(報告出品方/作者:華安證券,胡楊)
1、什麼是第三代半導體技術?
1.1 三代半導體襯底材料改變引領半導體新時代
半導體材料是半導體產業鏈上游中的重要組成部分。半導體材料分為製造材料 和封裝材料,其中製造材料主要是製造硅晶圓半導體、砷化鎵(GaAs)、碳化硅(SiC) 等化合物半導體的芯片過程中所需的各類材料,在集成電路、分立器件等半導體產 品生產製造中起到關鍵性的作用。半導體製造材料包括硅材料和砷化鎵(GaAs)、碳 化硅(SiC)、氮化鎵(GaN)等化合物半導體材料。
硅襯底佔據主要市場,三代半導體有望掀起底層材料端革命。硅(Si)是目前技術 最成熟、使用範圍最廣、市場佔比最大的襯底材料,近年來硅材料的潛力已經開發殆盡, 在高壓、高頻、高溫領域以碳化硅和氮化鎵為代表的第三代半導體襯底材料市場規模有 望迎來快速發展。
半導體襯底材料發展至今經歷了三個階段:
1)第一階段(代表材料:Si,Ge):20 世紀 50 年代開始,以硅(Si)、鍺(Ge)為 代表的第一代半導體材料製成的二極管和晶體管取代了電子管,引發以集成電路為核心 的微電子產業的迅速發展,主要應用於低壓、低頻、低功率的部分功率器件、集成電路 中。硅基半導體材料是目前產量最大、應用最廣的半導體材料,90%以上的半導體產品是 用硅基材料製作的。
2)第二階段(代表材料:GaAs,InP):20 世紀 90 年代開始,隨着半導體產業的發 展,硅材料的物理瓶頸日益突出,以砷化鎵(GaAs)、磷化銦(InP)、銻化銦(InSb)、 部分三元化合物半導體等為代表的第二代化合物半導體材料嶄露頭角。砷化鎵材料的電 子遷移率約是硅的 6 倍,具有直接帶隙,故其器件相對硅基器件具有高頻、高速的光電 性能,因此被廣泛應用於光電子和微電子領域,是製作半導體發光二極管和通信器件的 關鍵襯底材料。
3)第三階段(代表材料:SiC、GaN):近年來,以碳化硅(SiC)、氮化鎵(GaN)、 氧化鋅(ZnO)、金剛石、氮化鋁(AlN)為代表的寬禁帶(禁帶寬度大於 2.2eV)第三代 半導體材料逐漸興起,其介電常數、導熱率及最高工作溫度等等關鍵參數方面具有顯著 優勢,可以滿足電力電子技術對高溫、高功率、高壓、高頻及抗輻射等惡劣工作條件的 新要求,從而成為半導體材料領域最具前景的材料之一。目前,5G 通信、新能源汽車、 光伏等領域頭部企業逐步開始使用第三代半導體,待成本下降後,第三代半導體有望實 現對硅基材料的全面替代。
就功率和頻率兩個維度而言,第一代半導體材料的代表硅,功率在 100Wz 左右,頻 率只有大約 3GHz;第二代的代表砷化鎵,功率不足 100W,但頻率卻能達到 100GHz。因 此前兩代半導體材料更多是互為補充的關係。而第三代半導體的代表氮化鎵和碳化硅, 功率可以在 1000W 以上,頻率也可以接近 100GHz,優勢非常明顯,因此未來有可能是取 代前兩代半導體材料的存在。
1.2 主流製備工藝:SiC 採用物理氣相傳輸法,GaN 採用氫化 物氣相外延法
1.2.1 SiC 製備工藝:PVT 優勢顯著,系商業化首選
PVT 成本低,系商業化主流路線。SiC 製備方法主要有三種:物理氣相傳輸法(PVT)、 頂部籽晶溶液生長法(TSSG)及高溫化學氣相沉積法(HT-CVD)。頂部籽晶溶液生長法主要用於實驗室生長較小尺寸晶體,而物理氣相傳輸法與高溫化學氣相沉積法主要用於商 業生產。其中 PVT 法製備 SiC 所需設備簡單且價格低,操作控制相對容易故為商業生產 主流方法。 PVT 原理:將高純度碳粉與硅粉,按特定比例混合,形成高純度 SiC 微粉與籽晶分 別放置生長爐內坩堝下部,頂部後,溫度升高至 2000℃以上,通過控制坩堝下部溫度略 高於頂部,形成溫度差。SiC 微粉升華成氣態 Si2C、SiC2、Si 等,後由於溫度差在溫度 較低籽晶處形成 SiC 晶錠。
1.2.2 GaN 製備工藝:HVPE 工藝簡單,系生產主流方式
HVPE 工藝簡單,生長速率快,系生產主流路線。氮化鎵製備主要分氣相法及熔體法, 其中氣相法細分為氫化物氣相外延法(HVPE)、氣相傳輸法。熔體法細分為高壓氮氣溶液 法(HNPSG)、助溶劑法/溶鹽法、氨熱法、提拉法。相較而言,HVPE 法厚膜質量及生長速 率更高,系主流生方式。 HVPE 原理:整個過程在一個多層次溫區熱壁反應系統的完成,在溫度為 850 度溫區 內放入金屬 Ga,呈液態,後從熱璧上層注入 HCl 氣體,形成 GaCl 氣體,後將 CaCl 氣體 傳送至襯底,在 1000 度-1100 度溫度下與氨氣(NH3)反應,最終生成 GaN 晶體。
2、第三代半導體發展前景如何?
