【核心观点】
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.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。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。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。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）。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。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GaN 主要在蓝宝石衬底上生长GaN厚膜，价格较为昂贵。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。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。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。未来随着全球半导体厂商加速研发及，产线良率与晶圆利用率逐步提高，将会有效降低SiC器件成本，SiC将迎来高速增长。碳化硅传统的制备方法是将石英砂与焦炭混合，利用其中的二氧化硅和石油焦，加入食盐和木屑，置于电炉中，加热到 2000 °C左右高温，经过各种化学工艺流程后得到碳化硅微粉。目前SiC 晶体的制备方法主要有液相生长法和物理气相传输法两种方法。物理气相传输法(physical vapor transport method，PVT 法)是目前大规模产业化主要采用的方法。SiC制备技术门槛较高。这是由于在 2000°C以上的高温密闭真空环境中生长出大尺寸、高品质、单一晶型的碳化硅晶体，需要精确的热场控制、材料匹配及经验积累。因此，行业参与者需要长期和大量的投入，才有可能在技术上取得突破，较高的技术门槛也制约了行业的快速发展。高质量的GaN基器件需要高质量的GaN体单晶材料作为衬底。目前，GaN单晶材料的生长方式主要分为气相外延与液相外延两种方式。HVPE法由于生长速率高，能得到大尺寸晶体的优点，是目前制备GaN单晶衬底的主流生长技术。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。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。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SiC助力汽车降低5倍能力损耗。以第三代半导体的典型应用场景——新能源汽车为例，根据福特汽车公开的信息，相比于传统硅芯片（如IGBT）驱动的新能源汽车，由第三代半导体材料制成芯片驱动的新能源汽车，可以将能量损耗降低5倍左右。SiC提高电机逆变器效率4%，整车续航里程约7%。作为第三代半导体的代表，碳化硅技术的应用与整车续航里程的提升也有着紧密的联系，第三代半导体材料在提高能效、电源系统小型化、提高耐压等方面的性能已经达到了硅器件无法企及的高度。小鹏汽车动力总成中心IPU硬件高级专家陈宏表示，相比硅基功率半导体，第三代半导体碳化硅MOSFET具有耐高温、低功耗及耐高压等特点。采用碳化硅技术后，电机逆变器效率能够提升约4%，整车续航里程将增加约7%。SiC赋能光伏发电，增加太阳能转换效率。碳化硅作为典型的宽禁带材料，因其物理特性在太阳能管理中相比硅具有多种材料优势。碳化硅具备的材料优势诸如导热率是硅的三倍、可承受的击穿电场是硅的10倍、较低的导通电阻、栅极电荷和反向恢复电荷特性，使得碳化硅器件与硅同等器件相比，可以以更高的电压、频率和电流来开关，同时更高效地管理热量累积。碳化硅的这些优势在功率升压电路中发挥了作用，它使太阳能转换的效率更高。据国际能源署IEA估计，如果到2024年，假如仅2%的分布式太阳能光伏系统部署了碳化硅，其额外可产生的发电量将多达10GW。GaN和SiC是太阳能逆变器的关键。据Lux Research研究，由氮化镓和碳化硅制成的分布式电力电子系统可以将太阳能微型和串状逆变器的效率提高98%以上，二极管的能量增益超过1.5%，而晶体管的能量增益超过4%。氮化镓和碳化硅还可以通过降低无源元件的故障率、减少占地面积和节省安装成本等方式间接节约成本。此外，他们优越的热导率减少了逆变器中散热器的尺寸，进而减少了材料成本。超高压SiC器件在智能电网固态变压器中的应用有利于智能电网的进一步发展。在电网系统建设中，电力变压器是电压变换和电气隔离的基础设备，是电力网络的核心。固态变压器(SST)又称电力电子变压器，与传统变压器相比，具有体积小、重量轻、供电质量高、功率因数高、自动限流、具备无功补偿能力、频率变换、输出相数变换等优点。但是由于在电压、功率耐量等方面的限制，硅基大功率器件在固态变压器应用中不得不采用器件串、并联技术和复杂的电路拓扑来达到实际应用的要求，这使得装置的故障率和成本大大增加。而宽禁带半导体材料碳化硅则因其耐高压和耐高温的物理特性，可以更好地适应于智能电网的固态变压器的材料需求，简化固态变压器的电路结构，减小散热器空间，并通过提升开关频率来提高单位功率密度。GaN FET在汽车和工业领域独具优势, 助力减少碳排放。GaN FET有较高功率密度和效率，并可以大幅减少电源磁性器件的尺寸、延长电池续航、提升系统可靠性、降低设计成本。第三代半导体材料在汽车和工业领域的应用也有助于生产生活中节约能耗，进而减少相关活动的碳排放。GaN功率器件在数据中心的应用可以大幅降低数据中心的能耗，帮助减少30-40%的能源浪费。据元拓高科官网资讯，若全球采用硅芯片器件的数据中心都升级为氮化镓功率芯片器件，那么全球的数据中心将减少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。