最大的应用领域。由于新冠疫情的大流行,2020年上半年电动汽车/混合电动汽车(EV/HEV)领域的SiC器件和材料市场增长放缓。尽管如此,SiC的市场前景仍然乐观。丰田、大众、宝马等汽车制造商继续为其下一代车型的逆变器、车载充电器(OBC)和DC/DC转换器中的SiC分立器件或模块进行合格鉴定。在这种背景下,新能源汽车中SiC功率半导体市场预计将以38%的年复合增长率增长,到2025年将超过15亿美元。

随着新能源汽车的应用,SiC引起了充电基础设施市场极大的兴趣。受益于SiC的更高效率和更高频率,大功率充电器可以通过提供比Si基绝缘栅双极晶体管(IGBT)更紧凑的解决方案来。Yole16估计,这个市场的复合年增长率为90%,从2019年的500万美元增长到2025年的2.25亿美元。

除汽车领域外,光伏技术(PVs)、铁路和电机驱动器等应用在2019-2025年期间还将以两位数的年复合增长率增长。

中国市场

在此背景下,2020年我国第三代半导体产业电力电子和射频电子总产值超过100亿元,较2019年增长69.5%。其中,SiC、GaN电力电子产值规模达44.7亿元,同比增长54%,衬底材料约2.2亿元,外延及芯片约5亿元,器件及模组约7.2亿元,装置约30亿元,相较前几年,中下游的增长速度加快。而GaN微波射频产值达到60.8亿元,同比增长80.3%。其中,衬底约6.5亿元,外延及芯片9.2亿元,器件及模组19.6亿元,装置约25.5亿元。

图:2016-2020年我国SiC、GaN电力电子产值规模(亿元)

资料来源:千际投行,资产信息网,CASA

图:2016-2020年我国GaN微波射频产值规模(亿元)

资料来源:千际投行,资产信息网,CASA

半导体照明方向,受COVID-19和内需不振影响,增速持续下调。2020年中国大陆整体产值预计7013亿元,较2019年下降7.1%。但在出口市场,2020年我国LED照明产品累计出口额为355.94亿美元,同比增长达17.9%,这体现了照明产品的刚需属性,也体现了我国已经牢固树立了LED照明行业供应链、产业链优势,在疫情带来的出口替代效应下,吸引了全球半导体照明产品订单。

中国拥有第三代半导体材料最大的应用市场,受益于新能源汽车、5G、消费电子领域需求强劲,未来几年国内SiC和GaN功率半导体市场将迎来高速增长。在政策和市场的双重驱动下,国内第三代半导体电力电子和射频方向行情呈现明显上升态势。

由于第三代半导体材料属于国家战略性先进材料方向,具有技术创新和拉动经济新增点的双重优势,近年来,得到了国家大基金、地方政府、民间资本的高度关注。据CASA Research不完全统计,2020年共24笔投资扩产项目(2019年17笔),已披露的投资扩产金额达到694亿元(不含GaN光电子),较2019年同比增长161%。分材料看,SiC投资17笔,涉及金额550亿元;GaN投资7笔,涉及金额144亿元。分环节看,衬底环节投资12笔(主要为SiC衬底),涉及金额175亿元;器件/模块环节投资15笔,涉及金额520亿元。分区域看,长三角地区投资11笔,涉及金额263.3亿元;中西部地区投资6笔,涉及金额229亿元;京津冀鲁投资5笔,涉及金额188.5亿元。

图:2017-2020年第三代半导体投资扩产情况(亿元)

资料来源:千际投行,资产信息网,CASA

图:2020年国内主要第三代半导体投资扩产情况(亿元)

资料来源:千际投行,资产信息网,CASA

据CASA Research统计,2020年国内SiC、GaN电力电子器件市场规模约为46.8亿元,较上年同比增长90%。据中国半导体行业协会数据显示,2020年我国功率半导体分立器件市场规模约为3002.6亿元,SiC、GaN电力电子器件整体渗透率约为1.56%。

市场规模增长的主要驱动因素是新能源汽车市场的快速渗透和PD快充市场的爆发;而2020年光伏市场是有国家补贴的最后一年,装机量出现恢复性增长。其中,SiC器件占据的市场规模有所回升。

