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        2020年第三代半導體材料產業鏈全景圖深度分析

        發布時間:2020-09-16 閱讀量:272 打印 收藏此頁

        資料來源:中商產業研究院整理


        9月14日,A股放量回升,第三代半導體板塊大漲8.1%,成為兩市焦點。第三代半導體強勢反彈,有基金經理認為,隨著5G手機出貨量的持續增加,5G驅動的換機潮將到來,有望促進相關科技公司的業績持續釋放,當前應遵循“存優去劣”原則布局5G設備、傳輸網、云計算等科技核心資產。其中,半導體板塊作為科技產業的底層支撐,未來有望多點開花。

        半導體行業經過近六十年的發展,半導體材料經歷了三次明顯的換代和發展。第一代半導體材料主要是指硅、鍺元素等單質半導體材料;第二代半導體材料主要是指化合物半導體材料,如砷化鎵、銻化銦;第三代半導體材料主要分為碳化硅SiC和氮化鎵GaN,相比于第一、二代半導體,其具有更高的禁帶寬度、高擊穿電壓、電導率和熱導率,在高溫、高壓、高功率和高頻領域將替代前兩代半導體材料。

        三代半導體材料發展歷程及主要特征介紹

        半導體材料是半導體產業鏈上游中的重要組成部分,在集成電路、分立器件等半導體產品生產制造中起到關鍵性的作用。第三代半導體材料以氮化鎵和碳化硅、氧化鋅、氧化鋁、金剛石等為代表。目前比較成熟的有碳化硅(SiC)、氮化鎵(GaN)等。因此本文主要研究碳化硅(SiC)、氮化鎵(GaN)兩大第三代半導體襯底材料。

        其中,碳化硅產業鏈環節主要有襯底片、外延片和器件環節。從事襯底片的國內廠商主要有露笑科技、三安光電、天科合達、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、揚杰科技、泰科天潤、綠能芯創、上海詹芯等。

        氮化鎵產業鏈與碳化硅產業鏈環節無較大差別,同樣分為襯底、外延片和器件環節。盡管碳化硅被更多地作為襯底材料,但國內仍有從事氮化鎵單晶生長的企業,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、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。

        在第三代半導體材料產業鏈制造以及應用環節上,SiC可以制造高耐壓、大功率電力電子器件如MOSFET、IGBT、SBD等,用于智能電網、新能源汽車等行業。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。

        第三代半導體材料產業鏈全景圖

        一、第三代半導體材料產業鏈之碳化硅

        近年來,以碳化硅為代表的第三代半導體材料在禁帶寬度、擊穿電場強度、飽和電子漂移速率、熱導率以及抗輻射等關鍵參數方面具有顯著優勢,進一步滿足了現代工業對高功率、高電壓、高頻率的需求。以碳化硅為襯底制成的功率器件相比硅基功率器件具有優越的電氣性能,具體如下:

        正是由于碳化硅器件具備的上述優越性能,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。

        近年來碳化硅晶片作為襯底材料的應用逐步成熟并進入產業化階段,以碳化硅晶片為襯底,通常使用化學氣相沉積(CVD)方法,在晶片上淀積一層單晶形成外延片。其中,在導電型碳化硅襯底上生長碳化硅外延層制得碳化硅外延片,可進一步制成功率器件,應用于新能源汽車、光伏發電、軌道交通、智能電網、航空航天等領域;在半絕緣型碳化硅襯底上生長氮化鎵外延層制得碳化硅基氮化鎵(GaN-on-SiC)外延片,可進一步制成微波射頻器件,應用于5G通訊、雷達等領域。

        碳化硅晶片經外延生長后主要用于制造功率器件、射頻器件等分立器件??蓮V泛應用于新能源汽車、5G通訊、光伏發電、軌道交通、智能電網、航空航天等現代工業領域,在我國“新基建”的各主要領域中發揮重要作用。

        (一)功率器件

        碳化硅功率器件被廣泛應用于新能源汽車中的主驅逆變器、DC/DC轉換器、充電系統中的車載充電機和充電樁等,光伏、風電等領域。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Yole數據,2018年和2024年碳化硅功率器件市場規模分別約4億和50億美元,復合增速約51%,按照該復合增速,2027年碳化硅功率器件市場規模約172億美元。