2.供需测算：产业链各环节产能增长，但供给仍然不足产线陆续开通，大尺寸晶圆渐成主流 。衬底方面： 2020年烁科晶体 SiC衬底项目投产，同时天科合达、 同光晶体 、南砂晶圆等几大衬底生产商均在扩张 6英寸衬底产能。器件方面：SiC产线从 4英寸向6英寸发展。据 CASA Research不完全统计， 2020年国内投产 3条 6英寸 SiC晶圆产线，截至 2020年底，国内至少已有 8条 6英寸 SiC晶圆制造产线（包括中试线），另有约 10条 SiC生产线正在建设。GaN电力电子产线方面， 已有 7条 GaN-on-Si晶圆制造产线，另有约4条 GaN电力电子产线正在建设。据 CASA Research数据显示， SiC电力电子方面 SiC导电型衬底折算 4英寸产能约为 40万片 /年， SiC-on-SiC外延片折算 6英寸产能约为 22万片 /年， SiC-on-SiC器件 /模块（ 4/6英寸兼容）产能约 26万片 /年。GaN电力电子方面 GaN-on-Si外延片折算 6英寸产能约为 28万片 /年， GaN-on-Si器件 /模块折算 6英寸产能约为 22万片 /年。GaN微波射频方面 SiC半绝缘衬底折算 4英寸产能约为 18万片 /年， GaN-on-SiC外延片折算 4英寸产能约为 20万片 /年， GaN-on-SiC器件 /模块折算 4英寸产能约为 16万片 /年。目前业界于电动车较积极导入SiC的主要装置和部件有主驱逆变器、车载充电器、车外充电器，SiC功率元件发挥如下优势：1）极佳的内在特质：高效率，降低能量损耗；高转换频率，增加能量强度；可在更高的温度下运行，提升长期可靠性。2）性能改进和小型化：从Si-IGBT 模组到SiC MOSFET 模组，体积缩小了50%，效率提升了2%，器件的使用寿命得到延长。3）有助于降低电动车用户的使用成本：提升效率以达到节电目的，在相同输出功率下可增加续航里程、提升充电速度。纯电动汽车: 8寸晶圆可以满足13辆车的SiC需求; 6寸晶圆可以满足7辆车的SiC需求油电混合车: 8寸晶圆可以满足17辆车的SiC需求; 6寸晶圆可以满足9辆车的SiC需求国内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。纯电动汽车占新能源汽车比重为81%，以此数据假设，我国2021-2025年新能源汽车相关8英寸SiC晶圆需求为14.0万片、18.1万片、24.2万片、31.2万片、42.3万片，全球为27.0万片、36.5万片、49.5万片、64.4万片、89.4万片；6英寸SiC晶圆需求我国为24.9万片、32.1万片、43.1万片、55.4万片、75.2万片，全球为49.5万片、67.0万片、90.9万片、112.8万片、164.0万片。2.3.需求端：GaN在电力电子及射频中硅片用量测算GaN电力电子器件市场规模在国内外都将保持较高增速，带来需求高速增长。根据CASA Research的数据，未来PD快充GaN电力电子器件市场将迎来3-4年的黄金发展时期，2020 年国内 PD 快充 GaN 电力电子器件市场规模约 1.5 亿元，预计到 2025 年市场规模将超过 40 亿元，年均复合增长率 高达97%。终端应用市场的需求繁荣将拉动对GaN晶圆的广阔需求空间。据CASA Research估计，到2025年，全球相关GaN 6英寸晶圆需求将达到129万片，我国GaN 6英寸晶圆需求将达到67.4万片。6英寸、8英寸GaN晶圆的面积分别为176.71、314.16平方厘米，按照晶圆需求量与晶圆面积比例测算，那么可得2025年GaN电力电子器件在PD快充领域对8英寸的需求为全球72.6万片，我国37.9万片，数据测算结果如下。2022年，因5G基站建设带来的GaN晶圆增量需求将出现高峰。2.4.需求端高速发展，但供给仍然不足，国产替代迫在眉睫当前新能源汽车、PD快充、5G等下游应用市场增长超预期，国内现有产品商业化供给无法满足市场需求，尤其是SiC电力电子和GaN存在较大缺口。这也导致我国第三代半导体各环节国产化率较低，超过八成的产品依赖进口。在这种情况下，希望国内有实力的企业在谋划扩产增加产能供给的同时，还要加强技术攻关 ，提升产品性能、良率和可靠性，并加速降低成本。SiC在新能源汽车领域需求情况，2025年为164万片等效6寸晶圆，与2020年产能差距甚大。GaN在电力电子（仅快充）领域需求情况，2025年为129万片等效6寸晶圆，与2020年产能差距甚大。3.下游应用：物理性能优势+节能减排需求，SiC应用多点开花SiC在物理性能方面相较于Si优势显著，叠加节能减排和新能源领域的巨大变革，SiC下游应用极为广阔。现有的功率器件大多基于硅半导体材料，由于硅材料物理性能的限制，器件的能效和性能已逐渐接近极限，难以满足迅速增长和变化的电能应用新需求。碳化硅功率器件以其优异的耐高压、耐高温 、低损耗等性能，能够有效满足电力电子系统的高效率、小型化和轻量化要求，在新能源汽车、光伏发电、轨道交通、智能电网等领域具有明显优势。经过近 30 年 研究和开发，碳化硅衬底和功率器件制造技术在近年逐步成熟，并快速推广应用，正在掀起一场节能减排和新能源领域的巨大变革。碳化硅功率器件的应用领域如下：伴随新能源汽车、光伏发电 、轨道交通 、智能电网等产业的快速发展，SiC功率器件的使用需求大幅增加，2027年将突破百亿美元。2022年，预计SiC下游市场预计高达50亿美元，其中新能源汽车及太阳能市场占比极高，电动车快充及OBC发展可期。3.1.SiC在新能源汽车领域备受青睐，未来五年带动60亿美元市场新能源汽车是SiC功率器件最大的应用领域，预计明年有24亿美元市场，2027年达到60亿美元，2032年超过150亿美元。在新能源汽车上，传统功率器件通常采用IGBT技术方案，但近年来随着材料科技的发展，碳化硅(SiC)正成为技术热点。根据意法半导体相关预测，2020年约有40%以上的纯电动汽车采用 SiC技术，而到2025年，SiC的普及率将提高至70%。