请务必阅读最后特别声明与免责条款 www.ykzq.com 1 / 16 证券研究报告 | 策略研究 投资策略研究 【粤开行业深度】第三代半导体上篇：衬底材料迭代，三因素支撑发展 2020年12月28日 投资要点 分析师：陈梦洁 执业编号：S0300520100001 电话：010-64814022 邮箱：chenmengjie@ykzq.com 研究助理：姜楠宇 邮箱：jiangnanyu@ykzq.com 近期报告 《【粤开策略解盘】重磅发声提振市场情绪-1223》2020-12-23 《【粤开策略解盘】军工板块活跃的逻辑-1224》2020-12-24 《【粤开策略】2021年转债市场展望及投资建议》2020-12-25 《【粤开策略解盘】需求政策共振，有色强势领涨-1225》2020-12-25 《【粤开策略大势研判】两会时间确定，跨年行情有何期待》2020-12-27 何为第三代半导体 第三代半导体中的“代”指的是半导体衬底材料的变化，并非指某一代更优。从材料分类看，第三代半导体材料主要有四类，包括（1）SiC ；（2）III 族氮化物（典型代表 GaN）；（3）宽禁带氧化物（典型代表ZnO），用于压力传感器、记忆存储器、柔性电子器件，目前技术和应用不成熟，主要产品有发光二极管、激光、纳米发电机、纳米线晶体管、紫外探测器等；（4）金刚石，用于光电子、生物医学、航空航天、核能等领域的大功率红外激光器探测器，技术和应用还在开发中。目前四类材料中以SiC、GaN两种材料为主，有三大主要下游应用，分别为光电子器件、电力电子器件，和微波射频器件。 1、SiC （1）性能：SiC具备耐高压、耐高温、低能量损耗的特点，是全球最先进的第三代半导体材料，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。以碳化硅为衬底制成的功率器件相比硅基功率器件具有优越的电气性能，高耐压、大功率特性，使其可用于制造 MOSFET、IGBT、SBD 等器件，用于新能源车、智能电网等行业。 （2）产业链：SiC功率器件生产过程主要包括“单晶生产—外延层生产—器件制造”三大步骤，分别对应产业链的“晶圆衬底—外延片—器件和模组”三大环节。SiC器件的主要成本是上游SiC衬底，在SiC器件价值链中占比为50%。 （3）下游应用：SiC的下游应用偏向1000V以上的中高电压范围。根据电阻率的差异，SiC衬底可分为导电型和半绝缘型。在导电型SiC衬底上生长SiC外延层制得SiC外延片，主要应用于制造耐高温、耐高压的功率器件，应用于新能源汽车、光伏发电、轨道交通、智能电网、航空航天等领域，市场规模较大；在半绝缘型SiC衬底上生长GaN外延层制得GaN-on-SiC（碳化硅基氮化镓）外延片，可进一步制成微波射频器件，应用于5G通讯、雷达等领域，随着5G通讯网络的加速建设，市场需求提升较为明显。 （4）市场格局：目前SiC晶片市场主要由美、欧、日主导，中国企业开始崭露头角。2020上半年全球半导体SiC晶片市场中，美国CREE出货量占据全球45%；罗姆子公司SiCrystal占据20%，II-VI占13%；中国企业发展较快，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%。 2、GaN （1）性能：GaN 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。相较于Si、SiC，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GaN晶体管的源极、栅 策略研究 请务必阅读最后特别声明与免责条款 www.ykzq.com 2 / 16 极、漏极均在同一个平面，能够克服这样的损耗。 （2）产业链：GaN产业链包括材料/单晶制备-芯片生产环节-芯片制造-终端应用几大环节。受技术与工艺水平限制，GaN材料作为衬底实现规模化应用仍面临挑战，主要是以蓝宝石、硅晶片或碳化硅晶片为衬底，通过外延生长GaN以制造GaN器件。蓝宝石衬底一般用于制造蓝光LED，通常采用MOCVD法外延生长GaN；SiC衬底一般用于射频器件；Si则用于功率器件居多。 （3）下游应用：GaN的三类下游应用与衬底材料相对应，主要应用于低压高频领域。2000年起以蓝宝石为衬底，2014年出现蓝光LED，主要用于LED领域；射频领域中，以SiC为衬底材料；功率器件中，由于成本敏感，且注重实用和美观，主要以Si衬底为主，2020年快充市场发展。 在军事领域中，GaN基微波功率器用于雷达、电子对抗、导弹和无线通信；在民用和商业领域，主要用于基站、卫星通信、有线电视、手机充电器等小家电，特别是各种快速充电领域。 为何要大力发展第三代半导体 1、下游应用市场广阔且关键 第三代半导体材料的下游应用几乎遍及所有用电领域。第三代半导体的下游应用主要有三大方向：光电子，电力电子，微波射频。新基建之中，除了人工智能之外，都有第三代半导体身影。目前，我国在5G通讯、新能源等新兴产业的技术水平、产业化规模等方面都处于国际优势地位，将促进我国上游半导体行业的持续发展，进一步提高半导体企业在国际市场的影响力。因而我国有第三代半导体的应用市场，可以根据市场定义产品，而不是跟随国际巨头做国产化替代。 我国拥有全球最大的新能源汽车市场，车用功率器件市场增量巨大。据EV Sales，2019年我国新能源汽车销量116万辆，占据全球的54%。SiC MOSFET元件将是大势所趋，SiC有望提高3%-5%的SiC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SiC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。 SiC晶圆生产大厂纷纷布局，也反映出SiC在车用市场发展的巨大潜力。