第三代半导体专题报告：蓬勃发展，大有可为
1. 半导体材料是产业发展的基石
半导体材料是制作半导体器件和集成电路的电子材料，也是整个半导体产 业的基础，其具备半导体性，导电能力介于导体与绝缘体之间。
1.1.第一代半导体材料
第一代半导体材料主要是指硅(Si)、锗(Ge)半导体材料，兴起于二十 世纪五十年代，带动了以集成电路为核心的微电子产业的快速发展，被广泛的 应用于消费电子、通信、光伏、军事以及航空航天等多个领域。在上世纪 90 年代之前，硅材料占据了绝对主导地位，目前大多数的半导体器件及集成电路 产品还是使用硅晶圆来制造，硅器件占到了全球销售的半导体产品的 95%以上。
而世界上第一只晶体管是由锗生产出来的，相对于硅，锗最外层电子能级 较高，所以具备更好的导电性能，但是相对会产生更多不必要的热量，此外硅 产品具备更低的价格以及更多的储量，因此最终硅取代了锗。
1.2.第二代半导体材料
第二代半导体材料是以砷化镓(GaAs)、锑化铟(InSb)为主的化合物半 导体，其主要被用于制作高频、高速以及大功率电子器件，在卫星通讯、移动 通讯以及光通讯等领域有较为广泛的应用。砷化镓和磷化铟半导体激光器成为 光通信系统中的关键器件，同时砷化镓高速器件也开拓了光纤及移动通信的新 产业。
1.3.第三代半导体材料性能优势明显
第三代半导体材料包括了以碳化硅(SiC)、氮化镓(GaN)为代表的宽禁带化合物半导体。第一二代半导体材料工艺已经逐渐接近物理极限，在微电子 领域的摩尔定律开始逐步失效，而第三代半导体是可以超越摩尔定律的。
相比于第一代及第二代半导体材料，第三代半导体材料在高温、高耐压以 及承受大电流等多个方面具备明显的优势，因而更适合于制作高温、高频、抗 辐射及大功率器件。
在器件的性能对比上，GaN 材料以及 SiC 材料在通态电阻以及击穿电压方 面都具备较大的优势。
第三代半导体材料应用可以分为微电子以及光电子领域，具体可以细分为 电力电子器件、微波射频、可见光通信、太阳能、半导体照明、紫外光存储、 激光显示以及紫外探测器等领域，有望突破传统半导体技术的瓶颈，与第一代、 第二代半导体技术互补，对节能减排、产业转型升级、催生新的经济增长点将发挥重要作用。
1.4.国家持续推出政策支持第三代半导体产业发展
国家对于第三代半导体产业发展提供了持续不断的政策方面的支持，2016 年，国务院推出了《国务院关于印发“十三五”国家科技创新规划的通知》， 其中首次提到要加快第三代半导体芯片技术与器件的研发;2019 年 6 月商务部 及发改委在鼓励外商投资名单中增加了支持引进 SiC 超细粉体外商企业;2019 年 11 月工信部印发《重点新材料首批次应用示范指导目录》，其中 GaN 单晶衬 底、功率器件用 GaN 外延片、SiC 外延片，SiC 单晶衬底等第三代半导体产品 进入目录;2019 年 12 月国务院在《长江三角洲区域—体化发展规划纲要》中 明确要求加快培育布局第三代半导体产业，推动制造业高质量发展。
除了行业政策推动，在财税政策方面，第三代半导体同属于集成电路产业， 同样享受国家对集成电路企业所得税优惠政策，先后包括 2019 年 5 月财政部 及税务总局印发的《关于集成电路设计和软件产业企业所得税政策的公告》， 针对依法成立且符合条件的集成电路设计企业和软件企业，在 2018 年 12 月 31 日前自获利年度起计算优惠期，第一年至第二年免征企业所得税，第三年至第 五年按照 25%的法定税率减半征收企业所得税，并享受至期满为止;并在 2020 年 7 月再次推出《新时期促进集成电路产业和软件产业高质量发展的若干政策》， 对于国家鼓励的集成电路设计、装备、材料、封装、测试企业和软件企业，自 获利年度起，第一年至第二年免征企业所得税，第三年至第五年按照 25%的法 定税率减半征收企业所得税。
除了国家层面的支持政策外，据 CASA 统计显示，2019 年我国地方各级政 府共计出台 32 项政策，进一步支持第三代半导体产业的发展，支持的方面包 括集群培育、科研奖励、人才培育以及项目招商等，2019 年各地通过政策将实 质性的人、财、物资源注入，推动着各地产业集聚加速。