SiC已实现了车规级应用，在新能源汽车市场备受青睐。新能源汽车系统架构中涉及到功率半导体应用的组件包括:电机驱动系统、车载充电系统(OBC)、电源转换系统(车载 DC/DC)和非车载充电桩。目前，SiC已实现了车规级应用，GaN尚处于研发阶段。SiC主要应用于大于600V的高压系统，如纯电动汽车的驱动电机逆变器。从目前来看，SiC尚未完全取代IGBT，因为这几种材料都有各自的技术优势。其中SiC凭借其在性能以及降低整车成本等方面的诸多优势，正越来越受到新能源汽车市场的青睐，特别是牵引逆变器中的应用越来越广，并且该趋势在未来几年会变得更加明显。SiC 在新能源汽车领域的应用逐渐成为各大机构的技术布局热点。车用辅助设施、充电桩等的整个新能源汽车产业，均会成为支撑碳化硅在中高电压领域高端应用的重要组成部分。相比于传统硅基，SiC在新能源汽车有较大的技术优势：1）SiC可有效提高能效，并使得系统结构更为紧凑，冷却设计也更为简化；此外还有助于缩短充电时间、增加续驶里程。2） SiC 材料的高耐压、宽禁带和高导热率特性使得SiC 更适合应用在高功率密度和高开关频率的场合。3）SiC技术如果应用于充电领域，还能提高充电速度。我国新能源汽车将高速起量， SiC迎来大发展时代。2021-2022年得益于疫情后的车市反弹和财政补贴期限的延长，新能源汽车销量将实现增长；2023年以后随着补贴退坡，市场将回落到较为平稳的增长水平；到2025年，新能源汽车销量将达到约542万辆。新能源汽车终端市场的强劲需求+SiC优秀的物理性能，使其成为 SiC功率器件市场快速发展的首要驱动力。新能源汽车将新增大量与电池能源转换相关的功率半导体器件，新能源汽车终端市场的强劲需求，将带动整个功率半导体行业需求大幅度增长。与 Si（硅 基的 IGBT相比， SiC MOSFET在产品尺寸、功率消耗方面大幅减小，较大地提升了新能源汽车电池的电能转化效率。较大地提升了新能源汽车电池的电能转化效率。2018年特斯拉的主逆变器开始采用 SiC MOSFET方案，随后采埃孚、博世等多家零部件制造商以及雷诺等汽车生产商都宣布在其部分产品中采用 SiC MOSFET方案，汽车领域成为 SiC功率 器件 市场快速发展的首要驱动力。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充电基础设施市场空间庞大，有望带动SiC应用实现突破。在缺少家用充电系统或超级充电桩时，电动汽车需要使用车载充电器来处理标准路边充电问题。充电时间取决于车载充电器的额定功率。目前电动汽车车载充电器额定功率在3kW 到9kW 之间。为缓解消费者对电动汽车续驶里程的焦虑，加速电动汽车发展，各国都在建设公共充电桩。从2019年全球各国公共充电桩保有量统计来看，中国51.6万台，欧盟25.5万台，美国7.2万台，日本3.2万台，全球年复合增长率达32%，中国充电产业规模位居全球之首，总量占比超过全球半数。进入2020年，我国公共充电桩保有量这一数据已达到80.7万台，较2019年增加超56%，可见充电市场空间十分庞大。随着电动汽车保有量的上升，直流充电桩技术正发展迅猛，未来推广速度加快，有望带动SiC应用实现突破。现阶段，市场上主要由交流桩和直流桩两种充电桩类型构成。交流（慢充）桩是公共充电桩的主流。数据显示，2020年我国80.7万台公共充电桩中，交流充电桩达到49.8万台，而直流充电桩为30.9万台。其原因在于，交流桩对电网改造要求低，可直接接入220V居民用电线路，技术比较成熟且建设成本比较低，但充电效率低，耗时更长，主要适用于家用领域。相比之下，直流充电桩充电速度较快，但技术复杂且成本高昂，因此早期推广速度不如交流充电桩。然而对于公共充电桩来说，提升充电效率缩短充电时间是用户的关注核心，因此直流充电桩技术的未来研发市场十分广阔。碳化硅器件对电动汽车充电模块性能提升主要体现在三方面：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可再生能源成为国家碳中和相关重点规划方向，SiC为代表的相关技术和产品的研发市场广阔。高效、高功率密度、高可靠和低成本是光伏逆变器的未来发展趋势，SiC功率器件能够突破Si 材料对器件性能的限制。并网光伏逆变器是光伏电站的核心功率转换设备，应用 SiC 功率器件对于提高并网光伏逆变器系统的效率及可靠性、提高光伏发电系统寿命及降低光伏发电系统的成本起到至关重要的作用。SiC功率器件在光伏发电应用中，具有缩小系统体积、增加功率密度、延长器件使用寿命、降低生产成本等诸多优势，预计会逐渐取代硅基器件。SiC 功率器件的市场接受程度不断增加，在光伏发电领域有光明的应用前景。目前，SiC 功率器件所使用的单晶体材料尺寸不断增大，质量大大提高，成本持续降低，使得 SiC 功率器件的电压、电流等级和可靠性提高，成本下降，市场接受程度不断增加。据 Yole 统计分析，目前的 SiC 功率器件 90% 以上是应用到低压(600~1 200 V)电力电子系统，主要包括电源系统、马达驱动以及并网光伏逆变器。根据 Omdia 数据，2020 年全球 SiC 和 GaN 功率半导体的销售收入达到 8.54 亿美元，在混合动力和电动汽车、电源和光伏逆变器等需求的推动下，未来十年保持两位数的年均复合增长率，到 2021 年市场预计超过 10 亿美元，并在 2029 年超过 50 亿美元。4.下游应用：光电+射频+电力电子起量，GaN应用场景广阔GaN优势众多，在5G和AIOT推动的100V 和650V 集群中前景广阔，下游应用包括汽车，工业，电信和特定消费类产业。GaN在功率应用方面比传统的硅基半导体材料具有显著的优势，这包括大大降低了寄生功率损耗，能在更高功率下实现更高能效等。GaN 技术还允许设计更紧凑的器件以实现更小的产品尺寸。此外，基于GaN 的器件在较高的峰值温度下工作时，其切换速度比基于硅的器件快10 倍。GaN 充电器可以在一个小型紧凑的装置中提供所需的电源，并同时给多个设备快速充电。