在半导体产业中，由于制造端设备成本最高，厂商必须考虑资本投入后的成本回收，因此如果没有看到终端需求有维持5年以上潜力，业者一般不会贸然扩产。大厂纷纷扩产，证明了对SiC晶圆的看好。 2、与国际巨头的代差小 第三代半导体行业目前整体处于产业化起步阶段，相较于第一代、第二代半导体尚处于发展初期，国内和国际巨头基本处于同一起跑线。国际大厂起步早，还不断加速在SiC领域的布局，一方面将推动碳化硅材料的市场渗透率加速，另一方面也加速抢占碳化硅晶片市场份额。对此，我国迫切需要加快发展步伐，但国内本土SiC厂家与国外同行相比，虽然仍有一定差距，但仍有希望能够迎头赶上。 3、难度相对较低 qRnOtRnQoNqQuNoQxPpRoO8OcM9PtRnNoMrReRqRoMiNsQyQ6MmNyRuOtQtRwMoPrR 策略研究 请务必阅读最后特别声明与免责条款 www.ykzq.com 3 / 16 第三代半导体核心难点在材料制备，其他环节可实现国产化程度非常高，加持国家在政策和资金方面大力支持，行业技术追赶速度更快、门槛准入较低、国产化程度更高，中长期给国内功率半导体企业、衬底材料供应商带来更多发展空间确定性更强。且对设备要求相对较低，投资额小，国内可以有很多玩家。在资本的推动下，可以全国遍地开花，最终走出几家第三代半导体公司的概率较大。 风险提示：政策支持不及预期、下游需求不及预期 策略研究 请务必阅读最后特别声明与免责条款 www.ykzq.com 4 / 16 目 录 一、何为第三代半导体 ......................................................................................................................................... 5 （一）“代”指衬底材料的变化 ........................................................................................................................ 5 （二）SiC .................................................................................................................................................... 7 1、SiC性能 ............................................................................................................................................... 7 2、SiC产业链 ............................................................................................................................................ 7 3、市场格局 ............................................................................................................................................... 8 4、应用领域 ............................................................................................................................................... 9 （三）GaN................................................................................................................................................... 9 1、GaN性能 .............................................................................................................................................. 9 2、GaN产业链 ........................................................................................................................................ 10 3、GaN应用 ............................................................................................................................................ 10 二、为何要大力发展第三代半导体 .......................................................................................................................11 （一）下游应用市场广阔且关键 ...................