未来五年,SiC、GaN电力电子器件应用市场将以45%的年复合增长率增长至近300亿元。在中高压领域,SiC电力电子器件将继续渗透,新能源汽车仍将是最大应用领域。在低压、小功率电源领域,包括LED驱动电源、电动工具电源、消费电源、D类音频,GaN电力电子器件将是主角,成为驱动市场的新力量;在中压领域,GaN、SiC电力电子器件在数据中心服务器、路由器和网络交换机中的应用正呈现不断增长的趋势。我国在“十四五”科技计划中将建设“面向大数据中心应用的GaN基高效功率电子,应用于数据中心电源的GaN电力电子器件”提上日程。预计,未来这个市场复合年均增长率将达到66.5%;以此为契机,有条件的企业要加快储备相关技术和完善专利布局,产业链相关的“政产学研用金”各方也加强协同,共同建立良好的产业生态。

图:2020年我国SiC、GaN电力电子器件应用市场结构

资料来源:千际投行,资产信息网,CASA

3.4 竞争格局

经过几年的发展,国内第三代半导体产业已经开始由“导入期”向“成长期”过渡,商业技术逐步稳定、应用示范效应拉动,各市场渐次开启,带来需求高速增长。而供给方面,企业数量持续增加,产线加快建设,供应链开始逐步成型,产业链自主可控能力增强。据CASA Research不完全统计,截至2020年底,国内有超过170家从事第三代半导体电力电子和微波射频的企业,而2018年尚不足100家,覆盖了从上游材料的制备(衬底、外延)、中游器件设计、制造、封测到下游的应用,基本形成完整的产业链结构。

图:2020年我国第三代半导体企业分布地图

资料来源:千际投行,资产信息网,CASA

国内主流企业积极扩产布局,产业进入扩张期。经过几年发展,第三代半导体器件已经迅速进入了新能源汽车、光伏逆变、5G基站、PD快充等应用领域,市场迅猛增长,行业竞争日趋激烈。为了迎合市场需求,争夺未来几年的关键竞争位置,国内主流企业在产业、产品和市场等多方面加强布局。其中尤以产能扩充为主要特征,天科合达、同光晶体、纳维科技、泰科天润、中电科55所、三安光电、世纪金光、基本半导体、英诺赛科等纷纷扩产,预示着国内第三代半导体产业开始进入扩张期。

龙头企业紧抓本地化机遇,产业链合作水平不断提升。贸易战加速了本地化的进程,以华为为代表的应用企业调整供应链,国内企业获得了试用、改进的机会,国产器件逐渐导入终端产品供应链。国内第三代半导体企业抓住发展机遇,主动与下游应用企业开展合作,推动国产器件的快速应用。

图:国内产业合作情况

资料来源:千际投行,资产信息网,CASA

与此同时,传统半导体企业依托资金、技术、渠道以及商业模式的优势,积极布局第三代半导体,谋求更多的利润增长点,代表企业有华润微、闻泰科技、斯达半导体、比亚迪、赛微电子、露笑科技、新洁能等。据CASAResearch不完全统计,2020年有17家半导体企业陆续登陆科创板,其中有5家企业计划布局第三代半导体,分别为芯朋微、中车时代电气、芯愿景、银河微电、新洁能。布局方向较为明确,直指以新能源汽车、PD快充、5G射频应用等为代表的第三代半导体新技术领域。

图:上市企业第三代半导体布局情况

资料来源:千际投行,资产信息网,CASA

Mini/Micro-LED和紫外LED成为企业重点布局方向。随着超高清视频产业时代到来,液晶电视产品向大屏化、高清化及高动态范围(HDR)、宽色域方向发展,Mini-LED背光成为面板企业和LED企业关注的焦点,2020年Mini-LED背光产业链上中下游协作成果斐然,全年Mini-LED背光产品密集发布,如海信、康佳、华硕、TCL等,规模商业化已经开启。

Micro-LED作为下一代显示技术的重要技术路线,因其在消费类电子市场的广阔应用空间,得到半导体照明行业以及显示行业的高度重视,从关键装备到芯片、封装、驱动、应用系统,均吸引国内外企业争相部署。深紫外LED杀菌消毒应用市场爆发,吸引企业大举投入。2020年上半年,深紫外LED得到了空前关注,原有紫外LED产线满负荷运转,行业内一度出现供不应求的局面。很多持观望态度的企业,纷纷加入紫外LED大军,企业积极性空前高涨。

