证券投资咨询业务资格证书 编号:ZX0054

第三代半导体:国产替代核心赛道

投资策略    2021-07-06   山东神光   蔡荣妹    A0430612120001   
0

一、什么是第三代半导体?
第三代半导体,主要指以碳化硅(SiC)、氮化镓(GaN)、氧化锌(ZnO)、金刚石、氮化铝(AlN)为代表的宽禁带半导体材料,其中氮化镓(GaN)和碳化硅(SiC)半导体材料是5G时代的标配,目前较为成熟,是后摩尔时代提升集成电路性能的重要途径,主要应用在三大领域,分别是光电子器件,如半导体照明、激光器等;射频电子器件,如5G通信基站、雷达等;功率电子器件,如新能源汽车、快充、光伏、风电、特高压电网等,是支撑信息、能源、交通、国防等产业发展的重点新材料。如下图所示:

 

与第一代半导体材料主硅(Si)、锗元素(Ge)和第二代半导体材料砷化镓(GaAs)、磷化铟(InP)相比,第三代半导体材料具有耐高压、耐高温、大功率、抗辐射、导电性能强、工作速度快、工作损耗低的性能优势,更适合于制作高温、高频、抗辐射及大功率器件,通常又被称为宽禁带半导体材料,或称为高温半导体材料。在宽带通讯、太阳能、汽车制造、半导体照明、智能电网等众多战略行业可以降低50%以上的能量损失,最高可以使装备体积减小75%以上,对人类科技发展具有里程碑的意义。

 

二、发展第三代半导体的重要意义
1、国产替代需求迫切
近年美国对我国半导体持续打压,加速实现产业链的国产替代是我国半导体产业升级的必经之路。截止2020年最新数据,中国芯片进口总额高达3800亿美元,占国内商品进口总额的18%,依然是对外依赖度较高的“卡脖子”领域。同时第三代半导体是未来各国抢占电动车、新能源、国防等不能忽视的关键技术,谁在这个领域领先,谁就能胜出。第三代半导体材料及应用近年开始进入爆发式增长期,将深刻改变全球半导体产业格局,美、日、欧、韩高度重视,都纷纷出台计划部署抢占战略制高点,中国发展第三代半导体材料及应用刻不容缓。《中国制造2025》提出,到2025年,先进半导体材料实现在5G通信、高效能源管理中的国产化率达到50%;在新能源汽车、消费电子中实现规模应用,在通用照明市场渗透率达到80%以上。在美国持续升级对我国半导体产业技术封锁的大环境中,第三代半导体有望成为我国半导体产业突围先锋,因此无论从科技还是经济的角度,第三代半导体产业有着重大战略意义。

 

2、技术上有望弯道超车
在第一代和第二代半导体材料的发展上,中国由于起步时间远远落后,导致在材料供应上受制于人。但在第三代半导体材料领域,国内厂商起步与国外厂商相差不多,且第三代半导体难点不在设备、不在逻辑电路设计,而在于工艺。对设备要求相对较低,投资额小,国产替代空间巨大。在资本的推动下,可以全国遍地开花,最终走出来几家第三代半导体公司的概率很大。比如碳化硅(SiC)方面,美国Cree、II-VI分别占据62%、16%的全球市场份额,行业前两名市占率合计达78%。目前SiC衬底技术相对简单,国内山东天岳主要产品是4英寸半绝缘型SiC衬底,天科合达在全球属于第二梯队(第四名),其SiC晶片产品主要以4英寸为主,部分产品已经和Cree匹敌,并逐步向6英寸和8英寸过渡。氮化镓(GaN)方面,住友电工在GaN衬底领域市场份额超过90%,外延片企业包括IQE、COMAT等,GaN制造环节代表性企业包括稳懋、富士通和台积电。国内企业目前可以小批量生产2英寸衬底,具备了4英寸衬底生产能力,并开发出6英寸样品,三安集成已推出高可靠性、高功率密度的硅基GaN功率器件。在“十四五”等国家政策的密集推动下,国内厂商有望实现打破封锁,实现技术弯道超车。

 

三、第三代半导体前景分析
从国家战略角度来看,以碳化硅、氮化镓为主的第三代半导体材料,主要用于军事雷达、导弹、卫星通信、新能源等领域,事关我国科技发展命脉。目前全球在这个材料领域还没有任何一个国家占主导地位。从应用领域上看,第三代半导体是未来科技发展的必争之地,行业前景较为广阔。在这方面,国家政策也在持续加码。2021年在《中华人民共和国国民经济和社会发展第十四个五年规划和2035年远景目标纲要》中特别提出碳化硅(SiC)和氮化镓(GaN)等第三代半导体作为科技前沿领域攻关项目。2021年5月14日,国家科技体制改革和创新体系建设领导小组第十八次会议,专题讨论了面向后摩尔时代的集成电路潜在颠覆性技术,而第三代半导体技术就是重要的后摩尔时代的集成电路潜在颠覆性技术之一。另外6月彭博社报道称中国政府将指派中国副总理刘鹤将主持第三代半导体发展的推进工作,并负责制定相关的政策,称要投入一千亿美元进入第三代半导体赛道,来抵抗美国对芯片领域的封锁。以上这些都体现了国家对第三代半导体行业的重视度,说明已上升至国家战略层面,一个由国家意志推动的行业必定拥有巨大的发展空间。

