「炒股网」粤开策略:衬底材料迭代 三因素支撑发展

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  What 何为第三代半导体第三代半导体中的“代”指的是半导体衬底材料的变化,并非指某一代更优。从材料分类看,第三代半导体材料主要有四类,包括(1)SiC ;(2)III 族氮化物(典型代表 GaN

什么是第三代半导体

第三代半导体中的“代”是指半导体衬底材料的变化,并不意味着某一代更好。按照材料分类,第三代半导体材料主要有四种类型,包括(1)SiC;(2)第2族(III)氮化物(通常为氮化镓);(3)宽带隙氧化物(通常为氧化锌)用于压力传感器、记忆存储器和柔性电子器件。目前技术和应用都不成熟。主要产品有发光二极管、激光器、纳米发电机、纳米线晶体管、紫外探测器等。(4)金刚石在光电子学、生物医学、航空航天、核能等领域作为高功率红外激光探测器,其技术和应用仍在发展中。目前,碳化硅和氮化镓是四种主要材料,下游应用主要有三种,分别是光电器件、电力电子器件和微波射频器件。

1、SiC

(1)性能:SiC是世界上最先进的第三代半导体材料,具有耐高压、耐高温、低能量损耗的特点。它是卫星通信、高压输变电、轨道交通、电动车、通信基站等重要领域的核心材料。被认为是5G通信芯片中最理想的基板。与硅基功率器件相比,碳化硅制成的功率器件具有优越的电气性能、高耐压和高功率特性,可用于制造MOSFET、IGBT、SBD等器件,也可用于新能源汽车、智能电网等行业。

(2)产业链:SiC功率器件的生产过程主要包括“单晶生产-外延层生产-器件制造”三个步骤,分别对应产业链中“晶圆衬底-外延晶圆-器件和模块”三个环节。SiC器件的主要成本是上游SiC衬底,占SiC器件价值链的50%。

(3)下游应用:SiC的下游应用趋向于1000V以上的中高压范围,根据电阻率的不同,SiC衬底可分为导电型和半绝缘型。在导电SiC衬底上生长SiC外延层,制备SiC外延片,主要用于制造耐高温高压功率器件,用于新能源汽车、光伏发电、轨道交通、智能电网、航空航天等领域,市场规模较大;-SiC(碳化硅基氮化镓)外延片上的GaN-是在半绝缘SIc衬底上生长GAn外延层制成的,可进一步制成微波射频器件,应用于5G通信和雷达领域。随着5G通信网络建设的加快,市场需求明显提高。

(4)市场结构:目前SiC芯片市场以美国、欧洲、日本为主,中国企业开始崭露头角。2020年上半年全球半导体SiC芯片市场中,美国CREE出货占全球45%;罗马子公司SiCrystal占20%,II-VI占13%;中国企业发展迅速,田可何达在上升的市场份额从2019年的3%上升到2020年的5.3%,山东田玉娥占2.6%。

2、氮化镓

(1)性能:GaN具有高临界磁场、高电子饱和速度和极高电子迁移率的特点,是超高频器件的绝佳选择,适合5G通信、微波射频等领域的应用。与Si和SiC相比,如果在中高频驱动的触发器快速切换场景中使用传统的MOSFET和IGBT,会出现不可接受的损耗,GaN晶体管的源、栅、漏都在同一平面,可以克服这种损耗。

(2)产业链:GaN产业链包括材料/单晶制备、-,芯片生产、-芯片制造、-终端应用,由于技术和工艺水平的限制,GaN材料作为衬底的大规模应用仍然面临挑战,主要以蓝宝石、硅片或碳化硅晶片作为衬底,通过外延生长制作GaN器件。蓝宝石衬底一般用来制作蓝色LED,还有GaN通常通过金属有机化学气相沉积法外延生长碳化硅衬底