2.1 市場端:整體產值超 7100 億元,2023 年滲透率接近 5%
第三代半導體材料滲透率逐年提升,2023 年有望接近 5%。根據 Yole 數據顯示,Si 仍是半導體材料主流,佔比 95%。第三代半導體滲透率逐年上升,SiC 滲透率在 2023 年 有望達到 3.75%,GaN 滲透率在 2023 年達到 1.0%,第三代半導體滲透率總計 4.75%。
2020 年,我國第三代半導體整體產值超過 7100 億,電力電子及微波射頻持續增長。 根據 CASA 數據,我國第三代半導體整體產值超過 7100 億。其中,半導體照明整體產值 預計 7013 億元,受新冠疫情影響較 2019 年下降 7.1%;SiC、GaN 電力電子產值規模達 44.7 億元,同比增長 54%;GaN 微波射頻產值達到 60.8 億元,同比增長 80.3%。(報告來源:未來智庫)
2.2 性能端:高壓、高頻領域或將實現對硅基的全面替代
SiC MOSFET 主攻高壓領域,GaN MOSFET 主攻高頻領域。依據功率、頻率兩個維 度,我們對主流功率器件的物理特性和適用場合進行了梳理:Si-IGBT 在高壓領域有 優勢但無法勝任高頻領域的要求,Si-MOSFET 能勝任高頻領域但對電壓有所限制,SiCMOSFET 完美得解決了高壓和高頻在硅基上難以兼得的問題,在兼容高壓中頻的基礎上 SiC-MOSFET 並憑藉其高效率、小體積的特性成為電動汽車、充電樁、光伏逆變等領域 的最佳解決方案(不考慮成本),GaN-MOSFET 憑藉其超高頻率的特性在 5G 射頻領域大 有可為,當前主要為 5G 基站 PA 未來有望拓寬到終端設備射頻(手機等),此外 GaNMOSFET 在 1000V 以下的中低壓領域比如快充、電動汽車有較大的應用潛力。
第三代半導體節能效益顯現。在消費電子領域節能 40%以上;工業機電領域節能 30%- 50%;在高鐵方面,更高的功率密度,減少動鐵系統體積的同時節能 20%;在光伏逆變器 領域,降低 25%以上的光電轉換損失;智能電網領域提高 40%以上供電效率並降低 60%的 電力損失。
SiC 主要應用於白色家電、電動汽車及工業應用領域。在白色家電中主要應用於家 電/個人電腦、不間斷電源等;在電動汽車領域主要應用於 DC/AC 逆變器、DC/DC 轉換器 等;在工業領域中主要應用於電力配送、鐵路運輸、光伏產業、電機控制、風電渦輪機 等。
GaN 主要用於光電子、射頻電子及電子電力領域。在光電子領域住用應用於激光顯 示、LED 照明等;在射頻電子領域主要應用於衛星通訊、移動終端、國防軍工、無線通信 基站等;在電力電子領域中主要應用於電源轉化系統、新能源汽車與數據中心、工業電 機及智能電網等。
2.3 政策及科研端:政策持續加碼第三代半導體,科技創新如 火如荼
國家陸續出台相關政策,第三代半導體蓬勃發展。國家持續出台相關政策支持第三 代半導體發展,2016 年 7 月,國務院《關於印發「十三五」國家科技創新規劃的通知》 明確發展第三代半導體芯片;2019 年 11 月工信部將第三代半導體產品寫入《重點新材 料首批次應用示範指導目錄》,2019 年 12 月,在《長江三角洲區域一體化發展規劃綱要》 中明確要求加快培育布局第三代半導體產業,推動製造業高質量發展;2020 年 7 月為鼓 勵企業積極發展集成電路,國家減免相關企業稅收;2021 年 3 月,十四五規劃中特別提 出第三代半導體要取得發展;2021 年 8 月,工信部將第三代半導體納入「十四五」產業 科技創新相關發展規劃。