整体来看,我国第三代半导体供应链的自主保障能力得到增强,但国内企业的市场竞争力较国际巨头仍有差距。一方面,与国际企业相比,我国第三代半导体产业规模仍然较小,企业优势不明显。各细分应用市场的核心器件均由Cree|Wolfspeed、ROHM、Infineon等国外企业占据,国产产品市占率不足10%。同时,国际企业从产品数量、技术指标、企业规模等各方面都超过国内企业,如Cree|Wolfspeed2020财年实现营收约30亿元,规模远大于国内企业。

另一方面,国内同类企业之间在技术、产品、市场等方面的差距在加大,但仍未出现具有绝对优势的龙头企业,竞争格局仍未成型。以中电科13所、中电科55所、三安集成等为代表的领先企业,经过几年摸索沉淀已经完成了技术、产品和市场经营的初期积累,在资本助力下进入加速发展期,在2020年前后实现了规模迅速上量。

但从整体来看,前几家的市场占比仍然较小,而领先企业的SiC、GaN产品的单独销售规模也未超过10亿元,并未形成具有绝对优势的龙头企业。随着越来越多的资本和竞争者进入该领域,预计未来几年,行业内的兼并、重组事件将增多,产业链的聚集与融合将成为常态。为此,全行业要进一步加强协作,统筹推进补齐短板和锻造长板,针对产业薄弱环节,实施好关键核心技术攻关工程,尽快解决一批‘卡脖子’问题,强化我国第三代半导体产业链自主可控能力。

3.5 中国主要参与者

中国参与者主要有:三安集成(600703)、华润微(688396)、斯达半导(603290)、扬杰科技(300373)、闻泰科技(600745)、士兰微(600460)、天科合达(870013)、华微电子(002617)、山东天岳(002069)、立昂微(605358)、赛微电子(300456)、中微公司(688012)等。

三安光电(600703)

三安光电成立于2000年,主要从事化合物半导体所涉及的部分核心原材料、外延片生长和芯片制造,具有国内产销规模首位的化合物半导体生产规模,属于技术、资本密集型的产业,是化合物半导体集成电路产业链布局最为完善、领先的企业。公司致力于将化合物半导体集成电路业务发展至全球行业领先水平,努力打造具有国际竞争力的半导体厂商。

闻泰科技(600745)

闻泰科技全资子公司安世半导体与NEPTUNE及其股东签署收购协议,以优惠价格收购晶圆厂优质资产,公司安世业务产能有望大幅增长。根据CNBC报道,安世半导体将以6300万英镑(约合5.6亿人民币)收购英国最大芯片制造商Newport Wafer Fab(NWF)。该工厂成立于1982年,产能超过3.5万片/月(最大可扩充至4.4万片/月),涵盖MOSFET、Trench IGBT、CMOS、模拟和化合物半导体等各类半导体技术。一般来说,8寸产能的资本开支约为1亿美金/万片,公司以优惠价格收购Newport Wafer Fab股权,为公司长期发展奠定坚实的产能基础。

华润微(688396)

华润微旗下国内首条6英寸商用SiC晶圆生产线量产,充分利用IDM模式优势和在功率器件领域雄厚的技术积累开展SiC功率器件研发,向市场发布第一代SiC工业级肖特基二极管(1200V、650V)系列产品,国内首条6英寸商用SiC晶圆生产线正式量产。

公司中低压功率SGTMOSFET产品实现关键核心技术突破,器件性能达到对标产品的国际先进水平。公司完成光电高压可控硅成品平台研发,推出过零触发和随机相位触发等多颗产品。MEMS硅麦克风工艺平台从6英寸升级到8英寸,首颗代表产品参数达标。

3.6 全球主要参与者

全球参与者主要有:Wolfspeed(CREE)、贰陆公司(IIVI)、英飞凌科技(IFNNY)、意法半导体(STM)、Rohm ADR(ROHCY)、日本住友(8053)、三菱电机(MIELY)、X Fab Silicon(XFAB)等。

