揭秘第三代半導體材料核心，國產(chǎn)替代潛力巨大

半導體材料與工藝設備

2021年12月27日 13:52

來源：電子工程世界

半導體產(chǎn)業(yè)的基石是芯片，制作芯片的核心材料按照歷史進程分為：第一代半導體材料（大部分為目前廣泛使用的高純度硅），第二代化合物半導體材料（砷化鎵、磷化銦），第三代化合物半導體材料以碳化硅和氮化鎵為代表。

碳化硅是第三代半導體產(chǎn)業(yè)發(fā)展的重要基礎材料，碳化硅功率器件以其優(yōu)異的耐高壓、耐高溫、低損耗等性能，能夠有效滿足電力電子系統(tǒng)的高效率、小型化和輕量化要求。

在新能源汽車、光伏發(fā)電、軌道交通、智能電網(wǎng)等領域具有明顯優(yōu)勢。因其優(yōu)越的物理性能：高禁帶寬度（對應高擊穿電場和高功率密度）、高電導率、高熱導率，有望成為未來最被廣泛使用的制作半導體芯片的基礎材料。

圖表來源：IHS Market

近年來新能源汽車驅動碳化硅行業(yè)高速成長，較傳統(tǒng)的燃油汽車相比，新能源汽車半導體元器件功率更大，性能要求更高，用量幾倍于傳統(tǒng)燃油汽車。根據(jù)現(xiàn)有技術方案，每輛新能源汽車使用的功率器件價值約700美元到1000美元。

隨著新能源汽車的發(fā)展，對功率器件需求量日益增加，成為功率半導體器件新的增長點。使用碳化硅襯底材料，為新能源汽車節(jié)省大量成本。

第三代半導體材料產(chǎn)業(yè)鏈之碳化硅

半導體芯片分為集成電路和分立器件，但不論是集成電路還是分立器件，其基本結構都可劃分為“襯底-外延-器件”結構。

碳化硅產(chǎn)業(yè)鏈也可分為三個環(huán)節(jié)：分別是上游襯底，中游外延片和下游器件制造。

圖表來源：中信證券

碳化硅在半導體中存在的主要形式是作為襯底材料。碳化硅晶片作為半導體襯底材料，長晶難度大，技術壁壘高，毛利率可達50%左右。

已已經(jīng)過外延生長、器件制造等環(huán)節(jié)，可制成碳化硅基功率器件和微波射頻器件。晶片尺寸越大，對應晶體的生長與加工技術難度越大。

碳化硅晶片產(chǎn)業(yè)鏈：

圖表來源：天科合達招股說明書

襯底常用Lely法制造，國際主流采用6英寸晶圓，正向8英寸晶圓過渡；國內(nèi)襯底以4英寸為主，主要用于10A以下小電流產(chǎn)品。

全球碳化硅市場呈現(xiàn)寡頭壟斷局面，歐美日企業(yè)領先美國全球獨大，全球SiC產(chǎn)量的70%~80%來自美國公司。

海外碳化硅單晶襯底企業(yè)主要有Cree、DowCorning、SiCrystal、II-VI、新日鐵住金、Norstel等。

其中CREE、II-VI等國際龍頭企業(yè)已開始投資建設8英寸碳化硅晶片生產(chǎn)線。

國內(nèi)企業(yè)也在積極研發(fā)和探索碳化硅器件的產(chǎn)業(yè)化，已經(jīng)形成相對完整的碳化硅產(chǎn)業(yè)鏈體系。

中國企業(yè)在單晶襯底方面以4英寸為主，目前已經(jīng)開發(fā)出了6英寸導電性SiC襯底和高純半絕緣SiC襯底。

以天科合達和山東天岳為主的SiC晶片廠商發(fā)展速度較快，市占率提升明顯。三安光電在SiC方面也在深度布局。

山東天岳、天科合達、河北同光、中科節(jié)能均已完成6英寸襯底的研發(fā)，中電科裝備研制出6英寸半絕緣襯底。

華潤微擁有3條6英寸產(chǎn)線和一條正在建設的12英寸產(chǎn)線，并擁有國內(nèi)首條實現(xiàn)商用量產(chǎn)的6英寸碳化硅晶圓生產(chǎn)線。

