2020年第三代半导体材料产业链全景图深度分析

Mark wiens

发布时间:2020-09-16

上周五,在中美摩擦升级、科创板密集发布减持公告等消息影响下,A股全线大跌,创业板指日跌幅高达6.14%,本周市场将会怎么走呢?界面新闻邀请了几位私募投资人士进行解析。 知本金融苏子健:地铁里站着被进去

2020年第三代半导体材料产业链全景图深度分析地铁里站着被进去

9月14日,A股放量回升,第三代半导体板块大涨8.1%,成为两市焦点。

第三代半导体强势反弹,有基金经理认为,随着5G手机出货量的持续增加,5G驱动的换机潮将到来,有望促进相关科技公司的业绩持续释放,当前应遵循“存优去劣”原则布局5G设备、传输网、云计算等科技核心资产。其中,半导体板块作为科技产业的底层支撑,未来有望多点开花。

半导体行业经过近六十年的发展,半导体材料经历了三次明显的换代和发展。第一代半导体材料主要是指硅、锗元素等单质半导体材料;第二代半导体材料主要是指化合物半导体材料,如砷化镓、锑化铟;第三代半导体材料主要分为碳化硅SiC和氮化镓GaN,相比于第一、二代半导体,其具有更高的禁带宽度、高击穿电压、电导率和热导率,在高温、高压、高功率和高频领域将替代前两代半导体材料。

▲资料来源:中商产业研究院整理

半导体材料是半导体产业链上游中的重要组成部分,在集成电路、分立器件等半导体产品生产制造中起到关键性的作用。第三代半导体材料以氮化镓和碳化硅、氧化锌、氧化铝、金刚石等为代表。目前比较成熟的有碳化硅(SiC)、氮化镓(GaN)等。因此本文主要研究碳化硅(SiC)、氮化镓(GaN)两大第三代半导体衬底材料。

其中,碳化硅产业链环节主要有衬底片、外延片和器件环节。从事衬底片的国内厂商主要有露笑科技、三安光电、天科合达、山东天岳等;从事碳化硅外延生长的厂商主要有瀚天天成和东莞天域等;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。尽管碳化硅被更多地作为衬底材料,但国内仍有从事氮化镓单晶生长的企业,主要有苏州纳维、东莞中镓、上海镓特和芯元基等;从事氮化镓外延片的国内厂商主要有三安光电、赛微电子、海陆重工、晶湛半导体、江苏能华、英诺赛科等;从事氮化镓器件的厂商主要有三安光电、闻泰科技、赛微电子、聚灿光电、乾照光电等。

在第三代半导体材料产业链制造以及应用环节上,SiC可以制造高耐压、大功率电力电子器件如MOSFET、IGBT、SBD等,用于智能电网、新能源汽车等行业。与硅元器件相比,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。

▲资料来源:中商产业研究院整理

一、第三代半导体材料产业链之碳化硅

近年来,以碳化硅为代表的第三代半导体材料在禁带宽度、击穿电场强度、饱和电子漂移速率、热导率以及抗辐射等关键参数方面具有显著优势,进一步满足了现代工业对高功率、高电压、高频率的需求。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,具体如下:

▲资料来源:中商产业研究院整理

正是由于碳化硅器件具备的上述优越性能,可以满足电力电子技术对高温、高功率、高压、高频及抗辐射等恶劣工作条件的新要求,从而成为半导体材料领域最具前景的材料之一。

近年来碳化硅晶片作为衬底材料的应用逐步成熟并进入产业化阶段,以碳化硅晶片为衬底,通常使用化学气相沉积(CVD)方法,在晶片上淀积一层单晶形成外延片。其中,在导电型碳化硅衬底上生长碳化硅外延层制得碳化硅外延片,可进一步制成功率器件,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;在半绝缘型碳化硅衬底上生长氮化镓外延层制得碳化硅基氮化镓(GaN-on-SiC)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。

碳化硅晶片经外延生长后主要用于制造功率器件、射频器件等分立器件。可广泛应用于新能源汽车、5G通讯、光伏发电、轨道交通、智能电网、航空航天等现代工业领域,在我国“新基建”的各主要领域中发挥重要作用。

(一)功率器件

碳化硅功率器件被广泛应用于新能源汽车中的主驱逆变器、DC/DC转换器、充电系统中的车载充电机和充电桩等,光伏、风电等领域。受益新能源汽车的放量,碳化硅功率器件市场将快速增长。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。

碳化硅材料市场规模预测

▲资料来源:Cree官网、光大证券

功率器件是电力电子行业的重要基础元器件之一,广泛应用于电力设备的电能转化和电路控制等领域。作为用电装备和系统中的核心,功率器件的作用是实现对电能的处理、转换和控制,管理着全球超过50%的电能资源,广泛用于智能电网、新能源汽车、轨道交通、可再生能源开发、工业电机、数据中心、家用电器、移动电子设备等国家经济与国民生活的方方面面,是工业体系中不可或缺的核心半导体产品。碳化硅功率器件以其优异的耐高压、耐高温、低损耗等性能,能够有效满足电力电子系统的高效率、小型化和轻量化要求,在新能源汽车、光伏发电、轨道交通、智能电网等领域具有明显优势。