        碳化硅材料市場規模預測

        資料來源:Cree官網、光大證券

        功率器件是電力電子行業的重要基礎元器件之一,廣泛應用于電力設備的電能轉化和電路控制等領域。作為用電裝備和系統中的核心,功率器件的作用是實現對電能的處理、轉換和控制,管理著全球超過50%的電能資源,廣泛用于智能電網、新能源汽車、軌道交通、可再生能源開發、工業電機、數據中心、家用電器、移動電子設備等國家經濟與國民生活的方方面面,是工業體系中不可或缺的核心半導體產品。碳化硅功率器件以其優異的耐高壓、耐高溫、低損耗等性能,能夠有效滿足電力電子系統的高效率、小型化和輕量化要求,在新能源汽車、光伏發電、軌道交通、智能電網等領域具有明顯優勢。

        半導體材料003.jpeg

        資料來源:Yole Developmen

        1、碳化硅功率器件在電動車領域應用

        碳化硅功率器件定位于1KW-500KW之間,工作頻率在10KHz-100MHz之間的場景,特別適用于對于能量效率和空間尺寸要求較高的應用,如電動汽車充電機、充電樁、光伏逆變器、高鐵、智能電網、工業級電源等領域,可逐漸取代硅基MOSFET和IGBT。

        碳化硅功率器件在電動車領域中的應用情況統計

        資料來源:國泰君安、中商產業研究院整理

        2、碳化硅功率器件在光伏領域應用

        根據天科合達招股書顯示,在光伏發電應用中,基于硅基器件的傳統逆變器成本約占系統10%左右,卻是系統能量損耗的主要來源之一。使用碳化硅MOSFET或碳化硅MOSFET與碳化硅SBD結合的功率模塊的光伏逆變器,轉換效率可從96%提升至99%以上,能量損耗降低50%以上,設備循環壽命提升50倍,從而能夠縮小系統體積、增加功率密度、延長器件使用壽命、降低生產成本。高效、高功率密度、高可靠和低成本是光伏逆變器的未來發展趨勢。在組串式和集中式光伏逆變器中,碳化硅產品預計會逐漸替代硅基器件。

        半導體材料005.jpeg

        數據來源:CASA、中商產業研究院整理

        3、碳化硅功率器件在軌道交通應用

        軌道交通車輛呈現多樣化發展,從運行狀態上可分為干線機車、城市軌道車輛、高速列車,其中城市軌道車輛和高速列車是軌道交通未來發展的主要動力。軌道交通車輛中大量應用功率半導體器件,其牽引變流器、輔助變流器、主輔一體變流器、電力電子變壓器、電源充電機都有使用碳化硅器件的需求。其中,牽引變流器是機車大功率交流傳動系統的核心裝備,將碳化硅器件應用于軌道交通牽引變流器,能極大發揮碳化硅器件高溫、高頻和低損耗特性,提高牽引變流器裝置效率,符合軌道交通大容量、輕量化和節能型牽引變流裝置的應用需求,提升系統的整體效能。2012年,包含碳化硅SBD的混合碳化硅功率模塊在東京地鐵銀座線37列車輛中商業化應用,實現了列車牽引系統節能效果的明顯提升、電動機能量損耗的大幅下降和冷卻單元的小型化;2014年,日本小田急電鐵新型通勤車輛配備了三菱電機3300V/1500A全碳化硅功率模塊逆變器,開關損耗降低55%、體積和重量減少65%,電能損耗降低20%至36%。