露笑科技2020年引進碳化硅重磅研發(fā)團隊并聯(lián)合合肥政府共同投資碳化硅。

外延常用PECVD法制造。國外外延片企業(yè)主要有DowCorning、II-VI、Norstel、CREE、羅姆、三菱電機、英飛凌等；器件方面相關主要企業(yè)包括英飛凌、CREE、羅姆、意法半導體等。

國內(nèi)從事外延片生長的企業(yè)包括廈門瀚天天成和東莞天域半導體等；從事碳化硅器件設計制造的企業(yè)包括泰科天潤、華潤微、綠能芯創(chuàng)、上海詹芯、基本半導體、中國中車等。

同時從事外延生長和器件制作的企業(yè)包括中電科五十五所、中電科十三所和三安集成等。

外延片方面，中國瀚天天成、東莞天域半導體、國民天成均可供應4-6英寸外延片。模塊方面有斯達半導體、比亞迪電子、中車時代電氣等公司。

下游器件的制造效率越高、單位成本越低。器件領域國際上600-1700V碳化硅SBD、MOSFET都已量產(chǎn)，Cree已開始布局8英寸產(chǎn)線，國內(nèi)企業(yè)碳化硅MOSFET還有待突破，產(chǎn)線在向6英寸過渡。

碳化硅器件領域代表性的企業(yè)中，目前來看在國際上技術比較領先的是美國的Cree，其覆蓋了整個碳化硅產(chǎn)業(yè)鏈的上下游（襯底-外延-器件），具有核心的技術。

下游碳化硅器件市場，美國Cree占據(jù)最大市場份額，達26%，其次為羅姆和英飛凌，分別占據(jù)21%和16%的市場份額。

英飛凌已經(jīng)推出了采用轉模封裝的1200V碳化硅（ SiC ）集成功率模塊（ IPM ），并大規(guī)模推出了SiC解決方案。

國內(nèi)廠商主要有器件：泰科天潤、瀚薪、揚杰科技、中電55所、中電13所、科能芯、中車時代電氣等；模組：嘉興斯達、河南森源、常州武進科華、中車時代電氣目前碳化硅市場處于起步階段。

碳化硅功率器件產(chǎn)業(yè)鏈公司梳理：

資料來源：銀河證券

Yole預計2025年碳化硅射頻器件全球市場規(guī)模可達250億美元，2023年碳化硅功率器件全球市場規(guī)模可達14億美元。

在未來的10年內(nèi)，碳化硅器件有望大范圍地應用于工業(yè)及電動汽車領域。

資料來源：Yole, 中信建投

目前碳化硅（ SiC）半導體仍處于發(fā)展初期，晶圓生長過程中易出現(xiàn)材料的基面位錯，以致碳化硅器件可靠性下降。

另一方面，晶圓生長難度導致碳化硅材料價格昂貴，預計想要大規(guī)模得到應用仍需一段時期的技術改進。

汽車應用領域，碳化硅器件替代硅器件是確定的發(fā)展趨勢。碳化硅功率器件的應用領域在持續(xù)的拓展。

新能源汽車產(chǎn)業(yè)作為一個體量快速增長、技術持續(xù)革新的戰(zhàn)略新興產(chǎn)業(yè)，將在汽車電動化滲透率提升的過程中為多個細分技術領域提供廣闊的舞臺，國內(nèi)產(chǎn)業(yè)鏈內(nèi)有望涌現(xiàn)多家技術領先型的黑馬企業(yè)。

特斯拉Model3是第一個集成全SiC功率模塊的車企，主要采購意法半導體的650V碳化硅功率器件，特斯拉逆變器由24個1-in-1功率模塊組成，這些模塊組裝在針翅式散熱器上。

比亞迪車規(guī)級的IGBT已經(jīng)走到5代，碳化硅Mosfet已經(jīng)走到3代，第4代正在開發(fā)當中，目前在規(guī)劃自建產(chǎn)線。若如期實現(xiàn)，比亞迪將繼續(xù)維持國內(nèi)三電技術領先的地位，并且在續(xù)航表現(xiàn)上與其他國內(nèi)車企拉開一大截。

5G基站方面，對碳化硅襯底也有較大需求。根據(jù)Yole和CREE預測，受益5G的普及與5G基站的建設，碳化硅基氮化鎵外延功率器件市場規(guī)模將從2018年6.45億美金增長到2024年的20億美金，年均復合增速達20.76%，2027年市場規(guī)模有望達到35億美金。

