第三代半導(dǎo)體行業(yè)系列報(bào)告之一：第三代半導(dǎo)體大勢所趨國內(nèi)廠商全產(chǎn)業(yè)鏈布局

1、請務(wù)必參閱正文之后的重要聲明第三代半導(dǎo)體大勢所趨，碳化硅更適合作為襯底材料：第三代半導(dǎo)體材料主要分為碳化硅SiC和氮 化鎵GaN，相比于第一、二代半導(dǎo)體，其具有更高的禁帶寬度、高擊穿電壓、電導(dǎo)率和熱導(dǎo)率，在高 溫、高壓、高功率和高頻領(lǐng)域?qū)⑻娲皟纱雽?dǎo)體材料。氮化鎵因缺乏大尺寸單晶，第三代半導(dǎo)體材 料的主要形式為碳化硅基碳化硅外延器件、碳化硅基氮化鎵外延器件，碳化硅應(yīng)用更為廣泛。新能源汽車為碳化硅材料帶來巨大增量，國際大廠紛紛布局。新能源汽車為碳化硅的最重要下游領(lǐng) 域，主要應(yīng)用包括主驅(qū)逆變器、DC/DC轉(zhuǎn)換器、充電系統(tǒng)中的車載充電機(jī)和充電樁等，根據(jù)Yole數(shù) 據(jù)，碳化硅功率器件市場規(guī)模將從20

2、18年的4億美金增加到2024年的50億美金，復(fù)合增速約51%。 碳化硅襯底材料市場規(guī)模將從2018年的1.21億美金增長到2024年的11億美金，復(fù)合增速達(dá)44%。目 前CREE等國際大廠和國內(nèi)企業(yè)紛紛大力布局碳化硅。國內(nèi)廠商在第三代半導(dǎo)體進(jìn)行全產(chǎn)業(yè)鏈布局，自主可控能力較強(qiáng)。國內(nèi)廠商布局第三代半導(dǎo)體的設(shè) 備、襯底、外延和器件全產(chǎn)業(yè)鏈環(huán)節(jié)，包括難度最大的襯底長晶環(huán)節(jié)，自動化程度較高的外延環(huán)節(jié)和 應(yīng)用于下游市場的器件環(huán)節(jié)，第三代半導(dǎo)體全產(chǎn)業(yè)鏈布局，可完全自主可控。投資建議。建議關(guān)注：設(shè)備廠商：露笑科技、三安光電、晶盛機(jī)電；襯底廠商：露笑科技、三安光 電、天科合達(dá)、山東天岳等；外延廠商：瀚天天成和

3、東莞天域等；器件廠商：三安光電、華潤微、斯 達(dá)半導(dǎo)、揚(yáng)杰科技等風(fēng)險(xiǎn)分析：碳化硅良率提升不及預(yù)期；疫情緩和不及預(yù)期；核心觀點(diǎn)2上海合晟1、第三代半導(dǎo)體大勢所趨2、第三代半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)鏈廠商總結(jié)3、建議關(guān)注4、風(fēng)險(xiǎn)分析第三代半導(dǎo)體大勢所趨請務(wù)必參閱正文之后的重要聲明4性能優(yōu)良，廣泛應(yīng)用于新能源汽車、射頻、工控等領(lǐng)域市場增速快，國際大廠紛紛布局資料來源：光大證券研究所相對于第一代（硅基）半導(dǎo)體，第三代半導(dǎo)體（碳化硅等）禁帶寬度大，電導(dǎo)率高、熱導(dǎo)率高。硅 基因?yàn)榻Y(jié)構(gòu)簡單，自然界儲備量大，制備相對容易，被廣泛應(yīng)用半導(dǎo)體的各個領(lǐng)域，其中以處理信 息的集成電路最為主要。在高壓、高功率、高頻的分立器件領(lǐng)域，硅因其