(3)下游应用:GaN的三种下游应用对应于衬底材料,主要用于低压和高频领域。自2000年以来,蓝宝石一直被用作衬底。2014年,出现蓝LED主要用于LED领域;在射频领域,碳化硅被用作衬底材料。在功率器件中,由于成本敏感性、实用性和美观性,Si衬底是主要衬底,2020年将发展快充市场。

在军事领域,氮化镓基微波功率器件被用于雷达、电子对抗、导弹和无线通信。在民用和商用领域,主要用于基站、卫星通信、有线电视、手机充电器等小型家用电器。特别是在各种快充领域。

为什么要大力发展第三代半导体

1.下游应用市场广阔而关键

第三代半导体材料的下游应用几乎涵盖了用电的所有领域。第三代半导体的下游应用主要有三大方向:光电子学、电力电子学和微波射频。在新的基础设施中,除了人工智能,还有第三代半导体。目前,中国在5G通信、新能源等新兴产业的技术水平和产业化规模上处于国际主导地位,这将促进中国上游半导体产业的可持续发展,进一步增强半导体企业在国际市场的影响力。所以中国有第三代半导体的应用市场,产品可以根据市场来定义,而不是跟着国际巨头做本地化替代。

中国拥有世界上最大的新能源汽车市场,汽车动力装置市场也在大幅增长。据EV Sales统计,2019年中国新能源汽车销量为116万辆,占全球总量的54%。碳化硅场效应晶体管元件将是时代的趋势。碳化硅有望将碳化硅逆变器的效率提高3%-和5%,从而降低电池成本。时间节点在2021年左右。根据克里的计算,使用碳化硅可以节省5-和10%的电池使用量,每辆车可以节省400-和800美元,价格只增加200美元,每辆车可以节省200-和600美元。

碳化硅晶片制造商的布局反映了碳化硅在汽车市场的巨大潜力。在半导体行业,由于制造端的设备成本最高,厂商必须考虑资本投入后的成本回收。因此,如果终端需求有持续5年以上的潜力,运营商一般不会贸然扩大生产。大型工厂纷纷扩大生产,证明他们看好SiC晶圆。


  2、与国际巨头的代差小


  第三代半导体行业目前整体处于产业化起步阶段,相较于第一代、第二代半导体尚处于发展初期,国内和国际巨头基本处于同一起跑线。国际大厂起步早,还不断加速在SiC领域的布局,一方面将推动碳化硅材料的市场渗透率加速,另一方面也加速抢占碳化硅晶片市场份额。对此,我国迫切需要加快发展步伐,但国内本土SiC厂家与国外同行相比,虽然仍有一定差距,但仍有希望能够迎头赶上。


  3、难度相对较低


  第三代半导体核心难点在材料制备,其他环节可实现国产化程度非常高,加持国家在政策和资金方面大力支持,行业技术追赶速度更快、门槛准入较低、国产化程度更高,中长期给国内功率半导体企业、衬底材料供应商带来更多发展空间确定性更强。且对设备要求相对较低,投资额小,国内可以有很多玩家。在资本的推动下,可以全国遍地开花,最终走出几家第三代半导体公司的概率较大。


  风险提示:政策支持不及预期、下游需求不及预期


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  一、What 何为第三代半导体


  (一)“代”指衬底材料的变化


  第三代半导体中的“代”指的是半导体衬底材料的变化,并非指某一代更优。在整个半导体产业链中,半导体材料处于上游,中游为各类半导体元件,下游应用包括电子、通信、新能源等行业。


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  半导体衬底材料发展至今经历了三个阶段:


  第一阶段是20世纪50年代起,以硅Si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,用于电脑CPU、GPU、内存、手机的SoC等器件,引发以集成电路为核心的微电子产业的迅速发展;