同样，在电动汽车领域，GaN 的节能效果超过20%，而在电信领域，5G 无线技术是“完美”的应用案例。随着更高的带宽和频率要求（这增加了5G 智能手机的电池续航能力要求），耗电的5G 设备可以利用更高效的GaN 技术，该技术不仅可以更有效地散热，而且占用空间也更小。GaN 能够在更高频范围内工作，因此从基站到小型蜂窝应用都需要它，并且它已经开始涉足移动设备的设计。目前GaN材料的主要应用领域为电子电力领域（电源等）、光电子领域（LED照明、激光等）和射频领域（通信基站等）。占比最高的是光电器件为68%。宽禁带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。占比第二是射频器件，即微波毫米波器件，占比为20%。GaN相比于砷化镓和硅等半导体材料，在微波毫米波段的宽禁带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。占比第三是大功率电力电子器件，占比为10%。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GaN具有比其他半导体材料更为明显的优势。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Wolfspeed预计GaN市场将在2022年达到11亿美元，下游市场包括5G通信、消费电子、军工等等。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GaN是蓝、绿光LED不可替代的基础材料，也是制造Micro-LED芯片的优选。GaN基发光二极管因具有高效、可靠、响应速度快、寿命长、功耗低等优点，不仅被广泛应用于全彩显示面板背光、交通信号灯、汽车照 明、固态照明等领域，而且可以制造成由COMS/TFT控制集成的微尺寸LED阵列，用于小型投影仪、微显示器、可见光通信、医学研究等。近年来，研究者们对GaN基LED开展了大量的研究工作，有团队报道了实现GaN基LED颜色可调性的方法，比如结合荧光粉或者量子点等实现颜色转换，展示了其制备成彩色微显示器的应用前景。蓝光GaN基LED芯片结构可以分为两类：垂直芯片结构和倒装芯片结构，而研究人员根据芯片结构进行ｐ和ｎ电极总线设计，在制备有源矩阵和无源矩阵Micro-LED显示器上取得了不少成果。
基于GaN-on-Si技术的Micro-LED有效提升显示品质，符合未来发展趋势。在物联网和 5G 新时代，光电子市场作为GaN的主要应用方向，具有较大潜力。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GaN在电力电子市场深受认可，增长空间广阔。由于GaN器件相比于SiC器件拥有更高的工作频率、更低的导通电阻和更低的最低阈值电压，使用GaN器件制作的功率器件将拥有更强的转换效率和更小的器件体积，所以GaN电力电子器件更适合对高频率、小体积、成本敏感、功率要求低的电源领域。未来GaN在电力电子市场的增长空间主要集中在消费快充和汽车电子。GaN电源市场将成为GaN在电力电子领域最强的推动力，Yole预测市场规模将在未来五年超过15亿美元。GaN具有推动无线感应高频充电方案发展的潜力，未来将更多地配备在高端电动车上。车载方面，GaN电力电子器件能够有效减少逆变器尺寸、重量和系统成，因此在48V的混合动力汽车领域将拥有较强的竞争力。GaN可用于48V DC/DC以及OBC（On board charger 车载充电机）。高工产研预计48V轻混系统车型将在中国迎来高速发展期，在2020年至2025年的五年时间里，实现年均增长率69.4%，年销售量从33万辆增长到450万辆。同时GaN电力电子器件也可用于车载充电器（OBC），如以色列VisIC公司设计的6.7 kW GaN车载充电器实现了更低的功率损耗，更小的体积和更轻的重量，帮助电动汽车精简冷却系统、缩短充电时间，缩小尺寸并降低成本。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在射频通信领域，GaN是未来最具成长潜能的半导体材料之一。与GAAS、InP相比，GaN器件输出功率更大，与Si LDMOS和SiC器件相比，GaN的射频特性更好，GaN射频器件已成为5G时代功率放大器主要技术。2）更高频率：活动天线基于更高的频率可以做到实时动态覆盖GaN赋能5G单片前端解决方案，5G的蓬勃发展将会促进GaN应用的进一步推广。5G基站建设放量为GaN市场带来增长空间。根据前瞻产业研究院关于 5G 基站建设预测数据，未来5年中国 5G 基站建设将迎来高峰，每年投资金额为 3000 亿—5000 亿元，5 年总投资超过 2 万亿元。除5G外，GaN在雷达和电子战系统中具有优势，军工市场是GaN射频器件市场的主要推动力。GaN当前已在关键的国防细分市场上展现出优势，国防应用需求的稳定性也将为GaN市场增长保驾护航。Si基GaN和SiC基GaN射频器件已逐步成为5G功率放大器尤其宏基站功放大器的主流技术路线。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GaN异质外延方面产品线持续扩充完善，各类技术并行发展。由于具有价格低、生长速度快以及对CMOS工艺兼容等优势，Si基 GaN有望在电力电子应用方面成为市场主流，但性能略逊于 SiC 基 GaN。硅基氮化镓商用仍在起步阶段，有望提供经济高效和可扩展的解决方案，Yole Development市场规模将在2026年达到1.73亿美元，复合年增长率达到86%。SiC基GaN 器件是射频市场主流产品和技术解决方案，性能相对较佳，但价格高于Si 基 GaN。在RF GaN行业，Si基GaN和SiC基GaN技术已成为RF功率应用方面LDMOS和GaAs的有力竞争者。在GaN 射频应用方面，对于 SiC基 GaN 工艺，研发能力逐渐提升，技术逐渐成熟。Si 基 GaN 射频应用属于非主流路线，但其成本优势在未来有较大竞争力，因此也有不少企业在布局。