        碳化硅功率器件在軌道交通應用占比預測

        數據來源:CASA、天科合達招股書

        (二)射頻器件

        微波射頻器件是實現信號發送和接收的基礎部件,是無線通訊的核心,主要包括射頻開關、LNA、功率放大器、濾波器等器件,其中,功率放大器是放大射頻信號的器件,直接決定移動終端和基站的無線通信距離、信號質量等關鍵參數。5G通訊高頻、高速、高功率的特點對功率放大器的高頻、高速以及功率性能有更高要求。以碳化硅為襯底的氮化鎵射頻器件同時具備了碳化硅的高導熱性能和氮化鎵在高頻段下大功率射頻輸出的優勢,突破了砷化鎵和硅基LDMOS器件的固有缺陷,能夠滿足5G通訊對高頻性能和高功率處理能力的要求,碳化硅基氮化鎵射頻器件已逐步成為5G功率放大器尤其宏基站功率放大器的主流技術路線。

        隨著全球5G通訊技術的發展和推廣,5G基站建設將為射頻器件帶來新的增長動力。據Yole Development預測,2025年全球射頻器件市場將超過250億美元,其中射頻功率放大器市場規模將從2018年的60億美元增長到2025年的104億美元,而氮化鎵射頻器件在功率放大器中的滲透率將持續提高。隨著5G市場對碳化硅基氮化鎵器件需求的增長,半絕緣型碳化硅晶片的需求量也將大幅增長。


        2018-2025年全球射頻器件市場規模預測

        數據來源:Yole Development、天科合達招股書

        二、第三代半導體材料產業鏈之氮化鎵

        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規?;瘧萌悦媾R挑戰,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。

        根據該期刊論文援引Yole的預測,2020年末,GaN射頻器件市場規模將達到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通信基站射頻收發單元、消費類電子快速充電器、電動汽車充電機OBC等領域。

        資料來源:國泰君安

        (一)LED領域

        其中LED領域占比達70%。隨著LED芯片技術和制程持續更新迭代,LED照明產品的發光效率、技術性能、產品品質、成本經濟性不斷大幅提升;再加上產業鏈相關企業和投資不斷增多,LED光源制造和配套產業的生產制造技術不斷升級,終端產品規?;a的成本經濟性進一步提高,目前LED照明產品已成為家居照明、戶外照明、工業照明、商業照明、景觀亮化、背光顯示等應用領域的主流應用,LED照明產品替代傳統照明產品的市場滲透率不斷提升,市場需求持續增長。

        根據國家半導體照明工程研發及產業聯盟(CSA)的統計,中國LED照明產品國內市場滲透率(LED照明產品國內銷售數量/照明產品國內總銷售數量)由2012年的3.3%快速提升至2018年的70%,遠超全球平均水平。

        半導體材料008.jpeg

        數據來源:國家半導體照明工程研發及產業聯盟(CSA)、中商產業研究院整理

        中國是LED照明產品最大的生產制造國,隨著國內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,國內的LED照明市場規模呈現出較全球平均水平更快的增長勢頭。根據高工產研LED研究所(GGII)的統計,中國LED照明市場產值規模由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。

        中國LED照明市場規模情況

        (二)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,發展自主氮化鎵射頻功放產業,有助于打破國外壟斷,實現自主可控。2020年8月17日,在“點亮深圳,5G智慧之城”發布會上,深圳市市長陳如桂正式宣布深圳市實現5G獨立組網全覆蓋,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產業規模、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,據不完全統計,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場疫情防控新聞發布會,省工業和信息化廳副廳長楊鵬飛表示,2020年將全面加速5G網絡建設,爭取年內建設6萬座5G基站,全省5G用戶數量達到2000萬。預計2020年,以5G基站和數據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:

        數據來源:中商產業研究院整理

        (三)光伏領域

        GaN和SiC器件進入光伏市場,將為小型系統帶來更大的競爭優勢,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。據北極星太陽能光伏網援引研究機構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模持續增加。盡管中國受“531光伏新政”影響,2018年和2019年國內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展,以及歐洲市場復蘇。隨著光伏技術提升,光伏發電成本不斷降低,未來光伏發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電裝機1152萬千瓦。

        2015-2020年6月中國新增光伏發電裝機量統計

        數據來源:國家能源局、中商產業研究院整理

        三、第三代半導體材料相關產業概念股名單一覽

        中商產業研究院特整理第三代半導體材料碳化硅以及氮化鎵概念股相關企業名單如下:

        第三代半導體材料碳化硅以及氮化鎵概念股相關企業名單


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