脱水研报：第三代半导体（Sic & GaN）基本面简析-第三代半导体材料概念股
半导体的发展历程
半导体（英语：Semiconductor）是一种电导率在绝缘体至导体之间的物质。电导率容易受控制的半导体，可作为信息处理的元件材料。
材料的导电性是由导带中含有的电子数量决定。
一般常见的金属材料其导电带与价电带之间的能隙非常小，在室温下电子很容易获得能量而跳跃至导电带而导电，而绝缘材料则因为能隙很大（通常大于9eV），电子很难跳跃至导电带，所以无法导电。由化学键结的观点来看，获得足够能量、进入导电带的电子也等于有足够能量可以打破电子与固体原子间的共价键，而变成自由电子，进而对电流传导做出贡献。
半导体和绝缘体之间的差异主要来自两者的能带宽度不同。
绝缘体的能带比半导体宽，意即绝缘体价带中的载流子必须获得比在半导体中更高的能量才能跳过能带，进入导带中。对于一个在相同电场下的本征半导体和绝缘体会有类似的电特性，不过半导体的能带宽度小于绝缘体也意味着半导体的导电性更容易受到控制（比如温度）而改变。
纯质半导体的电气特性可以借由植入杂质的过程而永久改变，这个过程通常称为掺杂。除了借由掺杂的过程永久改变电性外，半导体亦可因为施加于其上的电场改变而动态地变化，例如晶体管。晶体管属于有源式的（有源）半导体元件（active semiconductor devices），当有源元件和被动式的（无源）半导体元件（passive semiconductor devices）如电阻器或是电容器组合起来时，可以用来设计各式各样的集成电路产品，例如微处理器。
半导体有可能是单一元素组成，例如硅。也可以是两种或是多种元素的化合物，常见的化合物半导体有砷化镓或是磷化铝铟镓。合金也是半导体材料的来源之一，如硅锗或是砷化镓铝。
产业上，半导体所谓的“代”的划分，指的是依据材料划分。
第一代半导体：主要指的是以硅（Si）和锗（Ge）作为材料的半导体器件。最初的半导体材料产业化工业化兴起于二十世纪五十年代，带动了以集成电路为核心的微电子产业的快速发展，被广泛的应用于消费电子、通信、光伏、军事以及航空航天等多个领域。
由于材料学技术的原因，虽然世界上第一只晶体管是由锗生产出来的，但是到目前为止，硅材料占据了绝对主导地位，目前大多数的半导体器件及集成电路，硅器件占到了全球销售的半导体产品的 95%以上。相比于硅，锗确实因为最外层电子能级较高，具备更好的导电性能。但因此会产生更多不必要的热量，造成器件耗损。同时，硅产品具备更低的价格以及更多的储量。
第二代半导体：无论是第二代还是第三代半导体，都是以化合物的形势存在，即不是纯硅或纯锗等，而是化合物或合金。第二代半导体指的是以砷化镓（GaAs）和锑化铟（InSb）为主的化合物半导体，其主要被用于制作高频、高速以及大功率电子器件，在卫星通讯、移动通讯以及光通讯等领域有较为广泛的应用。
这个时期，材料性能上的改变，使得半导体材料进入光电子领域。砷化镓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。但其缺点是，禁带宽度（决定着器件的耐压和最高工作温度）不够大，且砷有毒。
不过目前作为是第二代半导体材料的代表，砷化镓的存量市场很大，且我国的砷化镓市场依旧处于一个快速增长期。5G时代，砷化镓射频需求主要受益于手机发展，据集邦咨询顾问预测，中国手机砷化镓PA市场将从2019年的18.76亿美元增长到2023年的57.27亿美元，年复合增长率达到19.17%。
第三代半导体：包括了以碳化硅（SiC）、氮化镓（GaN）为代表的宽禁带化合物半导体。第三代半导体的禁带宽度是第一代和第二代半导体禁带宽度的近3倍，具有更强的耐高压、高功率能力，因而更适合于制作高温、高频、抗辐射及大功率器件。
第三代半导体的优势