国内外Si 基 GaN 外延片主流尺寸为 4英寸和6 英寸，并逐步向 8 英寸发展。GaN 光电子应用方面，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。 多家晶圆代工厂和IDM均将生产Si基GaN 和SiC基GaN视为重点发展对象。IDM方面，国际龙头企业进一步扩大自身优势。2018 年，Cree收购了英飞凌的RF部门， 该部门主要设计制造LDMOS放大器，同时拥有GaN-SiC/Si器件生产能力。收购完成后，Cree成为了全球最大的GaN射频器件供应商。Cree除为自家生产GaN射频器件外，还向外提供GaN代工生产服务。而Qorvo在GaAs的基础上，进一步发展了SiC 基 GaN；MACOM则在早期看好Si 基 GaN工艺，近年也开始发展SiC 基 GaN。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市场需求增强，龙头企业不断扩大产能，抢占市场份额。2019 年，Cree 宣布投资 10 亿美元扩大 SiC 产能，建造一座采用最先进技术的自动化 200mm SiC 生产工厂和一座材料超级工厂，实现 SiC 晶圆制造产能和 SiC 材料生产的 30 倍增长，以满足 2024 年之前的预期市场增长。近日，科锐首席执行官也再次确认，其位于纽约州马西镇的碳化硅（SiC）晶圆厂有望在2022年初投产，该厂于2019年开始建设，为“世界上最大”的碳化硅晶圆厂，将聚焦车规级产品，是科锐10亿美元扩大碳化硅产能计划的一部分，也是该公司有史以来最大手笔的投资。同时，科锐宣布与意法半导体（ST）扩大现有的多年长期碳化硅（SiC）晶圆供应协议。根据新的供应协议，科锐在未来几年将向意法半导体提供150毫米碳化硅裸片和外延片。1.美日欧均推进第三代半导体技术的研发项目，抢占技术制高点。2.日本建立了“下一代功率半导体封装技术开发联盟”。3.欧洲启动了产学研项目“LAST POWER”。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目前，碳化硅晶片产业格局呈现美国全球独大的特点。以导电型产品为例， 2018 年美国占有全球碳化硅晶片产量的 70%以上，仅 CREE 公司就占据一半以上市场份额，剩余份额大部分被日本和欧洲的其他碳化硅企业占据。SiC 电力电子方面，美国在 SiC 领域全球独大，并且占有全球 SiC 70%~80% 的产量。欧洲拥有完整的 SiC 衬底、外延、器件、应用产业链， 日本是设备和模块开发方面的绝对领先者。5.1.3.GaN国际产业格局初定，美日欧三足鼎立当前全球GaN产业仍处于由海外主导的寡头市场。在电力电子领域，美国拥有较完整的产业链，欧盟主要聚焦在外延环节，日本信越和富士电机等在衬底和外延占优。各国在GaN相关专利技术上取得较多突破，日本、美国处于领先地位。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我国起步稍晚，厚积薄发快速发展与国外代差较小，但在GaN单晶等基础材料制备方面还存在一定代差。当前，我国半导体产业面临“卡脖子”问题，主要卡在关键设备和材料方面。但在宽禁带半导体设备方面，大多数领域都实现了本土化，从材料生长、器件和电路工艺到测试封装设备，国内基本能够满足需求。唯独光刻机仍然没有解决。宽禁带半导体所需要的光刻机工艺制程并不需要十分先进，光刻精度在90纳米左右。我国逐步在向世界巨头们追赶逼近。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。在政策导向方面，国家多项新政策的出台，大大助力了第三代半导体材料产业的发展。2016 年， 国务院印发《“十三五”国家科技创新规划》，启动了一批面向 2030 年的重大项目；2017 年 2 月， 国家新材料产业发展专家咨询委员会成立，作为战略性新兴产业和实现节能减排的重要抓手，第三代半导体技术和产业受到了中央政府、各级地方政府和企业的重视。与此同时，多地区也已下发相关政策，大力扶持第三代半导体材料产业快速发展。预计未来2~3年，国内第三代半导体产业将形成几个集聚区，分别是京津冀、长三角、珠三角和闽三角，注重第三代半导体产业对当地经济结构调整、产业转型升级的促进作用。国家 2030 计划和“十四五”国家研发计划都已经明确，第三代半导体是重要发展方向，现在到了动议讨论实施方案的阶段。第三代半导体材料具有高频、高效、高功率、耐高压、耐高温、抗辐射等特性，可以实现更好电子浓度和运动控制，特别是在苛刻条件下备受青睐。国家布局“新基建”，第三代半导体是关键核心器件。2020 年，在国务院常务会议、中央全面深化改革委员会第十二次会议等重要会议上多次提出推进新型基础设施建设，我国新型基础设施建设进入高层布局。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 我国即将形成以4英寸主体，6英寸为骨干，8英寸为后继的SiC衬底发展局面。在SiC衬底方面，我国的生产企业主要有天科合达、山东天岳、河北同光晶体、世纪金光、中电集团二所等。国内6英寸SiC衬底研发也相继突破，已进入小批量生产阶段。2017年山东天岳自主开发了高纯半绝缘体衬底材料，目前4H导电型SiC衬底材料已达到6英寸，还自主开发了6英寸N型SiC衬底材料。2020年7月，三安光电在长沙的第三代半导体项目启动，主要用于生产6英寸SiC导电衬底、4英寸半绝缘衬底以及SiC二极管和SiC MOSFET的外延芯片。2020年10月6日，山西烁科发布消息称，8英寸SiC衬底已开发成功，即将进入工程化。在SiC外延片方面，目前国内SiC外延片以4英寸产品为主，也有少量提供6英寸外延片。目前以美国的Cree、 DowCorning、II-VI、日本的罗姆、三菱电机、德国的Infineon为主，其中美国公司就占据了全球的70%以上的份额。技术上已向6英寸过渡。