4、窄帶隙，較低熱導(dǎo)率和較 低擊穿電壓限制了其在該領(lǐng)域的應(yīng)用，因而發(fā)展出寬禁帶、耐高壓、高熱導(dǎo)率、高頻的第二/三代半 導(dǎo)體。三代半導(dǎo)體特性對比什么是第三代半導(dǎo)體？-硅Si-鍺Ge第一代 半導(dǎo)體第二代-砷化鎵GaAs半導(dǎo)體-磷化銦InP-碳化硅SiC-氮化鎵GaN第三代 半導(dǎo)體主要應(yīng)用：集成電路、部分 功率分立器件（中低壓，中低 頻等，硅基IGBT 可應(yīng)用在高壓領(lǐng) 域）制備工藝成熟、 成本低廉、自然 界儲備量大，應(yīng) 用廣泛主要應(yīng)用：微電子和光電子領(lǐng) 域、微波功率器件、 低噪聲器件、發(fā)光 二級管、激光器、 光探測器等生長工藝較成熟、 較好的電子遷移率， 帶隙等材料特性資源稀缺，有毒性， 污染環(huán)境主要應(yīng)

5、用：新能源汽車、5G宏基站、光伏、風(fēng) 電、高鐵等領(lǐng)域（高溫、高壓、高 頻率、高電導(dǎo)率）請務(wù)必參閱正文之后的重要聲明5高電導(dǎo)率、高熱導(dǎo) 率、耐高溫、耐高 壓，目前生長困難、 成本較高，良率提 升后可大量使用三代半導(dǎo)體材料之間的主要區(qū)別是禁帶寬度?，F(xiàn)代物理學(xué)描述材料導(dǎo)電特性的主流理論是能帶理論， 能帶理論認(rèn)為晶體中電子的能級可劃分為導(dǎo)帶和價帶，價帶被電子填滿且導(dǎo)帶上無電子時，晶體不 導(dǎo)電。當(dāng)晶體受到外界能量激發(fā)（如高壓），電子被激發(fā)到導(dǎo)帶，晶體導(dǎo)電，此時晶體被擊穿，器 件失效，禁帶寬度代表了器件的耐高壓能力。第三代半導(dǎo)體的禁帶寬度是第一代和第二代半導(dǎo)體禁 帶寬度的近3倍，具有更強(qiáng)的耐高壓、高功率能

6、力。第三代半導(dǎo)體禁帶寬度大于硅和砷化鎵的禁帶寬度什么是第三代半導(dǎo)體？資料來源：CREE官網(wǎng)請務(wù)必參閱正文之后的重要聲明6第三代半導(dǎo)體材料能量密度更高。以氮化鎵為例，其形成的HEMT器件結(jié)構(gòu)中，其能量密度約為5- 8W/mm，遠(yuǎn)高于硅基MOS器件和砷化鎵射頻器件的0.5-1W/mm的能量密度，器件可承受更高的 功率和電壓，在承受相同的功率和電壓時，器件體積可變得更小。第三代半導(dǎo)體材料能量密度高于硅和砷化鎵能量密度什么是第三代半導(dǎo)體？資料來源：CREE官網(wǎng)請務(wù)必參閱正文之后的重要聲明7半導(dǎo)體芯片結(jié)構(gòu)分為襯底、外延和器件結(jié)構(gòu)。襯底通常起支撐作用，外延為器件所需的特定薄膜， 器件結(jié)構(gòu)即利用光刻刻蝕等工

7、序加工出具有一定電路圖形的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。碳化硅熱導(dǎo)率高于氮化鎵。第三代半導(dǎo)體的應(yīng)用場景通常為高溫、高壓、高功率場景，器件需要具 有較好的耐高溫和散熱能力，以保證器件的工作壽命。碳化硅的熱導(dǎo)率是氮化鎵熱導(dǎo)率的約3倍， 具有更強(qiáng)的導(dǎo)熱能力，器件壽命更長，可靠性更高，系統(tǒng)所需的散熱系統(tǒng)更小。氮化鎵單晶生長困難。氮化鎵因?yàn)樯L速率慢，反應(yīng)副產(chǎn)物多，生產(chǎn)工藝復(fù)雜，大尺寸單晶生長困 難，目前氮化鎵單晶生長尺寸在2英寸和4英寸，相比碳化硅難度更高。因此第三代半導(dǎo)體目前普遍 采用碳化硅作為襯底材料，在高壓和高可靠性領(lǐng)域選擇碳化硅外延，在高頻領(lǐng)域選擇氮化鎵外延。三代半導(dǎo)體材料性能對比資料來源：天科合達(dá)招股書、光大證

