第三代半导体行业报告（二）：产业链解析：碳化硅东风在即，产业链爆发拐点将至

证券研究报告 碳化硅东风在即，产业链爆发拐点将至 ——第三代半导体行业报告（二）：产业链解析 分析师：胡杨(S0010521090001) 联系人：高力洋（S0010122070006） 2022年10月9日 华安证券研究所 证券研究报告2 华安研究•拓展投资价值 核心观点： 衬底材料改变标志着半导体更新换代。第三代半导体材料为氮化镓GaN、碳化硅SiC、氧化锌ZnO、金刚石C等，其中碳化硅SiC、氮化镓GaN为主要代表。在 禁带宽度、介电常数、导热率及最高工作温度等方面碳化硅SiC、氮化镓GaN性能更为出色，在5G通信、新能源汽车、光伏等领域头部企业逐步使用第三代半导体，待成本下降有望实现全面替代。 从产业链角度分析，碳化硅行业主要可分为衬底、外延和器件三个重点环节。其中，衬底在产业链中价值量占比最高，接近50%，国内外市场主要由WolfSpeed、II-VI、山东天岳等SiC衬底制造厂商占据。外延价值量占比23%，国内市场领先企业包括东莞天域和瀚天天成等SiC外延制造厂，国外市场外延环节主要被衬底及IDM厂商包揽。器件价值量占比22%，国内外市场主要由布局SiC器件的传统功率半导体龙头厂商占据。 衬底：制备成本高短期制约SiC规模化发展，大尺寸化加速降本，行业爆发拐点将至。根据后续生长外延层的不同，SiC衬底可以分为半绝缘型衬底（SiC衬底 +GaN外延），主要应用于5G通信、卫星等高频需求领域，以及导电型衬底（SiC衬底+SiC外延），主要应用于新能源汽车、光伏发电等高压需求领域。据Yole数据，2020-2025年全球半绝缘型+导电型衬底市场规模CAGR有望超过30%以上。然而因SiC衬底面临长晶速度慢、良率低等问题，导致衬底制备成本过高，制约了行业规模化发展。目前，国内外企业在加速技术提升的同时，逐步将SiC晶圆由6寸向8寸发展，大尺寸化将加速降本，行业有望迎来爆发拐点。 外延：外延技术关乎最终器件性能，高压领域技术亟待突破。外延环节最为重要的参数为厚度及掺杂浓度，主要取决于设计时电压等级的不同。目前，在中低压领域，外延技术已经相对成熟，主要应用于消费、汽车电子、新能源发电等领域，而高压领域，SiC产品拥有更强的竞争力，但目前技术仍处于研发阶段。 器件：SiC器件性能优势明显，国内外企业群雄并起。与硅基MOSFET、IGBT相比，SiCMOSFET在开关效率、损耗、尺寸、频率、体积等指标上都更具有优势。相同规格SiCMOSFET和SiMOSFET相比，体积甚至能够缩小1/10，导通电阻缩至1/200，相同规格SiC-MOSFET和Si-IGBT相比，能量损失小于1/4。在SiC产品性能占据全面优势的背景下，以国内外传统功率大厂为主的各家企业均开始加速布局SiC产品，国内外市场将迎来群雄并起的市场格局。目前，虽然国外企业在技术、产能等方面具有先发优势，但SiC行业发展历史相对较短，国内外差距相对较小，在需求高涨的背景下，国内企业有望加速实现国产替代。 投资建议：海外龙头企业具备先发优势，在产品及产能方面短期领先于国内。但整体来看，SiC产业发展历史相对较短，国内企业有望实现弯道超车，建议关注各环节技术领先的龙头企业，包括衬底环节：天岳先进、露笑科技、天科合达（未上市）；外延环节：东莞天域（未上市）、瀚天天成（未上市）、器件环节：斯达半导、时代电气、新洁能、华润微、士兰微、扬杰科技、闻泰科技、捷捷微电。 风险提示（1）新能源汽车销量及SiC渗透率不及预期（2）SiC国产化进度不及预期；（3）政策支持有所减弱 华安证券研究所 01/碳化硅产业链： 目录 CONTENTS 乘风新能源市场，百亿赛道加速崛起 02/衬底： 产业链价值占比最高，规模化关键一环 03/外延： 产业链中间环节，直接关乎最终器件性能 04/器件 性能优势突显，国内外企业群雄并起 05/附录：国内碳化硅产能汇总 PART01 1 碳化硅总览： 乘风新能源市场，百亿赛道加速崛起 1.1第三代半导体简介：衬底材料升级引领半导体新时代 华安研究•拓展投资价值 第三代半导体材料碳化硅、氮化镓引领行业升级。