第三代半导体材料应用可以分为微电子以及光电子领域，具体可以细分为电力电子器件、微波射频、可见光通信、太阳能、半导体照明、紫外光存储、激光显示以及紫外探测器等领域，有望突破传统半导体技术的瓶颈，与第一代、第二代半导体技术互补，对节能减排、产业转型升级、催生新的经济增长点将发挥重要作用。
目前国际上第三代半导体材料及器件已逐步实现了从研发到规模化量产的跨越，并进入产业化快速发展的阶段，并且在新能源汽车、5G通信、物联网等重点领域实现了应用突破。
半导体芯片结构分为衬底、外延和器件结构。从产业链角度看有衬底制作、外延、芯片、器件封装、应用产品制作，衬底是基底，在衬底生长制作外延片，由外延片经芯片制作工艺产生芯片，再由芯片封装制作成器件，在由器件封装成应用产品。衬底制作和外延制作是产业链最上游，技术含量较高；芯片制作为产业链中游；器件及应用产品制作为产业链下游，技术含量较低。
目前，硅片占整个半导体材料市场的35%左右，市场空间约为80亿美元，硅基芯片市场规模高达4000多亿美元。
随着物联网、5G时代的到来，以砷化镓（GaAs）、氮化镓（GaN）、碳化硅（SiC）等为代表的化合物半导体，正快速崛起中。据半导体行业观察的数据，2018年砷化镓、氮化镓与碳化硅的产业销售额分别约为3500亿元、238亿元和64亿元，化合物半导体的市场规模将不断扩大。
根据碳化硅和氮化镓的不同特性，目前行业对其在半导体芯片中的主要应用分别做如下选择：
碳化硅及氮化镓在材料性能上各有优劣，因此在应用领域上各有侧重及互补。由于针对碳化硅材料的研究时间更长，相对技术成熟度更高，其在导热率上具备更多的优势，因此在高功率应用，比如高铁、输变电、新能源汽车以及工业控制等领域占据主要地位。
氮化镓材料的优势在于拥有更高的电子迁移率，因此会比氮化硅和纯硅基有更高的开关速度，在高频率领域具备优势，未来在微波射频领域和数据中心等应用场景具备良好的发展空间。
碳化硅（SiC）市场简析
由于针对碳化硅材料的研究时间更长，相对技术成熟度更高，其在导热率上具备更多的优势，因此在高功率应用，比如高铁、输变电、新能源汽车以及工业控制等领域占据主要地位。
碳化硅是是卫星通讯、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。实际下游应用上，碳化硅的下游应用更偏向1,000V以上的中高压电范围。
碳化硅的下游民用领域为电动汽车、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。（制造MOSFET、IGBT、SBD等器件）。军用领域为喷气发动机、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。
碳化硅热导率高于氮化镓，是后者的大约3倍。因此，相对而言，碳化硅器件的寿命更长，可靠性更高，系统所需的散热系统更小。
对比单一的硅基芯片，碳化硅在电阻、体积以及能耗上均有显著提高：电阻上约为硅基器件的1/100，体积上约为硅基器件的1/10。
在相同的电压和转换频率下，400V电压时，碳化硅MOSFET逆变器的能量损失约为硅基IGBT能量损失的29%-60%之间；800V时，碳化硅MOSFET逆变器的能量损失约为硅基IGBT能量损失的30%-50%之间。
因此，碳化硅MOSFET在未来将会替代硅基IGBT，大大提高电动车的续航里程。
对于EPA城市路况，碳化硅MOSFET相较于硅基IGBT，将节省77%的能量损耗；对于EPA高速路况，碳化硅MOSFET相较于硅基IGBT，节省85%的能量损耗。能量损耗的节省导致车辆续航里程的增加，使用碳化硅MOSFET的电动车比使用硅基IGBT电动车将增加5-10%的续航里程。
不仅主要应用在新能源汽车中的主驱逆变器，碳化硅在新能源汽车产业链中还被广泛应用于DC/DC转换器（转变输入电压后有效输出固定电压）以及充电桩和车载充电设备中。