  第二阶段是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,以砷化镓GaAs为代表的第二代半导体材料崭露头角,相关器件制备技术逐渐成熟,使半导体材料进入光电子领域。GaAs良好的光学性能使得其在光学器件中广泛应用,也应用在需要高速器件的特殊场合,是 4G 时代的大部分通信设备的材料,如毫米波器件、发光器件、卫星通讯、移动通讯、光通讯、GPS导航等。但是禁带宽度(禁带宽度反映了价电子被束缚强弱程度,直接决定着器件的耐压和最高工作温度)不够大、击穿电场较低,限制了其在高温高频和高功率器件领域的应用,且砷有毒。


  第三阶段是近年来,以碳化硅SiC为代表的第三代半导体材料在禁带宽度、击穿电场强度、饱和电子漂移速率、热导率以及抗辐射等关键参数方面具有显著优势,进一步满足了现代工业对高功率、高电压、高频率的需求,主要作为5G时代的主要材料,用于高温、高频、抗辐射、大功率器件; 蓝、绿、紫光二极管、半导体激光器等。


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  从材料分类看,第三代半导体材料主要有四类,包括(1)SiC ;(2)III 族氮化物(典型代表 GaN);(3)宽禁带氧化物(典型代表ZnO),用于压力传感器、记忆存储器、柔性电子器件,目前技术和应用不成熟,主要产品有发光二极管、激光、纳米发电机、纳米线晶体管、紫外探测器等;(4)金刚石,用于光电子、生物医学、航空航天、核能等领域的大功率红外激光器探测器,技术和应用还在开发中。目前四类材料中以SiC、GaN两种材料为主,有三大主要下游应用,分别为光电子器件、电力电子器件,和微波射频器件。后文分别对SiC、GaN进行介绍。


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  (二)SiC


  1、SiC性能


  碳化硅是全球最先进的第三代半导体材料,是卫星通讯、高压输变电、轨道交通、电劢汽车、通讯基站等重要领域的核心材料,被认为是5G通信晶片中最理想的衬底。以碳化硅为衬底制成的功率器件相比硅基功率器件具有优越的电气性能,高耐压、大功率特性,使其可用于制造 MOSFET、IGBT、SBD 等器件,用于新能源车、智能电网等行业。


  (1)耐高压。碳化硅的击穿电场强度是硅的10余倍,使得碳化硅器件耐高压特性显著高于同等硅器件;


  (2)耐高温。碳化硅相较硅拥有更高的热导率,使得器件散热更容易,极限工作温度更高。耐高温特性可以带来功率密度的显著提升,同时降低对散热系统的要求,使终端可以更加轻量和小型化;


  (3)低能量损耗。碳化硅具有2倍于硅的饱和电子漂移速率,使得碳化硅器件具有极低的导通电阻,导通损耗低;碳化硅具有3倍于硅的禁带宽度,使得碳化硅器件泄漏电流比硅器件大幅减少,从而降低功率损耗;碳化硅器件在关断过程中不存在电流拖尾现象,开关损耗低,大幅提高实际应用的开关频率。


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  2、SiC产业链


  SiC功率器件生产过程主要包括“单晶生产—外延层生产—器件制造”三大步骤,分别对应产业链的“晶圆衬底—外延片—器件和模组”三大环节。


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  SiC器件的主要成本是上游SiC衬底,在SiC器件价值链中占比为50%。由于单晶生长缓慢,且品质不够稳定,衬底的成本较高,未来随着技术进步、产量攀升,SiC衬底以及外延片价格都将下降。


  不同类型SiC衬底的下游应用不同。根据电阻率的差异,SiC衬底可分为导电型和半绝缘型。在导电型SiC衬底上生长SiC外延层制得SiC外延片,主要应用于制造耐高温、耐高压的功率器件,应用于新能源汽车、光伏发电、轨道交通、智能电网、航空航天等领域,市场规模较大;在半绝缘型SiC衬底上生长GaN外延层制得GaN-on-SiC(碳化硅基氮化镓)外延片,可进一步制成微波射频器件,应用于5G通讯、雷达等领域,随着5G通讯网络的加速建设,市场需求提升较为明显。