国内的SiC外延片生产商主要有瀚天天成、东莞天城、国民技术子公司国民天成、世纪金光、以及中电科的13所和55所等。在SiC器件方面，我国相关企业较多。近年来，我国从事SiC 器件研发和生产的厂商较多。有IDM企业，如扬杰电子、苏州能讯高能半导体、株洲中车时代、中电科13所和55所、世纪金光等；有Fabless企业，如上海瞻芯、瑞能半导体等；有Foundry代工企业，如三安光电；也有SiC 模组厂商，如嘉兴斯达、河南森源、常州武进科华、中车时代电子等。在SiC 器件制造方面，目前国内已有中车时代、世纪金光、全球能源互联网研究院和中电55所等4条6英寸SiC 器件中试线，相继投入量产。其中，中车时代的6英寸SiC SBD、PiN MOSFET等器件的研发与制造更有特色。5.2.3.多方配合推动创新，中国GaN产业发展正当时1.各企业积极扩产布局，产业进入扩张期，市场迅猛增长。2.从研发角度来看，中国专利占据全球的28%，产业化发展程度较欧美低但应用场景广阔。3.国内投资GaN热度高涨，国家、地方、企业联动的投融资生态圈正在发挥积极作用。4.政策扶持、应用推进、资本追捧，以GaN为代表的第三代半导体产业前景广阔。SiC领域最强者，8英寸产业成功研发投建。CREE 公司成立于 1987 年，是集化合物半导体材料、功率器件、微波射频器件、LED 照明解决方案于一体的著名制造商，专业从事碳化硅、氮化镓等第三代半导体衬底与器件的技术研究与生产制造。公司财务状况良好，成本逐渐下降，第三代半导体板块营收占比逐年上升。Cree公司的营业收入分为两个部分：Wolfspeed和LED芯片。Wolfspeed部分的产品主要有碳化硅和氮化镓材料、电力设备以及射频设备。2018-2020年，Wolfspeed收入占总营业收入的比例分别为36%，50%，52%，呈逐年上升的趋势。2020年毛利率相较于2019年有所下降，主要原因是客户和产品结构的变化，工厂和技术转型导致成本上升。6.2.英飞凌：SiC领域领军人，GaN已投入量产碳化硅领域领军人，深耕行业20年。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CoolSiC™ MOSFET系列，CoolSiC™单管产品采用TO和SMD封装，电压等级为650 V、1200 V和1700 V，额定导通电阻为27 mΩ-1000 mΩ，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。6.3意法半导体：与终端应用企业形成强绑定，完善产业布局意法半导体通过战略收购并购加速布局SiC业务，提高产品良率和产品竞争力。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。与龙头企业签订SiC衬底长期供应协议，补充内部产能缺口。公司近三年营业收入保持平稳，受平均销售价格和产品结构的影响，ADG部分收入有小幅波动。通过开发独有技术和对新业务的挑战，确立了5大事业领域。6.5.三菱电机：第二代SiC功率模块优势显著，积极探索GaN-HEMTSiC功率器件领域基础实力雄厚，申请大量相关专利。2020年新推出第二代SiC功率模块产品，与传统产品相比显著降低了80%的耗电量。发布全球首款多单元结构金刚石基GaN HEMT，持续开发满足多样化需求。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纳微半导体是GaN行业的领军者，推动下一代氮化镓的技术发展。纳微半导体成立于 2014 年，开发超高效氮化镓（GaN）半导体，在效率、性能、尺寸、成本和可持续性方面正在彻底改变电力电子领域。纳微半导体是唯一一家将 GaN 电源与驱动器、控制和保护集成到单芯片集成电路 （IC） 中的 GaN 公司。纳微半导体 GaNFast IC 是易于使用的"数字化、断电"构建基块，可加快高达一百倍的切换速度，同时可节省高达 40% 的能源。纳微半导体正在积极推动下一代半导体氮化镓的技术发展，实现氮化镓在移动设备快充、消费电子行业、数据中心、可再生能源、电动汽车等领域的大规模应用，加速氮化镓在功率半导体领域替代传统硅的历史性拐点的到来。率先打造业内首款集成半桥氮化镓功率IC，成为快充市场GaN功率芯片头部供应商。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三安光电通过设立厦门三安光电全资子公司发力化合物半导体市场，项目总规划用地281 亩，总投资额30亿元。三安光电电路是涵盖微波射频、高功率电力电子、光通讯等领域的化合物半导体制造平台；具备衬底材料、外延生长、以及芯片制造的产业整合能力，拥有大规模、先进制程能力的MOCVD 外延生长制造线。三安集成2021H1实现收入10.16亿元，半年度收入实现对去年全年收入超越。包含泉州三安滤波器在内，则实现收入10.28亿元。随着公司H2产能逐步释放，我们看好公司全年集成电路板块收入持续保持高增长。在客户进展方面，2021上半年滤波器开拓41家客户（其中17家国内手机和通信模块客户），砷化镓射频累计客户近100家，光技术量产客户104家，碳化硅二极管上半年新开拓客户518家，出货客户超过180家，并有2款碳化硅二极管产品通过车载认证并送样行业标杆客户，其中，碳化硅Mos工业级产品送样验证，车规级正配合多家车企做流片设计及测试。首条碳化硅IDM生产线投产，集成电路业务多轮驱动。今年6月23日，公司投资160亿元的一座全产业链超级工厂正式投产，月产量可达30,000片6寸碳化硅晶圆。公司长沙工厂具备由上游衬底至下游器件的能力，当下拥有碳化硅晶圆制造能力的工厂数量也屈指可数。公司建成了国内首条碳化硅垂直整合产业链，对下游企业的议价能力较强，在新能源汽车快速提高渗透率的浪潮中，碳化硅市场将快速成长，公司预计将显著受益。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积极布局第三代半导体，氮化镓已通过车规认证测试并实现量产。