Wolfspeed(CREE)

Wolfspeed,原名CREE(科瑞),成立于1987年,总部位于美国北卡罗来纳州,是第三代半导体行业(即宽带隙半导体)的全球领军企业。目前公司专注于碳化硅和氮化镓材料、功率和射频(RF)器件的生产制造与销售。Wolfspeed是目前全球最大的SiC衬底制造商,公司成立于1987年,并于1993年纳斯达克上市。创始人曾在北卡罗来纳州立大学从事SiC物理特性相关科研工作。

公司技术最初商业化应用场景为LED,小部分产品进入军用和航空航天领域,后进入照明市场。近年来,公司战略不断发生变化,并于2021年10月将公司名称由CREE更改为Wolfspeed,加大在第三代化合物半导体领域中的布局。

英飞凌科技(IFNNY)

英飞凌1992年开始研发SiC功率器件,1998年建立2英寸的生产线,2001年推出第一个SiC产品。20年来公司的碳化硅技术在不断进步,2006年发布采用MPS技术的二极管,解决耐冲击电流的痛点;2013年推出第五代薄晶圆技术二极管,2014年——2017年先后发布SiC JFET,第五代1200V二极管,6英寸技术和SiC沟槽栅MOSFET。

2019年以来,英飞凌推出Cool SiC MOSFET系列,Cool SiC单管产品采用TO和SMD封装,电压等级为650V、1200V和1700V,额定导通电阻为27mΩ-1000mΩ,适用于硬开关和谐振开关拓扑,即使桥接拓扑中关断电压为零时,出色的寄生导通抗扰度也可在低动态损耗方面树立基准,优化了开关性能。

意法半导体(STM)

2019年12月2日,意法半导体完成对瑞典碳化硅晶圆制造商Norstel AB的整体收购。此次并购后,Norstel将被完全整合到意法半导体的全球研发和制造业务中,继续发展150mm碳化硅裸片和外延片生产业务研发200mm晶圆以及更广泛的宽禁带材料。

在全球碳化硅产能受限的大环境下,整体并购Norstel将有助于增强ST内部的SiC生态系统,提高生产灵活性,使ST能够更好地控制晶片的良率和质量改进,并为碳化硅长远规划和业务发展提供支持。总目标是保证晶圆供给量,满足汽车和工业客户未来几年增长的MOSFET和二极管需求。

第四章 未来趋势

第三代半导体战略地位得到广泛重视

由于在新能源汽车、5G通讯、光伏发电、智能电网、消费电子、国防军工、航空航天等诸多领域具有广阔的应用前景,第三代半导体材料的重要性和战略地位得到广泛重视。欧盟委员会、美国能源部、日本新能源产业技术开发机构等发达国家和机构相继启动第三代半导体衬底及器件的多个发展计划和研发项目,推动本国(地区)第三代半导体产业链发展,巩固其在第三代半导体领域的领先地位。

国内方面,2016年至今,中央和地方政府对第三代半导体产业给予了高度重视,出台多项产业发展扶持政策。国务院及工信部、国家发改委等部门先后在产业发展、营商环境、示范应用等方面出台政策,进一步支持我国第三代半导体产业发展;科技部通过“国家重点研发计划”共支持第三代半导体和半导体照明相关研发项目超过30项,涵盖电力电子、微波射频应用的多个应用领域,对第三代半导体基础研究及前沿技术、重大共性关键技术、典型应用示范给予高度重视和重点支持;北京、深圳、济南、长沙等地方各级政府出台多项产业发展措施和政策,引导和支持区域内第三代半导体产业发展。

碳化硅晶片需求旺盛,供给相对不足

随着新能源汽车、5G通讯、光伏发电、轨道交通、智能电网等行业加大应用碳化硅器件的投资,全球对碳化硅器件需求持续增长,国内碳化硅器件领域的投资也逐渐升温,对上游碳化硅晶片的需求持续。因此,新进入的碳化硅晶片生产商在短期内形成规模化供应能力存在较大难度,市场供给仍主要依靠现有晶片生产商扩大自身生产能力,国内碳化硅晶片供给不足的局面预计仍将维持一段时间。

Cover Photo by Vitaly Sacred on Unsplash

END

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