第三代半导体有望成为绿色经济的中流砥柱
发布人:管理员 发布时间:2022-10-09

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,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。在新能源车、光伏等市场需求的驱动下,国内以碳化硅、氮化镓为主的第三代半导体产业正在快速成长。

日前,国内碳化硅衬底龙头天岳先进披露近14亿元的订单合同引爆了国内碳化硅市场,第三代半导体正迎来景气周期。今天我们就来分析一下第三代半导体产业的发展前景和投资机会。

一、第三代半导体概述

1、半导体是指在常温下导电性能介于绝缘体与导体之间的材料。常见的半导体材料包括硅(Si)、锗(Ge)等元素半导体及砷化镓(GaAs)、碳化硅(SiC)、氮化镓(GaN)等化合物半导体材料。从被研究和规模化应用的时间先后顺序来看,半导体材料被业内通俗地划分为三代。

第三代半导体材料主要分为碳化硅SiC和氮化镓GaN,在高温、高压、高功率和高频领域将替代前两代半导体材料。相对于第一代(硅基)半导体,第三代半导体(碳化硅等)禁带宽度大,电导率高、热导率高。硅基因为结构简单,自然界储备量大,制备相对容易,被广泛应用半导体的各个领域,其中以处理信息的集成电路最为主要。在高压、高功率、高频的分立器件领域,硅因其窄带隙,较低热导率和较低击穿电压限制了其在该领域的应用,因而发展出宽禁带、耐高压、高热导率、高频的第二/三代半导体。

三代半导体特性对比

2、新能源汽车为SiC的最重要下游领域,主要应用包括主驱逆变器、DC/DC转换器、车载充电机和充电桩等。SiC功率器件市场规模将从2018年的4亿美金增加到2027年172亿美金,CAGR约51%。碳化硅基氮化镓外延射频器件将从2018年的6亿美金增加到2027年的34亿美金。碳化硅衬底材料市场规模将从2018年的1.21亿美金增长到2024年的11亿美金,CAGR达44%。目前CREE等国际大厂和国内企业纷纷大力布局碳化硅。

3、政策持续加码第三代半导体。国家持续出台相关政策支持第三代半导体发展,2016年7月,国务院《关于印发“十三五”国家科技创新规划的通知》明确发展第三代半导体芯片;2019年11月工信部将第三代半导体产品写入《重点新材料首批次应用示范指导目录》,2019年12月,在《长江三角洲区域一体化发展规划纲要》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;2021年3月,十四五规划中特别提出第三代半导体要取得发展;2021年8月,工信部将第三代半导体纳入“十四五”产业科技创新相关发展规划。

二、第三代半导体发展趋势和投资机会分析

1、目前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,产业规模持续上涨。受益新能源汽车的放量和5G建设应用的推广,碳化硅衬底材料市场规模将从2018年的1.21亿美金增长到2024年的11亿美金,复合增速达44%。按照该复合增速,2027年碳化硅衬底材料市场规模将达到约33亿美金。车规级市场是碳化硅最主要的应用场景。国产碳化硅模块上车进展顺利,包括BYD、吉利、埃安等量产(或定点)车型均已搭载由国产碳化硅模块供应商提供的主驱逆变器模块,国内SiC产业链参与者有望充分受益。

新能源汽车市场SiC晶圆需求预测(万片)

2、碳化硅产业链主要厂商。碳化硅产业链环节分为设备、衬底片、外延片和器件环节。从事衬底片的国内厂商主要有露笑科技、三安光电、天科合达、山东天岳等;从事碳化硅外延生长的厂商主要有瀚天天成和东莞天域等;从事碳化硅功率器件的厂商较多,包括比亚迪半导体、闻泰科技、华润微、士兰微、斯达半导、扬杰科技、泰科天润等。

碳化硅产业链境内外主要厂商

氮化镓产业链主要厂商。氮化镓产业链分为衬底、外延片和器件环节。尽管碳化硅被更多地作为衬底材料(相较于氮化镓),国内仍有从事氮化镓单晶生长的企业,主要有苏州纳维、东莞中镓、上海镓特和芯元基等;从事氮化镓外延片的国内厂商主要有三安光电、赛微电子、海陆重工、晶湛半导体、江苏能华、英诺赛科等;从事氮化镓器件的厂商主要有三安光电、闻泰科技、赛微电子、聚灿光电、乾照光电等。

氮化镓产业链境内外主要厂商

3、衬底及外延成未来弯道超车的关键。SiC产业链包括上游的衬底和外延环节、中游的器件和模块制造环节,以及下游的应用环节。衬底价值量占比为47%,为最核心的环节,外延价值量占比为 23%,器件制造(包括设计+制造+封装)价值量占比约为20%。相较之下,12寸硅片的衬底与外延价值总计约占11%,因而碳化硅领域衬底及外延更具投资价值。