与联合汽车电子有限公司就氮化镓领域达成深度合作绑定，为客户提供更为先进和高效的新能源汽车电源系统解决方案。子公司安世半导体在GaN产品应用和生产制造方面都领先行业。加码GaN产品研发，联合行业伙伴全力推动汽车领域增长。2021半年度实现营业收入247.69亿元，同比增长3.91%，实现归母净利润12.32亿元，同比减少27.56%。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斯达半导将以 IGBT 技术为基础，不断突破和积累下一代以 SiC、GaN 器件为代表的宽禁带功率半导体器件的关键技术，大力发展车规级功率器件。2021年8月公司宣布投资5亿元在SiC 芯片研发及产业化项目；2021年3月公司宣布投资20亿元与高压特色工艺功率芯片和SiC芯片研发及产业化项目。斯达半导近期多次加码布局碳化硅功率芯片，布局蓬勃发展的新能源汽车市场，加速国产替代提升核心竞争力。公司 2021 年上半年实现营业收入7.19亿元，同比增长72.62%，实现归母净利润1.54亿元，同比增长 90.88%。公司财务情况良好，净利润及营收逐年提升，同时毛利率与净利润也稳步上升，2021H1再创新高，达到34.42%的毛利率及21.47%的净利润率。公司将持续发力新能源汽车及燃油汽车半导体器件市场，为高端车型提供成熟的车规级 SiC 模块。7.4.华润微：旗下国内首条6英寸商用SiC晶圆生产线量产旗下国内首条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。华润微营收快速增长，毛利率大幅提升。公司上半年实现营收44.5亿元，同比增长45%，归母净利润10.7亿元，同比增长165%。其中二季度单季实现营收24.1亿元，归母净利润6.7亿元。受益于产能利用率和价格提升，上半年毛利率34.1%，同比增长6.8个百分点。7.5.立昂微: GaN芯片产能爬坡，规模化生产正当时杭州立昂东芯是专业从事砷化镓/氮化镓微波射频芯片研发与制造的公司，在国内较早建成了商业化射频芯片生产线，目前客户群已经具备，技术已经突破，正处于产能和销量爬升的阶段。公司盈利能力稳步提升，公司2021H1净利润预计为21,728.18万元，同比增长152.54%。公司2021H1实现营业收入10.28亿元，同比增长58.57%，实现归母净利润2.09亿元，同比增长174.21%。公司整体营收及净利润稳步上升。7.6.士兰微：IGBT产品营收再创新高，SiC中试线实现通线产品线不断丰富，IGBT产品营收再创新高。公司建立了可持续发展的产品和技术研发体系，其中包括以 IGBT等为代表的功率半导体产品。在工艺技术平台研发方面，公司依托于已稳定运行的 5、6、8 英寸芯片生产线和正在建设的12 英寸芯片生产线和先进化合物芯片生产线，建立了新产品和新工艺技术研发团队，完成了国内领先的超薄片槽栅 IGBT工艺研发。2020 年，基于公司自主研发的 V 代 IGBT 和 FRD 芯片的电动汽车主电机驱动模块，已通过部分客户测试并开始小批量供货。2020年，公司IGBT 产品（包括器件和 PIM 模块） 营业收入突破 2.6 亿元，较上年同期增长 60%以上。士兰微上半年收入 33 亿元，同比增长 94%。归母净利润创历史新高达4.3 亿元，同比增加 1306%。公司营业利润和利润总额均扭亏为盈，（1）2021年上半年公司子公司士兰集昕公司8英寸芯片生产线保持较高水平的产出，芯片产量较去年同期有较大幅度的增长，产品综合毛利率提高至18.35%，亏损大幅度减少；（2）公司子公司士兰明芯公司LED芯片生产线基本处于满负荷生产状态，LED芯片产量较去年同期有较大幅度的增长，产品综合毛利率提高至6.87%，亏损大幅度减少；（3）士兰微（母公司）集成电路和分立器件产品销量较去年同期大幅度增长，产品毛利率提高至23.94%，营业利润大幅度增长。7.7.华虹半导体：IGBT在12英寸实现规模量产华虹半导体在IGBT制造领域拥有深厚经验，技术先进、量产产品种类繁多，前瞻布局新技术以适应增长性需求。华虹半导体是全球首家同时在8英寸与12英寸生产线量产先进型沟槽栅电场截止型IGBT的纯晶圆代工企业.。2021年H1业绩表现亮眼。2021 年 1-6 月，公司实现营业收入 6.59亿元，同比增长 51.55%；扣除非经常性损益后归属于母公司所有者的净利润 7622.20万元，同比增长193.52%。7.8.新洁能：国内 IGBT 等半导体功率器件市占率排名前列2021年H1，公司IGBT业务实现一系列进展，IGBT产品营收强劲增长。第三代半导体功率器件平台：目前 1200V 新能源汽车用 SiC MOSFET 和 650V PD 电源用GaN HEMT 在境内外芯片代工厂的处于流片验证阶段，进展顺利。驱动IC产品平台：为了更好的满足终端客户对功率器件及整体解决方案的需求，公司已立项研发用于控制和驱动功率开关器件（MOSFET/IGBT/SiC MOSFET/GaN HEMT）的IC系列产品，目前已完成IC研发团队的组建，并与多家芯片代工厂建立了合作关系，已开发数款IC产品，相关产品处于客户验证阶段，预计该类产品将成为公司新的业绩增长点。新洁能上半年营业收入6.77亿元，同比增长 76.21%。归母净利润1.74亿元，同比增加 215.29%。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瞄准第三代半导体材料行业发展趋势，在碳化硅功率器件等产品研发方面加大力度，以进一步满足公司后续战略发展需求。公司2021H1实现归母净利润3.44亿元，同比增长138.57%。公司整体营收及净利润稳步上升。同时公司前期在研发上的大力投入逐步释放效益，新产品业绩突出。MOS、小信号、IGBT 及模块等产品的业绩同比增长均在 100%以上。7.10.赛微电子：掌握业绩领先SiC、GaN外延技术，GaN业务产能爬升迅猛以研发为基础，赛微电子掌握业界领先的8英寸硅基GaN外延与6英寸碳化硅基GaN外延生产技术，由小规模试产转向量产。