半导体产业的基石是芯片，制作芯片的核心材料按照历史进程分为：第一代半导体材料（大部分为目前广泛使用的高纯度硅），第二代化合物半导体材料（砷化镓、磷化铟），第三代化合物半导体材料以碳化硅和氮化镓为代表。 第三代半导体物理性能相对更出色，有望实现各个领域全面替代。在禁带宽度、介电常数、导热率及最高工作温度等方面碳化硅、氮化镓性能更为出色，在5G通信、新能源汽车、光伏等领域，头部企业逐步使用第三代半导体。在高压、高频、高温领域以碳化硅和氮化镓为代表的第三代半导体衬底材料市场规模有望迎来快速发展机遇，待成本下降有望实现全面替代。 图表：第三代半导体简介（按材料分类） 图表：各代半导体物理性能对比 半导体材料 第一代 第二代 第三代 代表材料 硅（Si）、锗（Ge） 砷化镓（GaAs） 碳化硅（SiC）、氮化镓（GaN） 材料性质 间接带隙，带隙宽度较窄，饱和电子迁移率较低 直接带隙，电子迁移率约是硅的6倍，砷化镓材料有毒性 禁带宽度大、击穿电场高、热导率高、电子饱和速率高、抗辐射能力强 特点 主要应用于低压、低频、低功率的晶体管和探测器中 相对硅基器件具有高频、高速的光电性能 适用于高电压、高频率场景，能在更高的温度下稳定运行，电能消耗更少 应用领域 集成电路 光电子和微电子领域，半导体发光二极管和通信器件 功率器件、通信等 项目 Si GaAs SiC GaN 材料代际 第一代 第二代 第三代 禁带宽度（eV 1.12 1.43 3.3 3.4 饱和电子漂移速率（cm/s） 1.0*10^7 1.0*10^7 2.0*10^7 2.5*10^7 热导率 （W/(cm·K） 1.5 0.54 4 1.3 击穿电场强度 （MV/cm） 0.3 0.4 3.5 3.3 最高工作温度 （℃） 175 350 600 600 1.2应用领域：新能源行业为碳化硅主要应用领域 华安研究•拓展投资价值 SiC主要应用于白色家电、电动汽车及工业应用领域。在白色家电中主要应用于家电/个人电脑、不间断电源等；在电动汽车领域主要应用于DC/AC逆变器、DC/DC转换器等；在工业领域中主要应用于电力配送、铁路运输、光伏产业、电机控制、风电涡轮机等。 图表：半导体材料演化历史图表：SiC应用领域 华安研究•拓展投资价值 1.3市场规模：2027年全球SiC功率市场规模有望突破62亿美元，三代半导体渗透率逐年提升 2027年全球SiC功率半导体市场规模有望突破60亿美元。根据Yole，2027年全球SiC功率半导体市场规模由2021年的10.90亿美元增至62.97亿美元，2021-2027年每年以34%年均复合增长率快速增长。汽车应用主导SiC市场，占整个功率SiC器件市场的75%以上。 第三代半导体材料渗透率逐年提升，2023年有望接近5%。根据Yole，Si仍是半导体材料主流，占比95%。第三代半导体渗透率逐年上升，SiC渗透率在2023年有望达到3.75%，GaN渗透率在2023年达到1.0%，第三代半导体渗透率总计4.75%。 图表：全球SiC功率半导体市场规模预测（单位：百万美元） 图表：2017-2023年全球主要半导体材料渗透率及预测 100% 99% 98% 97% 96% 95% 94% 93% 92% SiSiCGaN 20172018201920202021E2022E2023E 1.3国内市场快速增长，电力电子应用规模增长90% 华安研究•拓展投资价值 2020年我国第三代半导体产业电子电力和射频电子总产值超过100亿元，较2019年同比增长69.5%。随着5G、新能源汽车等市场发展，第三代半导体的需求规模保持高速增长。同时，中美贸易摩擦影响给国产第三代半导体材料带来了发展良机。