第三代半導體材料產(chǎn)業(yè)鏈之氮化鎵

與硅元器件相比，GaN具有高臨界磁場、高電子飽和速度與極高的電子遷移率的特點，是超高頻器件的極佳選擇，適用于5G通信、微波射頻等領域的應用。

具體來看，氮化鎵產(chǎn)業(yè)鏈與碳化硅產(chǎn)業(yè)鏈環(huán)節(jié)無較大差別，同樣分為襯底、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，但國內(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、晶湛半導體、江蘇能華等；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。

氮化鎵作為第三代半導體材料，有更高的禁帶寬度，是迄今理論上電光、光電轉換效率最高的材料體系，下游應用包括微波射頻器件( 通信基站等 )，電力電子器件( 電源等 )，光電器件( LED照明等) 。不過，第三代半導體材料中，受技術與工藝水平限制，氮化鎵材料作為襯底實現(xiàn)規(guī)模化應用仍面臨挑戰(zhàn)，其應用主要是以藍寶石、硅晶片或碳化硅晶片為襯底，通過外延生長氮化鎵以制造氮化鎵器件。

根據(jù)預測，2020年末，GaN射頻器件市場規(guī)模將達到7.5億美元，年均復合增長率20%。目前氮化鎵器件已應用于5G通信基站射頻收發(fā)單元、消費類電子快速充電器、電動汽車充電機OBC等領域。

LED領域

其中LED領域占比達70%。隨著LED芯片技術和制程持續(xù)更新迭代，LED照明產(chǎn)品的發(fā)光效率、技術性能、產(chǎn)品品質(zhì)、成本經(jīng)濟性不斷大幅提升；再加上產(chǎn)業(yè)鏈相關企業(yè)和投資不斷增多，LED光源制造和配套產(chǎn)業(yè)的生產(chǎn)制造技術不斷升級，終端產(chǎn)品規(guī)模化生產(chǎn)的成本經(jīng)濟性進一步提高，目前LED照明產(chǎn)品已成為家居照明、戶外照明、工業(yè)照明、商業(yè)照明、景觀亮化、背光顯示等應用領域的主流應用，LED照明產(chǎn)品替代傳統(tǒng)照明產(chǎn)品的市場滲透率不斷提升，市場需求持續(xù)增長。

根據(jù)國家半導體照明工程研發(fā)及產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟（ CSA ）的統(tǒng)計，中國LED照明產(chǎn)品國內(nèi)市場滲透率（ LED照明產(chǎn)品國內(nèi)銷售數(shù)量/照明產(chǎn)品國內(nèi)總銷售數(shù)量）由2012年的3.3%快速提升至2018年的70%，遠超全球平均水平。

數(shù)據(jù)來源：國家半導體照明工程研發(fā)及產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟（CSA）、中商產(chǎn)業(yè)研究院整理

中國是LED照明產(chǎn)品最大的生產(chǎn)制造國，隨著國內(nèi)LED照明市場滲透率快速攀升至七成以上，LED照明已基本成為照明應用的剛需，國內(nèi)的LED照明市場規(guī)模呈現(xiàn)出較全球平均水平更快的增長勢頭。根據(jù)高工產(chǎn)研LED研究所（ GGII ）的統(tǒng)計，中國LED照明市場產(chǎn)值規(guī)模由2015年的2596億元增長到2018年的4155億元，年均復合增長率達到16.97%，增速高于全球平均水平。預計到2021年，中國LED照明市場產(chǎn)值有望達到5900億元，2019-2021年仍有望能保持超過12%的年均復合增長水平。

5G基站領域

目前采用氮化鎵的微波射頻器件主要用于軍事領域、4G/5G 通訊基站等，由于涉及軍事安全，國外對高性能氮化鎵器件實行對華禁運。因此，發(fā)展自主氮化鎵射頻功放產(chǎn)業(yè)，有助于打破國外壟斷，實現(xiàn)自主可控。2020年8月17日，在“點亮深圳，5G智慧之城”發(fā)布會上，深圳市市長陳如桂正式宣布深圳市實現(xiàn)5G獨立組網(wǎng)全覆蓋，深圳率先進入5G時代。截至8月14日，深圳已建成46480個5G基站，截至7月26日，深圳已建成5G基站4.5萬個，提前一個月完成深圳此前8月底前完成4.5個5G基站建設的目標。目前，深圳5G產(chǎn)業(yè)規(guī)模、5G基站和終端出貨量全球第一。