在十三五期间，科技部通过“国家重点研发技术”支持了超过 30 项第三 代半导体相关的研发项目，通过对基础前沿技术的研究，对产业发展起到了持 续助推的作用。
2019 年针对第三代半导体的产业投资金额逐年提升，根据 CASA 统计，2019 年投资金额共计 265.8 亿元，整体相比 2018 年投资金额上升 54.53%，其中 SiC 项目金额 220.8 亿元，占比 83.07%，GaN 项目金额 45 亿元。
1.5.国内外第三代半导体产业链日益完善
第三代半导体产业链与一般半导体产业链模式相类似，一般分为衬底、外 延生长、设计、制造以及封装这五个流程，同样也存在 IDM 模式，实现了设计 制造的一体化。
从氮化镓产业链公司来看，国外公司在技术实力以及产能上保持较大的领 先。GaN 龙头企业以 IDM 模式为主，其中 Qorvo 拥有自身的晶圆代工厂以及封 测厂，在国防以及 5G 射频芯片领域具备较大优势，在 2017 年 Qorvo 最早推出39Ghz 双通道 GaNFET，并在 2018 年推出业内最强 GaN-on-SiC 晶体管;Infineon 则是专注于功率半导体领域，主要产品集中在 6 英寸 GaN 产线上，8 英寸产线 也在准备当中，公司是市场上唯一可以提供氮化镓等全系列功率产品的公司。国内厂商包括苏州能华、华功半导体以及英诺赛科等，其中英诺赛科建成中国首条 8 英寸硅基氮化镓外延与芯片大规模量产生产线，公司产品在氮化镓快充领域具备国际领先的技术实力。
GaN 衬底市场主要由日本住友电工、三菱化学也以及新越化学主导，其市场份额占到 90%以上，可以成熟提供 4 英寸以及 6 英寸 GaN 衬底，国内厂商包 括苏州纳维以及东莞中镓，目前已经实现 2 英寸氮化镓衬底产品量产，对于 4 英寸氮化镓仍处于研发及试生产阶段，与国际领先厂商技术还存在一定差距。
市场上主流的 GaN 外延片供应商包括日本 NTTAT，其可以提供用于大功率 集成电路及高频率通信领域的高品质氮化镓外延片;比利时公司 EpiGaN 可提 供 4、6 英寸氮化镓外延晶圆，广泛用于 5G 通讯、高效电力电子、射频功率、 传感器等领域，目前公司已经率先实现了 8 英寸硅基氮化镓晶圆量产，生产工 艺处于行业先进水平。国内厂商包括晶湛半导体、苏州能华以及华功半导体等， 其中晶湛已经建成了年产 1 万片 6 英寸氮化镓外延片生产线，在全球拥有超过 150 家著名半导体客户，技术实力已经向国际领先水平靠近。
从事 GaN 芯片设计厂商包括 EPC、GaN Sys 以及 Navitas 等公司，其主要 是面向功率器件设计，安谱隆以及 RFHIC 主要面向射频相关领域，其中安谱隆 在 2018 年被中国资本以 18 亿欧元收购，极大提升了我国在 GaN 器件设计领域 的实力。
为设计公司提供晶圆代工的厂商包括稳懋、TSMC、富士通、世界先进、Cree 等，国内海威华芯、三安集成等新兴代工厂也具备 GaN 晶圆代工能力。
SiC 产业链同样以 IDM 模式为主，主要的市场份额被 Infineon、Cree、罗姆以及意法半导体占据。Cree 子公司 Wolfspeed 覆盖了 SiC 全产业链生产能力， 在市场上占据了主导地位，在 SiC 器件领域市场份额达到了 62%;Infineon 在 SiC 领域的功率器件同样也具备较多的技术积累，于 1992 年开始 SiC 领域研发，2001 年推出全球首个商业化 SiC 二极管，2006 年推出全球首个采用 SiC 组件 的商用电源模块，目前已经发展至第五代。与国际巨头相比，国内 IDM 厂商泰 科天润、瑞能半导体以及华润微还有较大差距。