8、券研究所請務(wù)必參閱正文之后的重要聲明8碳化硅更適合作為襯底材料項(xiàng)目SiGaAs4H-SiCGaN禁帶寬度（eV）1.121.433.23.4飽和電子漂移速 率（cm/s）1.01071.01072.01072.5107熱導(dǎo)率（Wcm- 1K-1）1.50.5441.3擊穿電場強(qiáng)度（MV/cm）0.30.43.53.3碳化硅襯底器件體積更小。由于碳化硅具有較高的禁帶寬度，碳化硅功率器件可承受較高的電壓和 功率，其器件體積可變得更小，約為硅基器件的1/10。碳化硅器件電阻更小。同樣由于碳化硅較高的禁帶寬度，碳化硅器件可進(jìn)行重?fù)诫s，碳化硅器件的 電阻將變得更低，約為硅基器件的1/100。碳化硅MOS

9、FET器件體積更小碳化硅襯底器件體積小資料來源：CREE官網(wǎng)請務(wù)必參閱正文之后的重要聲明9碳化硅襯底材料能量損失更小。在相同的電壓和轉(zhuǎn)換頻率下，400V電壓時，碳化硅MOSFET逆變 器的能量損失約為硅基IGBT能量損失的29%-60%之間；800V時，碳化硅MOSFET逆變器的能量損 失約為硅基IGBT能量損失的30%-50%之間。碳化硅器件的能量損失更小。碳化硅器件能量損失更小碳化硅襯底材料能量損失小資料來源：CREE官網(wǎng)請務(wù)必參閱正文之后的重要聲明10相較于硅基IGBT，碳化硅MOSFET電動車的續(xù)航里程更長。對于EPA 城市路況，碳化硅MOSFET 相較于硅基IGBT，將節(jié)省77%的能

10、量損耗；對于EPA 高速路況，碳化硅MOSFET相較于硅基IGBT， 節(jié)省85%的能量損耗。能量損耗的節(jié)省導(dǎo)致車輛續(xù)航里程的增加，使用碳化硅MOSFET的電動車比 使用硅基IGBT電動車將增加5-10%的續(xù)航里程。碳化硅MOSFET電動車?yán)m(xù)航里程更長碳化硅MOSFET電動車的續(xù)航里程更長資料來源：CREE官網(wǎng)請務(wù)必參閱正文之后的重要聲明11第三代半導(dǎo)體目前主流器件形式為碳化硅基-碳化硅外延功率器件、碳化硅基-氮化鎵外延射頻器件， 用以實(shí)現(xiàn)AC-AC(變壓器)、AC-DC(整流器)、DC-AC(逆變器)、DC-DC(升降壓變換器)，碳化硅器件更適合高壓和高可靠性情景，應(yīng)用在新能源汽車和工控等領(lǐng)域

11、，氮化鎵器件更適合高頻情 況，應(yīng)用在5G基站等領(lǐng)域。碳化硅應(yīng)用領(lǐng)域碳化硅基器件應(yīng)用空間廣闊資料來源：天科合達(dá)招股書，光大證券研究所請務(wù)必參閱正文之后的重要聲明12碳化硅功率器件被廣泛應(yīng)用于新能源汽車中的主驅(qū)逆變器、DC/DC轉(zhuǎn)換器、充電系統(tǒng)中的車載充電 機(jī)和充電樁等，光伏、風(fēng)電等領(lǐng)域。受益新能源汽車的放量，碳化硅功率器件市場將快速增長。根據(jù)Yole數(shù)據(jù)，2018年和2024年碳化硅功率器件市場規(guī)模分別約4億和50億美金，復(fù)合增速約 51%，按照該復(fù)合增速，2027年碳化硅功率器件市場規(guī)模約172億美金。碳化硅材料市場規(guī)?？焖僭鲩L碳化硅功率器件市場增速快資料來源：Cree官網(wǎng)請務(wù)必參閱正文之后的

