第三代半导体行业分析：千亿级黄金赛道中国“芯”蓄势待发.docx

1、什么是第三代半导体技术？1.1 三代半导体衬底材料改变引领半导体新时代半导体材料是半导体产业链上游中的重要组成部分半导体材料分为制造材料和封装材料，其中制造材料 主要是制造硅晶圆半导体、碎化钱（GaAs）、碳化硅（SiC）等化合物半导体的芯片过程中所需的各类材 料，在集成电路、分立器件等半导体产品生产制造中起到关键性的作用半导体制造材料包括硅材料和种 化钱（GaAs）、碳化硅（SiC）、氮化钱（GaN）等化合物半导体材料图表1半导体材料是半导体产业链上游中的重要组成部分硅衬底占据主要市场，三代半导体有望掀起底层材料端革命硅（Si）是目前技术最成熟、使用范围最广、 市场占比最大的衬底材料，近年来硅材料的潜力已经开发殆尽，在高压、高频、高温领域以碳化硅和氮化 线为代表的第三代半导体衬底材料市场规模有望迎来快速发展半导体衬底材料发展至今经历了三个阶段：1）第一阶段（代表材料：Si, Ge） ： 20世纪50年代开始，以硅（Si）、错（Ge）为代表的第一代半 导体材料制成的二极管和晶体管取代了电子管，引发以集成电路为核心的微电子产业的迅速发展，主要应 用于低压、低频、低功率的部分功率器件、集成电路中。

硅基半导体材料是目前产量最大、应用最广的半 导体材料，90%以上的半导体产品是用硅基材料制作的2）第二阶段（代表材料•： GaAs, InP） ： 20世纪90年代开始，随着半导体产业的发 展，硅材料的物理 瓶颈日益突出，以硅化钱（GaAs）、磷化钢（InP）、睇化锢（InSb）、部分三元化合物半导体等为代表 的第二代化合物半导体材料崭露头角碎化线材料的电子迁移率约是硅的6倍，具有直接带隙，故其器 件相对硅基器件具有高频、高速的光电性能，因此被广泛应用于光电子和微电子领域，是制作半导体发光 二极管和通信器件的关键衬底材料3）第三阶段（代表材料：SiC、GaN）：近年来，以碳化硅（SiC）、氮化钱（GaN）、氧化锌（ZnO）、 金刚石、氮化铝（AIN）为代表的宽禁带（禁带宽度大于2.2eV）第三代半导体材料逐渐兴起，其介电常 数、导热率及最高工作温度等等关键参数方面具有显著优势，可以满足电力电子技术对高温、高功率、高 压、高频及抗辐射等恶劣工作条件的新要求，从而成为半导体材料领域最具前景的材料之一目前，5G通 信、新能源汽车、光伏等领域头部企业逐步开始使用第三代半导体，待成本下降后，第三代半导体有望实 现对硅基材料的全面替代。

就功率和频率两个维度而言，第一代半导体材料的代表硅，功率在100Wz左右，频率只有大约3GHz； 第二代的代表碑化钱，功率不足100W,但频率却能达到100GHz因此前两代半导体材料更多是互为补 充的关系而第三代半导体的代表氮化像和碳化硅，功率可以在1000W以上，频率也可以接近100GHz, 优势非常明显，因此未来有可能是取代前两代半导体材料的存在图表4半导体材料是半导体产业链上游中的重要组成部分Si- -GaN高频1.2 主流制备工艺：SiC采用物理气相传输法，GaN采用氢化 物气相外延法SiC制备工艺：PVT优势显著，系商业化首选PVT成本低，系商业化主流路线SiC制备方法主要有三种：物理气相传输法（PVT）、顶部籽晶溶液 生长法（TSSG）及高温化学气相沉积法（HT-CVD）顶部籽晶溶液生长法主要用于实验室生长较小尺寸 晶体，而物理气相传输法与高温化学气相沉积法主要用于商业生产其中PVT法制备SiC所需设备简 单且价格低，操作控制相对容易故为商业生产主流方法PVT原理：将高纯度碳粉与硅粉，按特定比例 混合，形成高纯度SiC微粉与籽晶分 别放置生长炉内时烟下部，顶部后，温度升高至2000℃以上，通过 控制用烟下部温度略高于顶部，形成温度差。