SiC 衬底龙头为美国 Cree，占据了市场约 40%的份额，此外还包括道康宁、 II-VI 以及 Rohm 等公司，市场份额超过 90%。国内厂商包括山东天岳、天科合 达以及河北同光等，其中天科合达具备数十年的销售经历，在 2019 年销售金 额已经达到了 1.55 亿元，净利润为三千万，业绩持续上升;其次是山东天岳， 其在 2020 年也得到了华为的入股支持，未来有较大的增长空间。
在外延片环节，主要份额被 Cree、道康宁、Rohm 等占据，国内瀚天天成 也具备 3 英寸、4 英寸及 6 英寸碳化硅外延片的生产能力，是国内排名第一的 碳化硅外延片生产商，全球客户超过 100 家。
由于采用 IDM 模式具备较好的成本优势，SiC 芯片设计企业数量较少，国外主要包括 USCi、Bruckewell 等，国内主要是瞻芯电子、苏州锴威特以及基 本半导体。代工厂商国内包括三安集成，其他地区包括 SUNY Poly、离子束、 X-fab 等公司。
2. 全球第三代半导体市场蓬勃发展
2.1.SiC 及 GaN 在应用领域上优势互补
GaN 和 SiC 在材料性能上各有优劣，因此在应用领域上各有侧重和互补。SiC 与 GaN 相比，针对 SiC 材料的研究时间更长，相对技术成熟度更高，其在 导热率上具备更多的优势，因此在高功率应用，比如高铁、输变电、新能源汽 车以及工业控制等领域占据主要地位;GaN 材料的优势在于拥有更高的电子迁 移率，因此会比 SiC 和 Si 有更高的开关速度，在高频率领域具备优势，例如 微波射频以及数据中心等应用场景。
2.2.GaN 在射频及快充领域表现亮眼
根据 Yole 统计数据，2018 年 GaN 整体市场规模为 6.45 亿美元，其中无线 通讯应用规模为 3.04 亿美元，军事应用规模为 2.7 亿美元，未来在电信基础 设施以及国防两大应用的推动下，预计到 2024 年，GaN 市场规模将增长至 20.01 亿美元，年复合增长率为 21%，其中无线通讯应用规模将达到 7.52 亿美元，同 比增长 147.43%，射频相关应用规模从 200 万美元大幅增长至 1.04 亿元，增长 近 50 倍。
通讯基站作为 GaN 增长推动重要的下游之一，根据 Qorvo 测算，全球 4G 及 5G 基站潜在市场在 2022 年预计将达到 16 亿美元。
5G 射频系统由于要使用到高频载波聚合以及高频带等多种新技术，整体系 统复杂度大幅提高，因此使用 GaN 等新技术将大幅缩减系统功耗，下图中左侧 为锗化硅基 MIMO 天线，其由 1024 个元件构成，裸片面积为 4096 平方毫米，辐射功率为 65dBm，如果采用 GaN 材料来制作，整体元件数量将减少至 192 个， 裸片面积仅为 250 平方毫米，仍能保持辐射功率不变，虽然价格有一定程度的 提高，但是功耗降低了 40%，成本可以降低 80%。
市场上 GaN 器件制造工艺分为 GaN-on-SiC、GaN-on-Si 以及 GaN-on-Diamond，其中前两种较为主流。由于 GaN-on-SiC 在效率、散热性以 及尺寸等方面具备优势，因此占据了市场上较多的市场份额。根据 Yole 预测， 未来随着 GaN-on-Si 的技术成熟，并在智能手机中大规模应用，有望带动 GaN-on-Si 市场规模的大幅提升，并在 2030 年左右超过 GaN-on-SiC。
快速充电领域也将是 GaN 未来重要的增长点。充电器经历了小型化以及高 功率发展趋势，从早期的重达 300g-700g 的充电器，到目前已经减轻至 100g 以内，充电功率也提高至 100w 以上，整体体积出现了非常明显的减小。GaN 快 充在现有的快充技术的基础上，通过将核心器件更换至 GaN，使得手机快速充 电器可以做到大功率、小体积。
快充功率近年来呈现持续上升的态势，目前最高的充电功率已经超过了 100W，并随着充电功率的提升，对 GaN 器件的偏好也将逐步提升，在 100W 以 上的充电功率，GaN 材料将占据绝对的领先地位。在快充领域国内厂商小米、 OPPO 以及 VIVO 走在了行业前端，未来随着技术的逐步成熟，其他手机厂商也 将快速跟进，根据 yole 对相关数据的预测，在正常情况下，到 2024 年整体快 充市场规模将达到 3.5 亿美元，在乐观假设下，整体市场规模将超过 7.5 亿美 元。