赛微电子通过投资设立全资子公司和参股联营等方式，在与地方政府积极合作的基础上，推动产能建设和产业链布局。赛微电子与政府达成密切合作，以推动其相关产业布局的实现，助力公司进一步完善GaN业务的全产业链IDM布局。2021 年上半年，公司实现营收3.95 亿元，同比增长 9.74%；归母净利润 0.72亿元，同比增长 515.57%。赛微电子上半年营业收入收入3.95亿元，同比增长 9.74%。归母净利润0.72亿元，同比增加 515.57%。7.11.捷捷微电：与研究所合作研发第三代半导体相关技术公司已与中科院微电子研究所、西安电子科大合作研发以SiC、GaN为代表第三代半导体材料的半导体器件，具有耐高压、耐高温、 高速和高效等优点，可大幅降低电能变换中的能量损失，大幅减小和减轻电力电子变换装置，是当前新型电力电子器件的研发主流。捷捷微电上半年营业收入8.52亿元，同比增长 109.03%。归母净利润2.4亿元，同比增加 105.21%。2021年上半年，公司拥有的核心技术与研发能力、产品质量控制能力以及全行业覆盖的市场与销售体系仍是公司立足行业领先地位的核心竞争力。公司正在积极布局以SiC和GaN为代表的第三代半导体器件技术，重点推进SiC SBD产品和650V GaN的开发。2021年上半年公司实现营业收入9.92亿元，同比增长23.45%；实现归属于上市公司股东的净利润0.27亿元，同比上升43.59%。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突破IGBT关键核心技术，打破轨道交通和特高压输电关键器件由国外企业垄断的局面。IGBT技术达到国家先进水平，产品广泛应用于轨道交通、电网和新能源汽车行业。部分SiC SBD、 MOSFET产品已得到应用。2021年上半年公司实现营业收入52.98亿元，同比下降4.88%；实现归属于上市公司股东的净利润6.95亿元，同比上升1.03%。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天岳先进主要从事宽禁带半导体（第三代半导体）碳化硅衬底材料的研发、生产和销售，产品可应用于微波电子、电力电子等领域。目前，公司主要产品包括半绝缘型和导电型碳化硅衬底。公司已掌握涵盖了设备设计、热场设计、粉料合成、晶体生长、衬底加工等环节的核心技术，自主研发了不同尺寸半绝缘型及导电型碳化硅衬底制备技术。截至 2020 年末，公司拥有授权专利 286 项，其中境内发明专利 66项，境外发明专利 1 项。通过数千次的研发及工程化试验，公司核心技术不断创新，所制产品已达到国内领先、国际先进水平。2018-2020年，公司主营业务收入金额及占比持续提高，分别为 8,502.15 万元、18,635.93 万元和 34,919.17 万元， 2019 年及 2020 年分别较上年度增长 119.19%和 87.38%，主要由于公司半导体级碳化硅衬底销量和收入持续增长。7.15.凤凰光学：拟收购国盛电子和普兴电子，布局SiC外延材料凤凰光学宣布将收购两家SiC外延相关企业。公告称公司拟筹划以发行A股股份的方式，100%购买南京国盛电子有限公司和河北普兴电子科技股份有限公司股权。普兴电子是国内最大的硅基外延材料供应商，碳化硅外延材料已具备量产能力。国盛电子是中电材料的控股子公司，国内优秀的硅外延、碳化硅外延生产服务供应商，主营产品包括碳化硅外延片（4英寸至6英寸）。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2021H1营收与归母净利润快速增长，彰显较强盈利能力。看好前瞻布局+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斯达半导：加码布局SiC功率芯片，加速国产替代提升核心竞争力华润微：旗下国内首条6英寸商用SiC晶圆生产线线量产士兰微：IGBT产品营收再创新高，SiC中试线实现通线纳微半导体：GaN功率芯片设计领军者，推动下一代氮化镓技术发展新洁能：国内IGBT等半导体功率器件市占率排名前列扬杰科技：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业务产能爬升迅猛时代电气：IGBT技术达国际先进水平，应用于轨道交通和电网天岳先进：国内领先第三代半导体碳化硅衬底材料制造商凤凰光学：拟收购国盛电子和普兴电子，布局SiC外延材料宏微科技：自主设计研发IGBT芯片，参与制定国家相关标准第三代半导体属于国家重点鼓励、扶持的战略性新兴产业。为实现我国第三代半导体产业的快速发展，我国政府近年来出台了一系列产业扶持政策，以推动包括碳化硅晶体与晶片制造在内的第三代半导体产业链的发展。若未来国家相关产业政策支持力度减弱，将经营业绩和后续发展产生一定不利影响。近年来，伴随着全球产业格局的深度调整，贸易保护主义风潮不断加剧，以美国为代表的西方发达国家开始推动中高端制造业回流，对全球半导体产业的发展带来较大不确定性。如果相关国（地区）对中国贸易争端进一步加剧，对第三代半导体相关产品限制进出口或提高关税，将对公司的产品销售、原材料采购和设备采购造成不利影响，从而影响生产经营和业务扩张。随着全球第三代半导体的快速发展，近年来国内第三代半导体材料和器件需求旺盛。下游厂商对碳化硅器件的投资不断加大，也相应持续扩大产能，晶片供给能力不断提升。未来如下游器件研发或市场应用不及预期，将影响行业对碳化硅衬底材料的需求，可能面临产品售价下降、库存上升等风险，将对盈利能力产生不利影响。
注：文中报告节选自天风证券研究所已公开发布研究报告，具体报告内容及相关风险提示等详见完整版报告。
证券研究报告《智能电动汽车赛道深度五：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》本报告分析师：潘暕 SAC编号 S1110517070005
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