我國專利數量高於美國,佔世界 22%。目前全球有關氮化鎵和 SiC 半導體領域專利 總計 23738 項,其中我國專利 5232 項,占 22%,美國專利 2722 項,占 12%,我國專利總 量高於美國。 高校系我國創新總體,企業系美國創新主體。中國涉及氮化鎵和 SiC 半導體相關專 利 Top10 中高校及研究所為創新主體,佔比 60%,而美國企業為創新主體,佔比 80%,即 國內創新還處於研發階段,距商業化還有一定距離。
中美專利領域相同,創新活躍度領域不同。中美專利數量前三領域相同,分別為 H01L21、H01L29 及 H01L33,中國前十 IPC 大組活躍度普遍高於 50%,而美國技術活躍度 最高 50%。中國的熱點領域為 C30B29 及 C30B25,而美國的熱點領域為 H01S5 及 C23C16。
3、第三代半導體主要玩家梳理
3.1 產業鏈企業梳理:國內 SiC、GaN 產業鏈布局逐步完善, 全產業鏈基本均實現覆蓋
目前,國內布局 SiC 的上市公司從產業鏈角度可以分為 5 類:1)專註襯底材料,如 天岳先進和天科合達(中止 IPO);2)器件端 IDM 布局,如華潤微、斯達半導、聞泰科技 等;3)從材料到器件一體化布局,如三安光電;4)芯片設計廠商,如新潔能;5)其他: 露笑科技布局設備+材料,中微公司布局外延設備。 從公司原生業務角度出發,可以分為三類,1)傳統功率半導體公司(晶閘管 /MOSFET/IGBT)延伸布局三代半導體 SiC,如斯達半導、時代電氣等;2)LED 芯片公司, 如三安光電在光電器件材料 GaN 上有多年研發生產積累,順勢轉型三代半導體;3)專註 材料/設備的公司,如天岳先進、中微公司。
國內 GaN 功率半導體產業鏈已經實現全面布局。GaN 產業鏈玩家的分類和 SiC 類似, GaN 功率半導體全球布局方面,海外企業在技術及產能上均有較高的領先地位。海外龍 頭企業以 IDM 模式為主,主要包括德國英飛凌、美國 Qorvo 等。目前,國內 GaN 產業鏈 也在加速布局中,成長較為迅速,國內企業在襯底、外延、設計、製造等領域均已實現 布局,其中包括 GaN 襯底製造商蘇州納維、東莞中鎵;外延製造商晶湛半導體、江蘇能 華;設計企業安譜隆、海思半導體;製造企業三安集成、海威華芯等。此外,新進入廠商不只有傳統功率半導體廠商,更多地是做射頻器件出身或者有軍工背景的企業進入 GaN 領域,如主營軍工電子的亞光科技,主營 TR 組件及射頻模組的國博電子。
3.2 上市公司梳理:SiC 相關公司 104 家,GaN 相關公司 43 家
目前國內第三代半導體主要製造商共 147 家,SiC 產業鏈相關公司共 104 家 ,其中 有 15 家公司已上市。SiC 全產業鏈公司(生產設備、襯底、外延、器件)的有三安集成、 中電科 55 所、中電科 13 所、世紀金光、中宏新晶。 國內 GaN 產業鏈相關公司有 43 家,其中 3 家公司已上市。全產業鏈公司僅有英諾 賽科。
(本文僅供參考,不代表我們的任何投資建議。如需使用相關信息,請參閱報告原文。)
精選報告來源:【未來智庫】。未來智庫 - 官方網站