12、重要聲明13碳化硅基氮化鎵射頻器件被大量應(yīng)用在5G宏基站、衛(wèi)星通信、微波雷達(dá)、航空航天、電子對抗等國 防軍工領(lǐng)域，隨著5G建設(shè)的逐步展開，氮化鎵射頻器件市場規(guī)模將有較快增長。根據(jù)Yole統(tǒng)計(jì)，2018年和2024年氮化鎵射頻器件市場規(guī)模分別約為6億美金和20億美金，復(fù)合增速 為20.76%。碳化硅基氮化鎵射頻器件市場規(guī)模碳化硅基氮化鎵射頻器件市場增速較快資料來源：Cree官網(wǎng)請務(wù)必參閱正文之后的重要聲明14受益新能源汽車的放量和5G建設(shè)應(yīng)用的推廣，碳化硅襯底材料市場規(guī)模有望實(shí)現(xiàn)快速增長。根據(jù)Yole統(tǒng)計(jì)，碳化硅襯底材料市場規(guī)模將從2018年的1.21億美金增長到2024年的11億美金，復(fù)合增速

13、達(dá)44%。按照該復(fù)合增速，2027年碳化硅襯底材料市場規(guī)模將達(dá)到約33億美金。碳化硅材料市場規(guī)模快速增長碳化硅襯底材料市場增速快資料來源：Cree官網(wǎng)請務(wù)必參閱正文之后的重要聲明15英飛凌2016年欲收購Wolfspeed，2018年收購Sitectra。2016年7月，英飛凌欲以8.5億美元收 購CREE旗下Wolfspeed功率和射頻事業(yè)部，Wolfspeed是CREE旗下專注碳化硅功率器件和碳化硅基淡化及射頻功率解決方案的主要供應(yīng)商，后因美國政府干預(yù)而流產(chǎn)。2018年英飛凌收購Siltectra， Siltectra為德國廠商，2010年研發(fā)出一項(xiàng)切割晶體材料的技術(shù)，可以最大限度減少材料

14、損耗，填補(bǔ) 了英飛凌的切磨拋工藝。意法半導(dǎo)體收購Norstel AB。2019年，意法半導(dǎo)體收購了瑞典碳化硅晶圓廠商N(yùn)orstel AB。意法 半導(dǎo)體總裁兼CEO Jean-Marc Chery表示，在全球碳化硅產(chǎn)能受限的環(huán)境下，并購Norstel將有助 于增強(qiáng)ST內(nèi)部的碳化硅生態(tài)系統(tǒng)，保證意法半導(dǎo)體的晶圓供給量，滿足汽車和工業(yè)客戶未來幾年增 長的MOSFET和二極管需求。英飛凌與CREE簽署長期供貨協(xié)議。2018年12月，英飛凌與CREE簽署長期協(xié)議，CREE將向英飛凌供應(yīng)150mm 碳化硅晶圓，幫助英飛凌積極拓展光伏逆變器和新能源汽車領(lǐng)域的產(chǎn)品供應(yīng)。意法半導(dǎo)體與CREE簽署長期供貨協(xié)議。2

15、019年1月，意法半導(dǎo)體與CREE簽署長單協(xié)議，CREE將向 意法半導(dǎo)體供應(yīng)2.5億美金的6英寸碳化硅晶圓片和外延片。CREE擴(kuò)產(chǎn)。2019年5月，CREE投資10億美元在美國總部北卡羅萊納州達(dá)勒姆市建造自動化生產(chǎn)8英寸碳化硅工廠。2019年9月在美國紐約Marcy建造滿足車規(guī)級標(biāo)準(zhǔn)的8英寸碳化硅功率和射頻工廠。請務(wù)必參閱正文之后的重要聲明16國際大廠紛紛布局1、第三代半導(dǎo)體大勢所趨2、第三代半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)鏈廠商總結(jié)3、建議關(guān)注4、風(fēng)險(xiǎn)分析碳化硅產(chǎn)業(yè)鏈主要廠商晶片外延器件II-VINorstelRenesas、Littelfuse、 GeneSiC、MicrosemiShowa DenkoIinf