在新能源发电领域，碳化硅也被较为广泛地应用在光伏和风电之上。根据Yole数据，2018年和2024年碳化硅功率器件市场规模分别约4亿和50亿美元，复合增速约51%，按照该复合增速，2027年碳化硅功率器件市场规模约172亿美元。
从产业链上来看，碳化硅产业链环节分为设备、衬底片、外延片和器件环节。目前最具发展潜力之一的市场是碳化硅衬底材料。
根据Yole统计，碳化硅衬底材料市场规模将从2018年的1.21亿美元增长到2024年的11亿美元，复合增速达44%。按照该复合增速，2027年碳化硅衬底材料市场规模将达到约33亿美元。
目前碳化硅晶片市场主要由美、欧、日主导，中国企业开始崭露头角。据Yole预测，2017-2023年，碳化硅市场的复合年增长率将达到31%，2023年达到约15亿美元市场规模。
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 上半年全球半导体碳化硅晶片市场中，美国CREE出货量占据全球45%，是绝对的龙头企业。其子公司Wolfspeed从事碳化硅、氮化镓等宽禁带半导体衬底、功率器件、射频器件等产品的技术研究与生产制造。CREE占据导电型SiC衬底市场62%的份额，其碳化硅衬底产品包括4英寸至6英寸导电型和半绝缘型，8英寸产品且已成功研发并开始建设生产线。
欧洲企业在碳化硅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%。
整体来看，根据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。
氮化镓（GaN）市场简析
氮化镓由于具有高临界磁场、 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。
不过目前技术水平下，氮化镓单晶生长困难。因为生长速率慢，反应副产物多，生产工艺复杂，大尺寸氮化硅单晶生长困难，目前氮化镓单晶生长尺寸在2英寸和4英寸。
因此第三代半导体目前普遍采用碳化硅作为衬底材料，在高压和高可靠性领域选择碳化硅外延，在高频领域选择氮化镓外延（即碳化硅/氮化镓[Sic-GaN]射频器件）。
氮化镓功率期间通常采用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。相较于硅、碳化硅，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，而氮化镓晶体管的源极、栅极、漏极均在同一个平面，能够克服这样的损耗。
碳化硅基氮化镓射频器件被大量应用在5G宏基站、卫星通信、微波雷达、航空航天、电子对抗等国防军工领域，随着5G建设的逐步展开，氮化镓射频器件市场规模将有较快增长。
根据Yole统计，2018年和2024年氮化镓射频器件市场规模分别约为6亿美元和20亿美元，复合增速为20.76%。
在军事领域，氮化镓基微波功率器用于雷达、电子对抗、导弹和无线通信。
市场机构预计，氮化镓射频军用市场将以22%的CAGR（平均复合年化增长率）增长，总市场价值将在2025年超过11亿美元。
在5G基站领域，氮化镓明显能满足基站对射频前端的高性能要求。
市场咨询机构Yole预计，2022年全球的4G/5G基站市场规模将达到16亿美元，2023年基站领域的氮化镓射频器件市场规模将达到5.21亿美元，渗透率超过85%。
电力电子方面，氮化镓功率器件因其高频高效率的特点而在消费电子充电器、新能源充电桩、数据中心等领域有着较大的应用潜力。氮化镓电力电子器件在消费电子PD快充市场爆发。
据充电头网数据，2020年有10家手机厂推出18款氮化镓快充，小米、联想、OPPO、三星等品牌已经将氮化镓快充作为标配。氮化镓已逐步成为主流快充技术材料，芯片企业纷纷推出相应氮化镓芯片，未来快充技术将从手机产品延伸至笔电等其他消费电子中。根据CASA Research预测，2020年国内PD快充氮化镓电力电子器件市场规模1.5亿元，预计2025年超过40亿元，年复合增速97%，折算晶圆需求约67.4万片。