SiC微粉升华成气态Si2C、SiC2、Si等，后由于温度差在 温度 较低籽晶处形成SiC晶锭1.2.1 GaN制备工艺：HVPE工艺简单，系生产主流方式HVPE工艺简单，生长速率快，系生产主流路线氮化线制备主要分气相法及熔体法，其中气相法细分为 氢化物气相外延法（HVPE）、气相传输法熔体法细分为高压氮气溶液法（HNPSG）、助溶剂法/溶盐 法、氨热法、提拉法相较而言，HVPE法厚膜质量及生长速 率更高，系主流生方式HVPE原理：整 个过程在一个多层次温区热壁反应系统的完成，在温度为850度温区内放入金属Ga,呈液态，后从热 璧上层注入HCI气体，形成GaCI气体，后将CaCI气体传送至衬底，在1000度-1100度温度下与 氨气（NH3）反应，最终生成GaN晶体困表8 HVPE法原理示意图Ga(l) +HCl(g) =GaCl(g) +1/2H：Metal GaHealer85O-I ooorSubstrateGaCl(l) +NH； =GaN(s) +HCI(g) +H2Air exhaustion2、第三代半导体发展前景如何？2.1市场端：整体产值超7100亿元，2023年渗透率接近5%第三代半导体材料渗透率逐年提升，2023年有望接近5%。

根据Yole数据显示，Si仍是半导体材料主 流，占比95%o第三代半导体渗透率逐年上升，SiC渗透率在2023年有望达到3.75%, GaN渗透率 在2023年达到1.0%,第三代半导体渗透率总计4.75%O2020年，我国第三代半导体整体产值超过7100亿，电力电子及微波射频持续增长根据CASA数据, 我国第三代半导体整体产值超过7100亿其中，半导体照明整体产值 预计7013亿元，受新冠疫情影 响较2019年下降7.1%； SiC、GaN电力电子产值规模达44.7亿元，同比增长54%； GaN微波射频 产值达到60.8亿元，同比增长80.3%o （报告来源：未来智库）图表11第三代半导体应用领域射频电子射频电子军用雷达微波武器移动通讯基站卫星通信空间遥感第三代半导体GaN. SiC等功率电子光伏逆变工业电机智能电网高速铁路新型通用电源光电子半导体照明 固态紫外光源一Micro-LED 显示激光显示一光电传感纪j2.2性能端：高压、高频领域或将实现对硅基的全面替代SiC MOSFET主攻高压领域，GaN MOSFET主攻高频领域依据功率、频率两个维 度，我们对主流功 率器件的物理特性和适用场合进行了梳理：Si-IGBT在高压领域有优势但无法胜任高频领域的要求， Si-MOSFET能胜任高频领域但对电压有所限制，SiCMOSFET完美得解决了高压和高频在硅基上难以兼 得的问题，在兼容高压中频的基础上SiC-MOSFET并凭借其高效率、小体积的特性成为电动汽车、充电 桩、光伏逆变等领域的最佳解决方案（不考虑成本），GaN-MOSFET凭借其超高频率的特性在5G射频 领域大有可为，当前主要为5G基站PA未来有望拓宽到终端设备射频（等），此外GaNMOSFET 在1000V以下的中低压领域比如快充、电动汽车有较大的应用潜力。