 

从市场需求来看,中国是全球最大的半导体消费市场,自给率却不足20%。根据规划,中国计划在2025年前实现自给率70%,光从这一点来看拥有很大的国产替代空间。另外随着5G、物联网、数据中心、新能源汽车等新兴应用市场出现,硅基半导体已经无法完全满足需求,而第三代半导体出现可以解决这些问题,这样必然会导致第三代半导体需求端的扩大。就拿碳中和来说,未来到2026年的长期趋势,主要带动清洁发电、新能源汽车等领域快速增长,其中比较大的行业趋势是汽车电动化,是几百万亿级的投资市场。目前电动汽车行业刚刚起步,预计到2045年成长到饱和期。众所周知去年芯片缺货造成多家厂商停工,影响全球万亿级汽车产业链,迫使欧洲、美国政府出面协调产能,加大各国半导体投入。由于传统汽车功率器件只占21%,电动汽车功率器件占比55%。而未来碳化硅和氮化镓会在功率器件里市场占有率比较大,这些都会带动第三代半导体行业景气度上升。

 

从市场规模来看,碳化硅爆发力来自电动汽车,特斯拉已有三款车型采用SiC技术。自特斯拉Model3采用SiC逆变器后,全球车企纷纷效仿,包括通用、丰田等众多车企都已采用。行业相关各大厂商都已经重视研发投入,立图争夺赛道领导权。根据TrendForce集邦咨询方面最新预测,电动汽车对半导体需求会有远超26%的复合增长率,到2024年SiC功率半导体市场规模将增长至20亿美元,其中,汽车市场占SiC功率半导体市场比重到2024年预计将达50%。国内近年对这一块的投资也开始爆发,数据显示:国内2018年2个项目,2019年12个,2020年18个,投资从50亿到200亿到465亿,产业吸引巨大资金和资源,未来就有可能会走出世界级功率器件公司。同时氮化镓的需求也是刚刚爆发,特别是去年小米推出65瓦氮化镓快充带动氮化镓上量后,手机快充发展速度很快。氮化镓相对碳化硅价格更低,爆发力也很大,在未来无线充电、激光雷达供电都有可能应用,市场规模从2020年4600万美元,预测到2026年超过11个亿。目前的预测偏保守,一旦真正进入普及应用市场空间也会非常广阔。

 

四、第三代半导体产业链解析
产业链介绍

第三代半导体产业链与一般半导体产业链模式相类似,一般分为上游(衬底晶片)、中游(外延生长、设计、制造以及封测)、下游(应用),同样也存在IDM模式,实现了设计制造的一体化。如下图所示:

 

碳化硅(SiC)产业链环节主要有衬底片、外延片和器件环节,常被用于功率器件,适用于600V下的高压场景,广泛应用于光伏、风电、轨道交通、新能源汽车、充电桩等电力电子领域。


从碳化硅产业链公司来看,美国在碳化硅(SiC)晶片领域全球独大,2018年美国占有全球碳化硅晶片产量的70%以上,仅CREE公司就占据一半以上市场份额,剩余份额大部分被日本和欧洲的其他碳化硅企业占据。目前国内长晶炉效率不到Cree的五分之一,国内公司有天科合达和山东天岳,6寸衬底开始规模化生产或者开始建设产线。外延片市场主要被IDM公司主导,如三菱、英飞凌和意法半导体。在国内纯粹做外延片的有瀚天天成和东莞天域,均可供应4-6英寸外延片,中电科13所、55所都有内部供应的外延片生产部门。器件方面,意法半导体、安森美、英飞凌和罗姆都是重要供应商,国内从事碳化硅功率器件的厂商较多,包括华润微、扬杰科技、泰科天润、绿能芯创、上海詹芯等。

 

氮化镓(GaN)产业链与碳化硅产业链环节无较大差别,同样分为衬底、外延片和器件环节,侧重高频性能,广泛应用于基站、雷达、工业、消费电子领域。


从氮化镓产业链公司来看,GaN衬底市场主要由日本住友电工、三菱化学以及新越化学主导,其市场份额占到90%以上,可以成熟提供4英寸以及6英寸GaN衬底,国内厂商包括苏州纳维以及东莞中镓,目前已经实现2英寸氮化镓衬底产品量产,对于4英寸氮化镓仍处于研发及试生产阶段,与国际领先厂商技术还存在一定差距。

 

GaN主流的外延片供应商包括日本NTTAT,其可以提供用于大功率集成电路及高频率通信领域的高品质氮化镓外延片,比利时公司Epi GaN可提供4、6英寸氮化镓外延晶圆。国内厂商包括晶湛半导体、苏州能华以及华功半导体等。从事GaN芯片设计厂商包括EPC、GaN Sys以及Navitas等公司,为设计公司提供晶圆代工的厂商包括稳懋、TSMC、富士通、世界先进、Cree等,国内海威华芯、三安集成等新兴代工厂也具备GaN晶圆代工能力。如下图所示:

95105699


神光官方微信

神光新浪微博
Copyright 1998-2021 山东神光咨询服务有限责任公司 .All Rights Reserved.
投资有风险,入市需谨慎!
鲁ICP备09086612号