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  3、市场格局


  目前SiC晶片市场主要由美、欧、日主导,中国企业开始崭露头角。据Yole预测,2017-2023年,SiC的复合年增长率将达到31%,2023年达到约15亿美元市场规模。根据半导体时代产业数据中心《2020年中国第三代半导体碳化硅晶片行业分析报告》数据,2020上半年全球半导体SiC晶片市场中,美国CREE出货量占据全球45%;欧洲企业在SiC器件的设计开发领域较强,主要企业有Siltronic、意法半导体、IQE、英飞凌等;日本的技术力量雄厚,产业链完整,代表企业有松下、罗姆、住友电气、三菱等,罗姆子公司SiCrystal占据20%,II-VI占13%;中国企业发展较快,天科合达的市占率由2019年的3%上升至2020年的5.3%,山东天岳占比为2.6%。


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  4、应用领域


  SiC的下游应用偏向1000V以上的中高电压范围。SiC由于耐高压、高温、高频,比Si更薄、更轻、更小巧,是卫星通讯、高压输变电、轨道交通、电动汽车、通讯基站等重要领域的核心材料,也被认为是5G通信晶片中最理想的衬底。下游民用领域电动汽车、消费电子、新能源、轨道交通等领域的直流、交流输变电、温度检测控制等。军用领域用于喷气发动机、坦克发动机、舰艇发动机、风洞、航天器外壳的温度、压力测试等。


  (三)GaN


  1、GaN性能


  GaN 具有高临界磁场、 高电子饱和速度与极高的电子迁移率的特点,是超高频器件的极佳选择,适用于5G通信、微波射频等领域的应用。GaN功率器件通常采用HEMT(高迁移率晶体管)的设计,主要应用于高频场景,也被称为常开型元件。相较于Si、SiC,在中高频驱动逆发器的快速切换的场景中,如果采用传统的MOSFET和IGBT,会产生不可接受的损耗,而GaN晶体管的源极、栅极、漏极均在同一个平面,能够克服这样的损耗。


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  2、GaN产业链


  GaN产业链包括材料/单晶制备-芯片生产环节-芯片制造-终端应用几大环节。受技术与工艺水平限制,GaN材料作为衬底实现规模化应用仍面临挑战,主要是以蓝宝石、硅晶片或碳化硅晶片为衬底,通过外延生长GaN以制造GaN器件。蓝宝石衬底一般用于制造蓝光LED,通常采用MOCVD法外延生长GaN;SiC衬底一般用于射频器件;Si则用于功率器件居多。


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  3、GaN应用


  GaN的三类下游应用与衬底材料相对应,主要应用于低压高频领域。(1)2000年起以蓝宝石为衬底,2014年出现蓝光LED,主要用于LED领域;(2)射频领域中,以SiC为衬底材料;(3)功率器件中,由于成本敏感,且注重实用和美观,主要以Si衬底为主,2020年快充市场发展。


  在军事领域中,GaN基微波功率器用于雷达、电子对抗、导弹和无线通信;在民用和商业领域,主要用于基站、卫星通信、有线电视、手机充电器等小家电,特别是各种快速充电领域。


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  二、Why为何要大力发展第三代半导体


  (一)下游应用市场广阔且关键


  第三代半导体的下游应用主要有三大方向:


  (1)光电子。包括激光显示、环境监测、紫外光源、半导体照明、可见光通信、医疗健康;


  (2)电力电子。包括工业机电、新能源并网、轨道交通、电动汽车、智能电网、消费电子;