碳化硅功率半器件价值拆分

4、从海内外公司业务布局及专利布局来看,海外公司较国内公司略早,但差距不大。Wolfspeed公司是率先实现碳化硅晶圆商业化的公司。目前,碳化硅衬底市场以海外厂商为主导,国内企业市场份额较小。碳化硅衬底产品的制造涉及设备研制、原料合成、晶体生长、晶体切割、晶片加工、清洗检测等诸多环节,需要长期的工艺技术积累,存在较高的技术及人才壁垒。国际巨头半导体公司研发早于国内公司数十年,但行业整体处于产业化初期,受益于中国5G通讯、新能源等新兴产业的技术水平、产业化规模的世界领先地位,国内碳化硅器件巨大的应用市场空间驱动上游半导体行业快速发展,国内碳化硅厂商有望迎头赶上。

国内部分厂商产能情况

基于新能源车、光伏等行业的高景气度,考虑到碳中和催动能源转型降低能耗,预计第三代半导体行业将迎来快速发展期。值得关注的几个方向:

碳化硅产业链。1)国内IGBT龙头顺势切入SIC领域,斯达半导、时代电气和未上市的比亚迪半导体;2)传统功率器件往SiC器件升级切入,包括闻泰科技,华润微、捷捷微电、扬杰科技、新洁能等;3)布局SiC设备和材料的露笑科技,第三代半导体SIC/GaN全布局的三安光电;4)SiC衬底领域的天岳先进。

氮化镓产业链。1)传统功率器件往GaN器件升级切入,包括闻泰科技,士兰微、新洁能,芯导科技;2)军工电子和射频领域具备技术积累和客户储备的公司,如亚光科技、海特高新,还有拟上市的的国博电子。3)布局SIC设备和材料的露笑科技,第三代半导体SiC/GaN全布局的三安光电。

三、第三代半导体行业相关企业分析

天岳先进

公司目前是全球半绝缘型SiC衬底龙头,产品主要为4英寸半绝缘型SiC衬底。7月21日,公司公告签署14亿6英寸导电型碳化硅衬底产品大单,显示了较强的产品力。另外,公司将投入25亿元实施碳化硅半导体材料项目,项目建设期6年,计划于2022年试产,2026年达产,达产后将新增导电型碳化硅衬底年产能30万片,届时产能释放将进一步巩固和提升公司在宽禁带半导体材料产品应用领域的市场地位,有望成为公司新的业绩增长点。随着公司在导电型SiC端的发力,公司有望凭借技术、先发优势,成为国内SiC衬底的平台型企业,在SiC衬底这个黄金赛道实现大规模的国产替代,成为国内的综合性SiC衬底龙头企业。

芯导科技

公司专注于功率半导体的研发与销售。发展初期产品以TVS/ESD为主,经历10余年发展,正式形成功率器件和功率IC两大业务板块,并于2021年获工业和信息化部认定为专精特新“小巨人”企业。当前功率半导体行业国产化替代加速,公司有望凭借技术和客户积累取得快速增长。

露笑科技

公司是国内最早研发6英寸碳化硅晶圆的单位之一,碳化硅衬底业务主要通过控股子公司合肥露笑半导体材料有限公司实施。合肥露笑半导体自2021年6月份起,生长和加工设备陆续入场调试。到2021年12月,完成衬底片加工车间建设并投入使用。现已安装280台长晶炉并开始批量生产,长晶良率达50%,处于全球先进水平,后道切磨抛设备已经安装调试完成,处于爬坡阶段。2022年,公司6英寸碳化硅衬底芯片已形成销售,预计年底产能达5000片/月,2023年产能达20万片/年。未来公司将充分受益于碳化硅行业的高景气度,实现业绩增长。

三安光电

子公司三安集成承接化合物半导体业务,布局砷化镓、氮化镓、碳化硅、光通讯和滤波器五大板块。三安集成2018-2020年收入分别为1.71、2.41、9.73亿元。碳化硅衬底布局情况:湖南三安收购北电新材,北电新材2019年拟在福建投资建设碳化硅衬底生产项目,规划年产能3.6万片。公司在长沙投资建设碳化硅等化合物第三代半导体等的研发及产业化项目,是国内首条碳化硅垂直整合产业链,月产3万片(6英寸),预计将实现年销售额120亿元。公司还联手理想汽车完善车规碳化硅芯片布局,年内竣工后进入设备安装和调试阶段,2023年上半年启动样品试制,2024年预计达到240万只碳化硅半桥功率模块的年生产能力。三安目前在着力推动碳化硅的产能扩张,未来业绩将逐步释放。

总结一下

第三代半导体材料具备禁带宽度大、热导率高、临界击穿场强高等特点,广泛应用于新能源车、光伏/风电、工控、射频等领域,由于技术迁移成本高、价格高企、产能紧张等因素,目前包括碳化硅等产品仍处于渗透早期。在下游市场旺盛的产品需求下,国内外厂家都在加速扩张产能,未来产业链各环节市场规模将有望迎来快速增长,国内具备一定技术优势和先发优势的厂家将率先受益。