▲资料来源:Yole Developmen

1、碳化硅功率器件在电动车领域应用

碳化硅功率器件定位于1KW-500KW之间,工作频率在10KHz-100MHz之间的场景,特别适用于对于能量效率和空间尺寸要求较高的应用,如电动汽车充电机、充电桩、光伏逆变器、高铁、智能电网、工业级电源等领域,可逐渐取代硅基MOSFET和IGBT。

▲资料来源:国泰君安、中商产业研究院整理

2、碳化硅功率器件在光伏领域应用

根据天科合达招股书显示,在光伏发电应用中,基于硅基器件的传统逆变器成本约占系统10%左右,却是系统能量损耗的主要来源之一。使用碳化硅MOSFET或碳化硅MOSFET与碳化硅SBD结合的功率模块的光伏逆变器,转换效率可从96%提升至99%以上,能量损耗降低50%以上,设备循环寿命提升50倍,从而能够缩小系统体积、增加功率密度、延长器件使用寿命、降低生产成本。高效、高功率密度、高可靠和低成本是光伏逆变器的未来发展趋势。在组串式和集中式光伏逆变器中,碳化硅产品预计会逐渐替代硅基器件。

▲数据来源:CASA、中商产业研究院整理

3、碳化硅功率器件在轨道交通应用

轨道交通车辆呈现多样化发展,从运行状态上可分为干线机车、城市轨道车辆、高速列车,其中城市轨道车辆和高速列车是轨道交通未来发展的主要动力。轨道交通车辆中大量应用功率半导体器件,其牵引变流器、辅助变流器、主辅一体变流器、电力电子变压器、电源充电机都有使用碳化硅器件的需求。其中,牵引变流器是机车大功率交流传动系统的核心装备,将碳化硅器件应用于轨道交通牵引变流器,能极大发挥碳化硅器件高温、高频和低损耗特性,提高牵引变流器装置效率,符合轨道交通大容量、轻量化和节能型牵引变流装置的应用需求,提升系统的整体效能。2012年,包含碳化硅SBD的混合碳化硅功率模块在东京地铁银座线37列车辆中商业化应用,实现了列车牵引系统节能效果的明显提升、电动机能量损耗的大幅下降和冷却单元的小型化;2014年,日本小田急电铁新型通勤车辆配备了三菱电机3300V/1500A全碳化硅功率模块逆变器,开关损耗降低55%、体积和重量减少65%,电能损耗降低20%至36%。

▲数据来源:CASA、天科合达招股书

(二)射频器件

微波射频器件是实现信号发送和接收的基础部件,是无线通讯的核心,主要包括射频开关、LNA、功率放大器、滤波器等器件,其中,功率放大器是放大射频信号的器件,直接决定移动终端和基站的无线通信距离、信号质量等关键参数。5G通讯高频、高速、高功率的特点对功率放大器的高频、高速以及功率性能有更高要求。以碳化硅为衬底的氮化镓射频器件同时具备了碳化硅的高导热性能和氮化镓在高频段下大功率射频输出的优势,突破了砷化镓和硅基LDMOS器件的固有缺陷,能够满足5G通讯对高频性能和高功率处理能力的要求,碳化硅基氮化镓射频器件已逐步成为5G功率放大器尤其宏基站功率放大器的主流技术路线。

随着全球5G通讯技术的发展和推广,5G基站建设将为射频器件带来新的增长动力。据Yole Development预测,2025年全球射频器件市场将超过250亿美元,其中射频功率放大器市场规模将从2018年的60亿美元增长到2025年的104亿美元,而氮化镓射频器件在功率放大器中的渗透率将持续提高。随着5G市场对碳化硅基氮化镓器件需求的增长,半绝缘型碳化硅晶片的需求量也将大幅增长。

▲数据来源:Yole Development、天科合达招股书

二、第三代半导体材料产业链之氮化镓

氮化镓作为第三代半导体材料,有更高的禁带宽度,是迄今理论上电光、光电转换效率最高的材料体系,下游应用包括微波射频器件(通信基站等),电力电子器件(电源等),光电器件(LED 照明等)。不过,第三代半导体材料中,受技术与工艺水平限制,氮化镓材料作为衬底实现规模化应用仍面临挑战,其应用主要是以蓝宝石、硅晶片或碳化硅晶片为衬底,通过外延生长氮化镓以制造氮化镓器件。