据CASA初步统计，2020 年我国氮化镓微波射频器件产值规模约66.1亿元，同比增长57%。5G基站建设是影响氮化镓微波射频器件市场规模变化的主要因素，预计2022年我国5G基站建设将达到高峰，带动国内氮化镓微波射频器件市场规模迅速扩张。折算成晶圆来看，我国5G宏基站4英寸氮化镓晶圆总需求量约为40万片，2020年需求量为6.4万片，2022年需求量进一步增长至10万片。若毫米波基站开始部署，其4英寸氮化镓晶圆总需求量约为200-400万片。
氮化镓射频器件在5G基站市场渗透率将逐步提升至70%，预计PA市场规模有望实现5-10 倍的增长需求，整体来看，5G 宏基站、微基站及毫米波基站带来的氮化镓PA市场规模将超过1000亿元。
归纳而言，目前能够进入量产化的氮化镓器件主要有以下3种：
衬底：主流产品以2~3英寸为主，4英寸也已经实现商用。氮化镓衬底主要由日本公司主导，日本住友电工的市场份额达到 90%以上。我国目前已实现产业化的企业包括苏州纳米所的苏州纳维科技公司和北京大学的东莞市中镓半导体科技公司。
外延片：根据衬底的不同主要分为GaN-on-Si、GaN-on-SiC、GaN-on-Sapphire、GaN-on-GaN四种。
GaN-on-Si：目前行业生产良率较低，但是在降低成本方面有着可观的潜力。GaN-on-Si外延片主要用于制造电力电子器件，其技术趋势是优化大尺寸外延技术。
GaN-on-SiC：结合了SiC优异的导热性和的GaN高功率密度和低损耗的能力，是 RF 的合适材料。受限于SiC的衬底，目前尺寸仍然限制在4寸与6寸，8寸还没有推广。GaN-on-SiC外延片主要用于制造微波射频器件。GaN-on-Sapphire主要应用在LED市场，主流尺寸为4英寸，蓝宝石衬底GaN-LED芯片市场占有率达到90%以上。
GaN- on- GaN：采用同质衬底的GaN主要应用市场是蓝/绿光激光器，应用于激光显示、激光存储、激光照明等领域。
器件设计与制造：氮化镓器件分为射频器件和电力电子器件。
射频器件产品：包括PA、LNA、开关器、MMIC等，面向基站卫星、雷达等市场。
电力电子器件产品：包括SBD、常关型 FET、常开型 FET、级联（Cascode）FET 等产品。面向无线充电、电源开关、包络跟踪、逆变器、变流器等市场。
按工艺分，则分为HEMT、HBT射频工艺和SBD、Power FET电力电子器件工艺两大类。
全球及我国的第三代半导体产业链发展现况
从我国的5G（以及后续的6G等新一代通信标准）的基础建设，国防军工和新能源可再生替代能源的发展战略来看，第三代半导体的市场发展空间潜力巨大。但在核心部件上，我国企业目前才起步不久，和发达国家的国际巨头相比，仍有很大的提高空间。
不过，从宏观的产业发展历程来看，目前全球的第三代半导体发展依旧处于早期的产品导入阶段。根据中国电子技术标准化研究院以及Yole数据显示，2019年，第三代半导体碳化硅以及 氮化镓的渗透率合计约为1.77%，预计到 2023 年可以提升至4.75%左右。
就国内市场而言，目前第三代半导体的主要发展应用领域为消费电子、工业以及新能源汽车领域。
消费电子领域中快充为产品打开了新的应用空间；工业领域中，新一代半导体器件可以显著降低开关损耗并提高开关频率，极大提高能量转换效率，达到节能减排的目的；在新能源汽车领域，特斯拉率先在汽车逆变器模组上采用了碳化硅材料，指明了未来产业的发展方向，各大整车厂也开始跟进，推动力第三代半导体器件在汽车领域的发展。
具体来看，我国的第三代半导体市场将不仅仅是纯粹的国产化替代发展路线，而应该是依托新能源、5G 等巨大的市场空间，根据市场做定义产品。