2020年在国内大半导体产业增长乏力的大背景下，我国第三代半导体产业实现逆势增长。 2020年，SiC、GaN电力电子器件应用市场规模为46.8亿元，同比增长90%。2017-2020年，中国SiC、GaN电力电子器件应用市场快速增长。2020年，我国半导体分立器件的市场规模约3002.6亿元，SiC、GaN电力电子器件的应用渗透率约为1.56%。 图表：2016-2020中国SiC、GaN电子电力和GaN微波射频总产值（亿元） 图表：2017-2020中国SiC、GaN电子电力器件应用市场规模（亿元） 50 120 10040 8030 60 40 20 0 201620172018 2019 2020 20 10 0 2017 2018 2019 2020 1.4政策：大力支持，深入布局 陆续出台相关政策，第三代半导体蓬勃发展。国家持续出台相关政策支持第三代半导体发展，2016年7月，国务院《关于印发“十三五”国家科技创新规划的通知》明确发展第三代半导体芯片；2019年11月工信部将第三代半导体产品写入《重点新材料首批次应用示范指导目录》，2019年12月，在《长江三角洲区域一体化发展规划纲要》中明确要求加快培育布局第三代半导体产业，推动制造业高质量发展；2020年7月为鼓励企业积极发展集成电路，国家减免相关企业税收；2021年3月，十四五规划中特别提出第三代半导体要取得发展；2021年8月，工信部将第三代半导体纳入“十四五”产业科技创新相关发展规划。 日期 相关活动及政策 2021.08 8月14日，工信部宣布将SiC（SiC）复合材料、碳基复合材料等纳入“十四五”产业科技创新相关发展规划 2021.05 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召开，会上讨论了面向后摩尔时代的集成电路潜在颠覆性技术 2021.03 新华网刊登了《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》，其中“集成电路”领域，特别提出SiC、氮化镓等宽禁带半导体即第三代半导体要取得发展。 2020.07 国务院发文《新时期促进集成电路产业和软件产业高质量发展的若干政策》中指出，国家鼓励集成电路企业，自获利年度起，第一年至第二年免征企业所得税，第三年至第五年按照25%的法定税率或减半征收企业所得税 2019.12 国务院在《长江三角洲区域一体化发展规划纲要》中明确要求加快培育布局第三代半导体产业，推动制造业高质量发展 2019.11 工信部印发《重点新材料首批次应用示范指导目录》，其中GaN单晶衬底、功率器件用GaN外延片、SiC外延片，SiC单晶衬底等第三代半导体产品进入目录 2019.06 商务部及发改委在鼓励外商投资名单中增加了支持引进SiC超细粉体外商企业 2016.07 国务院推出了《关于印发“十三五”国家科技创新规划的通知》，其中首次提到要加快第三代半导体芯片技术与器件的研发 图表：国内第三代半导体相关政策 华安研究•拓展投资价值 1.5产业链：主要包括衬底、外延、器件、封测等环节 华安研究•拓展投资价值 SiC产业链主要包括衬底、外延、器件制造、封测等环节。碳化硅器件不可直接制作于衬底上，需先使用化学气相沉积法在衬底表面生成所需薄膜材料，即形成外延片，再进一步制成器件。 资料来源：华安证券研究所梳理 华安证券研究所 1.5全球产业链：美国、日本企业布局领先，国内企业加速追赶 华安研究•拓展投资价值 SiC产业链美国、日本等国家地区占据先发优势。通过在半绝缘型碳化硅衬底上生长氮化镓外延层适用于高频、高温工作环境，主要应用于5G通信、卫星领域；在导电型碳化硅衬底上生长碳化硅外延层，适用于高温、高压工作环境，主要应用于新能源汽车、光伏发电领域。从全球产业链来看，美国、日本及欧洲等国家及地区SiC布局相对较早，技术较为领先，国内企业仍处于加速追赶的位置。 衬底外延器件应用 SiC衬底 半绝缘型导电型 GaN外延