2020 年 2 月 13 日，小米发布了 65W 氮化镓充电器，据小米首席执行官雷 军介绍，该款充电器具有小巧、高效、发热低等特点，对一块 4500mAH 的超大 电池从 0%充电至 100%仅需 45 分钟，小米就此也成为了第一家将氮化镓 USB PD快充单独零售的品牌手机企业，并且 149 元的零售价更是创下行业新低，引发 业内人士高度关注。小米 GaN 充电器 Type-C 65W 内置智能识别芯片，可以兼 容市面上主流智能手机、Type-C 接口的笔记本电脑及其它电子设备。
目前 GaN 快充电源主要采用的是 650V 氮化镓功率芯片(GaNFET)代替传 统 MOSFET 作为功率开关，由于制造工艺上具有较大的难度，现阶段全球具备 成熟 GaN 充电器的厂商十分有限，主要包括美国 PI、纳微半导体以及中国的英 诺赛科。
根据充电头网统计，目前市场上已经出现了数十款各品牌的 GaN 快充充电 器，包括 Anker、Baseus、MI、OPPO 等知名品牌，价格基本上在 200 元左右， 未来随着氮化镓快充开始渗透手机和笔记本等电子设备的配件市场，市场容量 有望迅速扩大。
2.3.SiC 重点应用于电动汽车领域
根据 Yole 相关报告，SiC 器件市场规模在 2018 年为 4.3 亿美元左右，到 2019 年增长至 5.64 亿美元，未来仍将保持稳步增长，预计在 2025 年整体市场 规模将达到 32 亿美元左右，年均复合增长率保持在 30%以上。
从 SiC 下游应用占比来看，目前电动汽车领域占据了主要市场，未来随着 SiC 车用逆变器的大规模采用，汽车市场占比还将持续上升，成为 SiC 市场增 长的主要推动力。SiC 用在车用逆变器上，能够大幅度降低逆变器尺寸和重量， 做到轻量化与节能。在相同功率等级下，全 SiC 模块的封装尺寸显著小于硅模 块，同时也可以使开关损耗降低 75%(芯片温度为 150°C)。在相同封装下， 全 SiC 模块具备更高的电流输出能力，支持逆变器达到更高功率。
单独看车用 SiC 市场，2018 年至 2019 年电动汽车市场对碳化硅逆变器的 态度出现了极大的转变，特斯拉在行业内率先使用 SiC 技术，Model 3 采用了 意法半导体和英飞凌的 SiC 逆变器，是第一家在主逆变器中集成全 SiC 功率模 块的车企，其他厂商也开始考虑碳化硅产品的使用问题，继特斯拉之后，比亚 迪也在 2019 年小批量的使用了碳化硅逆变器，其中比亚迪汉 EV，是国内首款 应用自主研发 SiC 模块的电动汽车，这不仅是自主应用第三代半导体材料的开 始，更是 SiC 进入中高端量产车的开端。
据 Cree 测算，SiC 逆变器能够提升 5-10%的续航，节省 400-800 美元的电 池成本，与新增 200 美元的 SiC 器件成本抵消后，能够实现至少 200 美元的单 车成本下降。据罗姆测算，预计到 2026 年几乎所有搭载 800V 动力电池的车型 都将采用 SiC 方案。
此外，车载 OBC 和 DC/DC，已经开始采用 SiC 器件，将 PFC 电路中二极管 切换为了 SiC SBD，或者将 OBC 的 DC/DC 电路 MOSFET 管改为 SiC MOSFET。全 SiC 方案也有望从 2021 年开始量产。
在 2018 年，车用 SiC 市场规模为 4.2 亿美元左右，占到整体市场份额的 27%，预计到 2024 年，车用 SiC 模块市场规模将增长至 19.3 亿美元，占到 SiC 市场份额的一半左右，年均复合增长率高达 29%。
整体来看，虽然第三代半导体发展速度很快，但是目前依旧处于早期的产 品导入阶段，根据中国电子技术标准化研究院以及 yole 数据显示，2019 年， 第三代半导体 SiC 以及 GaN 的渗透率合计约为 1.77%，预计到 2023 年可以提升 至 4.75%左右。