第三代半导体节能效益显现在消费电子领域节能40%以上；工业机电领域节能30%- 50%；在高铁方面, 更高的功率密度，减少动铁系统体积的同时节能20%；在光伏逆变器领域，降低25%以上的光电转换损 失；智能电网领域提高40%以上供电效率并降低60%的电力损失图表13不同频率、功率条件下器件选择以及与下游应用的对应关系100M100M10M-1M-数据中心10K-SJ-MOSFETMOSFET,£M母 WXt20%. ・小访修整线体见步安 全可■大UW中力18失.蚓酎9HE2S%以上的但唯电网光伏逆变工业机电100-■於 940%Cl±消费电子10-1K1KIITII10K100«IM10M100MSwithching Frequency(Hz)SiC主要应用于白色家电、电动汽车及工业应用领域在白色家电中主要应用于家 电/个人电脑、不间断电 源等；在电动汽车领域主要应用于DC/AC逆变器、DC/DC转换器 等；在工业领域中主要应用于电力配 送、铁路运输、光伏产业、电机控制、风电涡轮机 等GaN主要用于光电子、射频电子及电子电力领域在光电子领域住用应用于激光显 示、LED照明等；在 射频电子领域主要应用于卫星通讯、移动终端、国防军工、无线通信 基站等；在电力电子领域中主要应用 于电源转化系统、新能源汽车与数据中心、工业电机及智能电网等。

2.3政策及科研端：政策持续加码第三代半导体，科技创新如火如荼国家陆续出台相关政策，第三代半导体蓬勃发展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；2020 年7月为鼓励企业积极发展集成电路，国家减免相关企业税收；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 戈人我国专利数量高于美国，占世界22%O目前全球有关氮化钱和SiC半导体领域专利总计23738项，其 中我国专利5232项，占22%,美国专利2722项，占12%,我国专利总量高于美国高校系我国创 新总体，企业系美国创新主体中国涉及氮化钱和SiC半导体相关专 利Top10中高校及研究所为创新 主体，占比60%,而美国企业为创新主体，占比80%,即国内创新还处于研发阶段，距商业化还有一定 距离。

图表18中国涉及氮化卷和SiC的半导体相关专利重点申请人 Top10中美专利领域相同，创新活跃度领域不同中美专利数量前三领域相同，分别为H01L21, H01L29及 H01L33,中国前十IPC大组活跃度普遍高于50%,而美国技术活跃度最高50%o中国的热点领域为 C30B29及C30B25,而美国的热点领域为H01S5及C23cl63、第三代半导体主要玩家梳理 3.1产业链企业梳理：国内SiC、GaN产业链布局逐步完善，全产业链基本均实现覆盖目前，国内布局SiC的上市公司从产业链角度可以分为5类：1）专注衬底材料，如天岳先进和天科合 达（中止IPO） ； 2）器件端IDM布局，如华润微、斯达半导、闻泰科技 等；3）从材料到器件一体化布 局，如三安光电；4）芯片设计厂商，如新洁能；5）其他：露笑科技布局设备+材料，中微公司布局外延 设备从公司原生业务角度出发，可以分为三类，1）传统功率半导体公司（晶闸管/MOSFET/IGBT）延 伸布局三代半导体SiC,如斯达半导、时代电气等；2） LED芯片公司，如三安光电在光电器件材料GaN 上有多年研发生产积累，顺势转型三代半导体；3）专注 材料/设备的公司，如天岳先进、中微公司。

国内GaN功率半导体产业链已经实现全面布局GaN产业链玩家的分类和SiC类似，GaN功率半导 体全球布局方面，海外企业在技术及产能上均有较高的领先地位海外龙头企业以IDM模式为主，主要 包括德国英飞凌、美国Qorvo等目前，国内GaN产业链 也在加速布局中，成长较为迅速，国内企业 在衬底、外延、设计、制造等领域均已实现布局，其中包括GaN衬底制造商苏州纳维、东莞中钱；外延 制造商晶湛半导体、江苏能华；设计企业安谱隆、海思半导体；制造企业三安集成、海威华芯等此外， 新进入厂商不只有传统功率半导体厂商，更多地是做射频器件出身或者有军工背景的企业进入GaN领域, 如主营军工电子的亚光科技，主营TR组件及射频模组的国博。