根据该期刊论文援引Yole的预测,2020年末,GaN射频器件市场规模将达到7.5亿美元,年均复合增长率20%。目前氮化镓器件已应用于5G通信基站射频收发单元、消费类电子快速充电器、电动汽车充电机OBC等领域。

▲资料来源:国泰君安

(一)LED领域

其中LED领域占比达70%。随着LED芯片技术和制程持续更新迭代,LED照明产品的发光效率、技术性能、产品品质、成本经济性不断大幅提升;再加上产业链相关企业和投资不断增多,LED光源制造和配套产业的生产制造技术不断升级,终端产品规模化生产的成本经济性进一步提高,目前LED照明产品已成为家居照明、户外照明、工业照明、商业照明、景观亮化、背光显示等应用领域的主流应用,LED照明产品替代传统照明产品的市场渗透率不断提升,市场需求持续增长。

根据国家半导体照明工程研发及产业联盟(CSA)的统计,中国LED照明产品国内市场渗透率(LED照明产品国内销售数量/照明产品国内总销售数量)由2012年的3.3%快速提升至2018年的70%,远超全球平均水平。

▲数据来源:国家半导体照明工程研发及产业联盟(CSA)、中商产业研究院整理

中国是LED照明产品最大的生产制造国,随着国内LED照明市场渗透率快速攀升至七成以上,LED照明已基本成为照明应用的刚需,国内的LED照明市场规模呈现出较全球平均水平更快的增长势头。根据高工产研LED研究所(GGII)的统计,中国LED照明市场产值规模由2015年的2596亿元增长到2018年的4155亿元,年均复合增长率达到16.97%,增速高于全球平均水平。预计到2021年,中国LED照明市场产值有望达到5900亿元,2019-2021年仍有望能保持超过12%的年均复合增长水平。

▲数据来源:国家半导体照明工程研发及产业联盟(CSA)、中商产业研究院整理

(二)5G基站领域

目前采用氮化镓的微波射频器件主要用于军事领域、4G/5G 通讯基站等,由于涉及军事安全,国外对高性能氮化镓器件实行对华禁运。因此,发展自主氮化镓射频功放产业,有助于打破国外垄断,实现自主可控。2020年8月17日,在“点亮深圳,5G智慧之城”发布会上,深圳市市长陈如桂正式宣布深圳市实现5G独立组网全覆盖,深圳率先进入5G时代。截至8月14日,深圳已建成46480个5G基站,截至7月26日,深圳已建成5G基站4.5万个,提前一个月完成深圳此前8月底前完成4.5个5G基站建设的目标。目前,深圳5G产业规模、5G基站和终端出货量全球第一。

从全国各省市最新公布的5G基站建设计划来看,据不完全统计,此前已有29个省市公布了2020年5G基站建设计划。广东5G大提速,2020年建设6万座5G基站。从广东省政府新闻办举行第49场疫情防控新闻发布会,省工业和信息化厅副厅长杨鹏飞表示,2020年将全面加速5G网络建设,争取年内建设6万座5G基站,全省5G用户数量达到2000万。预计2020年,以5G基站和数据中心为代表的新型信息基础设施投资会超过500亿元。以下是全国各省市2020年5G基站建设计划情况:

▲数据来源:中商产业研究院整理

(三)光伏领域

GaN和SiC器件进入光伏市场,将为小型系统带来更大的竞争优势,主要包括:更低的均化电力成本,提升通过租赁和电力购买协议而销售的电能利润。此外,这些器件还能改善性能和可靠性。据北极星太阳能光伏网援引研究机构Lux Research报告显示,受太阳能模组的下游需求驱动,宽禁带半导体――即碳化硅(SiC)和氮化镓(GaN)将引领太阳能逆变器隔离器市场在2020年达到14亿美元。

近年来,全球光伏新增装机容量规模持续增加。尽管中国受“531光伏新政”影响,2018年和2019年国内的光伏新增装机容量下滑,但得益于印度、墨西哥等新兴光伏市场的快速发展,以及欧洲市场复苏。随着光伏技术提升,光伏发电成本不断降低,未来光伏发电具有广阔的增长空间。光伏支架作为光伏电站的关键设备之一,将随着全球光伏电站新增装机容量的增长而增长。2020年1-2季度全国新增光伏发电装机1152万千瓦。

▲数据来源:国家能源局、中商产业研究院整理

三、第三代半导体材料相关产业概念股名单一览

中商产业研究院特整理第三代半导体材料碳化硅以及氮化镓概念股相关企业名单如下:

▲资料来源:中商产业研究院整理

▲资料来源:中商产业研究院整理

注:以上信息仅供参考,如有遗漏与不足,欢迎指正!

更多资料请参考中商产业研究院发布的《中国第三代半导体材料产业市场前景及投资机会研究报告》,同时中商产业研究院还提供产业大数据、产业情报、产业研究报告、产业规划、园区规划、十四五规划、产业招商引资等服务。

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