2.4.我国第三代半导体市场趋势向上
从国内市场来看，第三代半导体主要应用领域为消费电子、工业以及新能 源汽车领域，占比分别为 28%、26%以及 11%，消费电子领域中快充为产品打开 了新的应用空间;工业领域中，新一代半导体器件可以显著降低开关损耗并提 高开关频率，极大提高能量转换效率，达到节能减排的目的;在新能源汽车领 域，特斯拉率先在汽车逆变器模组上采用了 SiC 材料，指明了未来产业的发展 方向，各大整车厂也开始跟进，推动力第三代半导体器件在汽车领域的发展。
根据 CASA 统计，2016 年至 2019 年我国第三代半导体产业值呈现持续提高 的态势。2019 年，我国 SiC 和 GaN 下游产业包括电力电子以及微波产值共计达 到了 64 亿元，同比增长了 53.07%，近三年的复合增长率高达 260%。
在电力电子领域，随着产业技术的成熟，SiC 及 GaN 器件相较于 Si 器件的 性能优势愈发明显，第三代功率器件的渗透率逐步提升，应用领域越发广泛， 除了传统的光伏逆变以及新能源汽车领域，消费电子以及数据中心等商业电源 市场也成为新的增长点。根据 CASA 预测，到 2024 年我国第三代半导体电力电 子器件市场规模将达到 200 亿元左右，年均复合增速超过 40%。
3. 重点关注公司
3.1.华润微
公司是国内领先的功率半导体制造厂商，具备从芯片设计、制造及封测的 全产业链能力，公司瞄准第三代半导体产业机遇，积极布局，目前已经建立了 全国首条 6 英寸 SiC 商用生产线，规划产能 1000 片/月，主要应用领域包括太 阳能逆变器、通讯电源、服务器及储能设备等。
今年公司于慕尼黑上海电子展上召开了 SiC 新品发布会，向市场正式发布 了 1200V 及 650V 工业级的肖特基二极管产品，同时也宣布公司 6 英寸 SiC 产 线正式量产，可以充分满足市场需求，未来公司将视市场情况，利用现有设备 扩充产能。
除了自建晶圆产线外，公司还积极拓展碳化硅产业链，公司和厦门瀚天天 成达成了增资扩股协议后，持有了瀚天天成 3.2418%的股权。瀚天天成成立于 2011 年，是一家集研发、生产和销售碳化硅外延晶圆为一体的高新技术企业， 公司通过引进全球最新的碳化硅生产线及高端检测设备，可以提供产业化 3 英 寸、4 英寸及 6 英寸碳化硅外延片，是国第一的碳化硅外延片生产商，全球客 户超过 100 家。
公司产品包括肖特基二极管，MOSFET，JEFT，BJT，IGBT，晶闸管，GTO 等， 适用于太阳能风能逆变器、电动汽车以及其他新能源领域，可以满足 600V 至 6500V 碳化硅电力电子器件的电压范围的要求。
3.2.三安光电
公司瞄准了化合物半导体的巨大潜力，设立了三安集成电路有限公司，并 将其定位为化合物半导体研发制造和服务公司，并于 2014 年开始建设 6 万片/ 年的 GaN 外延片的生产线，在 2017 年宣布公司 HBT 工艺通过了重点客户产品 认证，2018 年 12 月推出国内第一家 6 英寸 SiC 晶圆代工制程，且全部工艺鉴 定试验已经完成。
公司可以提供制程 0.5μm 的 GaN 晶圆代工业务，最高电压可以达到 650V， 目标服务于消费电子和工业应用，如适配器，服务器 smp，无线电源，车载充 电器等领域;未来还将提供 200V 及 100V 适用于与 POE 直流转换、HD 音频、LED前照灯以及电机变频器等领域的晶圆代工服务。
在 SiC 代工技术方面，目前可以提供 650/1200V SiC JBS 器件代工服务， 主要应用领域包括 DC/AC 逆变器、功率因数校正电路、开关电源等领域;未来 还将推出 SiC MOSFET 代工服务，可以应用于新能源以及电动汽车领域。
主要的代工产品包括碳化硅肖特基二极管，氮化镓场效应晶体管等。
……
（报告观点属于原作者，仅供参考。作者：东方财富证券，危鹏华）
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