16、ineon、ST、Mitsubishi、FujiCREE、ROHM天科合達(dá)、山東天岳、東尼電子、楚江新材、天通股份等瀚天天成、東莞天域等三安光電、中電科五十五所、中電科十三所等華潤微、揚(yáng)杰科技、 泰科天潤、綠能芯創(chuàng)、 上海詹芯、基本半導(dǎo)體、中國中車等境外企業(yè)境內(nèi)企業(yè)設(shè)備露笑科技碳化硅產(chǎn)業(yè)鏈環(huán)節(jié)分為設(shè)備、襯底片、外延片和器件環(huán)節(jié)。從事襯底片的國內(nèi)廠商主要有露笑科技、 三安光電、天科合達(dá)、山東天岳等；從事碳化硅外延生長的廠商主要有瀚天天成和東莞天域等；從 事碳化硅功率器件的廠商較多，包括華潤微、揚(yáng)杰科技、泰科天潤、綠能芯創(chuàng)、上海詹芯等。碳化硅產(chǎn)業(yè)鏈境內(nèi)外主要廠商資料來源：光大證券研究所請務(wù)必參閱正

17、文之后的重要聲明18氮化鎵產(chǎn)業(yè)鏈主要廠商襯底外延片器件/模組住友電工、日立、古 河電工、三菱、日本 信越、富士電機(jī)、臺 灣漢磊電子電力：Navitas、Dialog、 Transform、EPC、 Powerex微波射頻：Toshiba、SAMSUNGNitronex、Azzuro、 EpiGaN蘇州納維、東莞中鎵、上海鎵特、芯元基三安光電、賽微電子、 海陸重工、晶湛半導(dǎo)體、 江蘇能華、英諾賽科、 大連芯冠、聚力成三安光電、聞泰科技、 賽微電子、海陸重工、 聚燦光電、乾照光電、 亞光科技國際廠商中國大陸氮化鎵產(chǎn)業(yè)鏈分為襯底、外延片和器件環(huán)節(jié)。盡管碳化硅被更多地作為襯底材料（相較于氮化鎵）， 國

18、內(nèi)仍有從事氮化鎵單晶生長的企業(yè)，主要有蘇州納維、東莞中鎵、上海鎵特和芯元基等；從事氮 化鎵外延片的國內(nèi)廠商主要有三安光電、賽微電子、海陸重工、晶湛半導(dǎo)體、江蘇能華、英諾賽科 等；從事氮化鎵器件的廠商主要有三安光電、聞泰科技、賽微電子、聚燦光電、乾照光電等。氮化鎵產(chǎn)業(yè)鏈境內(nèi)外主要廠商資料來源：光大證券研究所請務(wù)必參閱正文之后的重要聲明191、第三代半導(dǎo)體大勢所趨2、第三代半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)鏈廠商總結(jié)3、建議關(guān)注4、風(fēng)險(xiǎn)分析碳化硅產(chǎn)業(yè)鏈廠商資料來源：Wind、光大證券研究所，預(yù)測數(shù)據(jù)為Wind一致預(yù)期，股價時間為2020年9月7日請務(wù)必參閱正文之后的重要聲明21證券代碼公司簡稱總市 值凈利潤PE19A20

19、E21E22E19A20E21E22E設(shè)備002617.SZ露笑科技1190.43.34.04.4329373027600703.SH三安光電1,24913.017.924.532.396705139300316.SZ晶盛機(jī)電3476.48.711.213.955403125002171.SZ楚江新材1294.65.46.57.628242017600330.SH天通股份1151.63.03.74.571393126603595.SH東尼電子66-1.5N/AN/AN/AN/AN/AN/AN/AA20375.SH天科合達(dá)N/A0.3N/AN/AN/AN/AN/AN/AN/A未上市山東天岳未上市

20、世紀(jì)金光襯底002617.SZ露笑科技1190.43.34.04.4329373027600703.SH三安光電1,24913.017.924.532.396705139002171.SZ楚江新材1294.65.46.57.628242017600330.SH天通股份1151.63.03.74.571393126603595.SH東尼電子66-1.5N/AN/AN/AN/AN/AN/AN/AA20375.SH天科合達(dá)N/A0.3N/AN/AN/AN/AN/AN/AN/A未上市山東天岳未上市世紀(jì)金光證券代碼公司簡稱總市 值凈利潤PE19A20E21E22E19A20E21E22E外延002617.SZ露笑科技1190.43.34.04.43