從全國各省市最新公布的5G基站建設計劃來看，據(jù)不完全統(tǒng)計，此前已有29個省市公布了2020年5G基站建設計劃。廣東5G大提速，2020年建設6萬座5G基站。從廣東省政府新聞辦舉行第49場疫情防控新聞發(fā)布會,省工業(yè)和信息化廳副廳長楊鵬飛表示，2020年將全面加速5G網(wǎng)絡建設，爭取年內(nèi)建設6萬座5G基站，全省5G用戶數(shù)量達到2000萬。預計2020年，以5G基站和數(shù)據(jù)中心為代表的新型信息基礎設施投資會超過500億元。以下是全國各省市2020年5G基站建設計劃情況：

數(shù)據(jù)來源：中商產(chǎn)業(yè)研究院整理

光伏領域

GaN和SiC器件進入光伏市場，將為小型系統(tǒng)帶來更大的競爭優(yōu)勢，主要包括：更低的均化電力成本，提升通過租賃和電力購買協(xié)議而銷售的電能利潤。此外，這些器件還能改善性能和可靠性。據(jù)北極星太陽能光伏網(wǎng)援引研究機構Lux Research報告顯示，受太陽能模組的下游需求驅動，寬禁帶半導體――即碳化硅( SiC )和氮化鎵( GaN) 將引領太陽能逆變器隔離器市場在2020年達到14億美元。

近年來，全球光伏新增裝機容量規(guī)模持續(xù)增加。盡管中國受“531光伏新政”影響，2018年和2019年國內(nèi)的光伏新增裝機容量下滑，但得益于印度、墨西哥等新興光伏市場的快速發(fā)展，以及歐洲市場復蘇。隨著光伏技術提升，光伏發(fā)電成本不斷降低，未來光伏發(fā)電具有廣闊的增長空間。光伏支架作為光伏電站的關鍵設備之一，將隨著全球光伏電站新增裝機容量的增長而增長。2020年1-2季度全國新增光伏發(fā)電裝機1152萬千瓦。

數(shù)據(jù)來源：國家能源局、中商產(chǎn)業(yè)研究院整理

海外巨頭壟斷，國產(chǎn)替代機會大

碳化硅器件代工領域，國內(nèi)企業(yè)有相當競爭力。中車時代電氣建有 6 英寸雙極器件、8 英寸IGBT 和 6 英寸碳化硅的產(chǎn)業(yè)化基地，擁有芯片、模塊、組件及應用的全套自主技術；華潤微具備碳化硅功率器件制備技術。

泰科天潤是國內(nèi)領先的碳化硅功率器件生產(chǎn)商，其在北京擁有一座完整的半導體工藝晶圓廠，可在 4/6 英寸 SiC 晶圓上實現(xiàn)半導體功率器件的制造工藝。

目前泰科天潤的碳化硅器件 650V/2A-100A，1200V/2A-50A，1700V/5A -50A，3300V/0.6A-50A 等系列的產(chǎn)品已經(jīng)投入批量生產(chǎn)，產(chǎn)品質(zhì)量可以比肩國際同行業(yè)的先進水平。在 SiC 外延的研發(fā)和量產(chǎn)方面，我國也已緊跟世界一流水平，瀚天天成的產(chǎn)品已打入國際市場；我國 SiC IDM 主要有泰科天潤、世紀金光、基本半導體、中電科 15 所、中電科 13所等。

國內(nèi)半導體廠商在積極發(fā)揮自身優(yōu)勢，大力布局第三代半導體行業(yè)。第三代半導體對我國而言意義非凡，是中國大陸半導體（尤其是功率和射頻器件）追趕的極佳突破口。

目前，雖然在以SiC和GaN為代表的寬禁帶半導體材料研究和部署方面，美、日、歐仍處于世界領先地位。由于其未來戰(zhàn)略意義，我國早已對寬禁帶半導體材料器件研發(fā)進行針對性規(guī)劃和布局，但是近些年的發(fā)展似乎差強人意，究其根本，主要原因是高制造成本和低技術成熟度。現(xiàn)在，隨著國內(nèi)企業(yè)的技術不斷發(fā)展和成本的不斷下降，中國的第三代半導體材料有望最先實現(xiàn)國產(chǎn)替代。

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