  (3)微波射频。包括遥感、雷达、卫星通讯、移动基站。


  第三代半导体材料的下游应用几乎遍及所有用电领域。新基建之中,除了人工智能之外,都有第三代半导体身影。据Yole预测,2017-2023年SiC应用的复合增长率为27%,其中电动和混动汽车的复合增长率为81%,充电桩/充电站的复合增长率为58%。2020年以来,我国加快“新基建”建设力度,明确新基建涉及“5G基建、特高压、城际高速铁路和城际轨道交通、新能源汽车充电桩、大数据中心、人工智能、工业互联网”等七大领域,市场预测新基建的规模是40万亿人民币。目前,我国在5G通讯、新能源等新兴产业的技术水平、产业化规模等方面都处于国际优势地位,将促进我国上游半导体行业的持续发展,进一步提高半导体企业在国际市场的影响力。因而我国有第三代半导体的应用市场,新能源、5G等市场空间巨大,可以根据市场定义产品,而不是跟随国际巨头做国产化替代。


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  我国拥有全球最大的新能源汽车市场,车用功率器件市场增量巨大。据EV Sales,2019年我国新能源汽车销量116万辆,占据全球的54%。新能源车采用电力动力系统,从电池充电到汽车行驶,涉及(1)AC-AC变压器,用于从民用220V电压到电池输入12-36V电压之间的转换;(2)AC-DC整流器,用于车载充电器中,将充电桩交流电转换为动力电池直流电;(3)DC-DC变换器,用于电力传动的升压变化,以及充电电池向电池储能的稳压变换;(4)DC-AC逆变器,用于充电电池将12V直流电转换为驱动电机数百伏的交流电。


  SiC MOSFET元件将是大势所趋。目前电车中的主驱逆变器仍以IGBT+Si FRD方案为主,考虑到未来电动车需要更长的行驶里程,更短的充电时间和更高的电池容量,SiC有望提高3%-5%的SiC逆变器效率,从而降低电池成本,时间节点大约在2021年左右。根据Cree测算,采用SiC可节省5-10%的电池使用量,每辆车成本节约400-800美元,价格只增加200美元,每辆车净节省200-600美元。


  以特斯拉为例,Model 3已将意法半导体的SiC MOSFET功率模块集成于逆变器中。Model 3有一个主逆变器,需要24个电源模块,每个电源模块基于两个SiC MOSFET裸片,则每辆Model 3需要48个SiC MOSFET裸片。此外,车身其他包括OBC、一般充电器(每车2个)、快充电桩等,都可以放上SiC。按照特斯拉今年疫情之前的产能预测,美国和上海工厂总年产能接近100万辆,那么仅主逆变器就需要50万片6英寸SiC。而目前全球SiC硅晶圆总年产能约在40万-60万片,如此就消耗掉全球当下SiC总产能。


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  SiC晶圆生产大厂纷纷布局,也反映出SiC在车用市场发展的巨大潜力。在半导体产业中,由于制造端设备成本最高,厂商必须考虑资本投入后的成本回收,因此如果没有看到终端需求有维持5年以上潜力,业者一般不会贸然扩产。大厂纷纷扩产,证明了对SiC晶圆的看好。


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  (二)与国际巨头的代差小


  第三代半导体行业目前整体处于产业化起步阶段,相较于第一代、第二代半导体尚处于发展初期,国内和国际巨头基本处于同一起跑线。国际大厂起步早,还不断加速在SiC领域的布局,一方面将推动碳化硅材料的市场渗透率加速,另一方面也加速抢占碳化硅晶片市场份额。对此,我国迫切需要加快发展步伐,但国内本土SiC厂家与国外同行相比,虽然仍有一定差距,但仍有希望能够迎头赶上。


  (三)难度相对较低


  第三代半导体核心难点在材料制备,其他环节可实现国产化程度非常高,加持国家在政策和资金方面大力支持。行业技术追赶速度更快、门槛准入较低、国产化程度更高,中长期给国内功率半导体企业、衬底材料供应商带来更多发展空间确定性更强。且对设备要求相对较低,投资额小,国内可以有很多玩家。在资本的推动下,可以全国遍地开花,最终走出几家第三代半导体公司的概率较大。


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