根据第三代半导体产业技术创新战略联盟（CASA）的数据统计，在2019年我国碳化硅和氮化镓下游产业包括电力电子以及微波产值共计达到了64亿元，同比增长了53.07%，近三年的复合增长率高达260%。
新能源汽车领域，因我国拥有全球最大的新能源汽车市场，故而车用功率器件市场的增量明显要比国际（非中国）市场要大。其中，碳化硅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，碳化硅有望提高3%-5%的碳化硅逆变器效率，从而降低电池成本，时间节点大约在2021年左右。根据Cree测算，采用碳化硅可节省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英寸碳化硅。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碳化硅总产能。
5G基站方面，目前的商业化氮化镓射频器件产品主要有三种，其中基站建设是氮化镓射频市场成长的主要动力之一。
数据流量的高速增长使得调制解调难度不断增加，所需的频段越多，对射频前端器件的性能要求也随之加高。据Yole预计，2022年全球4G/5G基站市场规模将达到 16 亿美元，2023 年基站领域氮化镓射频器件的市场规模将达到5.21亿美元，在基站的渗透率超过85%。随着氮化镓技术向更小的工艺尺寸演迚，未来将挑战砷化镓器件、硅基LDMOS器件的主导地位。
军工方面，雷达是第三代半导体（氮化镓）军事应用中的一大动力。随着新的基二 GaN 的有源电子扫描阵列（AESA）雷达系统的实斲，基于氮化镓的军用雷达预计将主导氮化镓军亊市场。据Yole预测，氮化镓射频军用市场将以22%的CAGR增长，其总价值将在2025年超过11 亿美元。
国内企业发展方面，首先关注碳化硅。
上游晶片衬底基本被美国和日本的厂商垄断，国内厂商初具规模。国内碳化硅晶片商山东天岳和天科合达已经能供应2-6英寸的单晶衬底；外延片斱面，厦门瀚天天成与东莞天域可生产2-6英寸碳化硅外延片。
中游器件及模组制造商中，Cree、Rohm、英飞凌、ST 合计占据了超过70%的市场份额，国内企业包括切入碳化硅器件领域的传统功率器件厂商，如闻泰科技、华润微、捷捷微电、扬杰科技、新洁能；碳化硅器件厂商泰科天润等；以及切入碳化硅领域功率半导体企业，如斯达半导和未上市的比亚迪半导体、中车时代半导体；另外，还有第三代半导体全产业链布局的三安光电。
氮化镓方面，目前渗透率较低，国内企业的第三代半导体收入占比不高。
美国 Cree通过收购 Wolfspeed 迚入 (GaN-on-SiC)领域，该业务占收入比重52%。国内企业三安光电2015年募集资金投建30万片/年6寸的砷化镓产线和6万片/年6寸的氮化镓产线，2017起贡献收入，2020年上半年半导体材料占比仅为 11%，主要为二代砷化镓，第三代半导体还处于客户认证阶段。海特高新第二、第三代半导体占收入比重合计12%，氮化镓已实现批量供货。
产业链上游主要为原材料衬底制备，国内企业包括天科合达和山东天岳。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%。
中游为制造环节（外延片→设计→制造/IDM→封测），国内有三安光电、海特高新等少数企业，海外龙头有日本住友、Qorvo、Cree，中国台湾有稳懋、寰宇。
下游为应用环节，氮化镓主要应用二射频、汽车电子和光电领域。
郑重声明：
本文为第三代半导体基本面科普性文章，意在为希望或正在投资二级市场上半导体相关产业链标的的投资者，作脱水研报式的基本面知识普及。文章内容来源，均来自于半导体相关公司官网、科普科学类官网以及部分非券机构和券商的深度研报。仅为知识分享，不作为任何直接投资的依据。
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