智研产业百科——第三代半导体（附行业现状、发展历程、产业链知识图谱分析）

一、综述 第一代半导体材料是指硅、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；第三代半导体材料是宽禁带半导体材料，其中最为重要的就是SiC和GaN。 和传统半导体材料相比，更宽的禁带宽度允许材料在更高的温度、更强的电压与更快的开关频率下运行。SiC具有高临界磁场、高电子饱和速度与极高热导率等特点，使得其器件适用于高频高温的应用场景，相较于硅器件，可以显著降低开关损耗。因此，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。 二、行业政策 近年来，为了推动半导体行业尤其是第三代半导体产业健康快速发展，国家相关部门不断加大扶持力度。2019年10月，备受关注的《产业结构调整目录》出台，将第三代半导体作为第一类鼓励类的的重点领域之一。纲要提出要突破大功率电力电子器件、高温超导材料等关键元器件和材料的制造及应用技术，形成产业化能力。在“十四五规划”，加强与整机产业的联动，以市场促进器件开发、以设计带动制造；建设国家级半导体功率器件研发中心，实现从“材料-器件-晶圆-封装-应用”全产业链的研究开发促进SiC和GaN等第三代半导体的应用。 三、行业壁垒 1、技术壁垒 第三代半导体的研发生产过程涉及微电子、半导体物理、材料学、电子线路、机械力学、热力学等诸多学科，需多种学科的交叉融合，行业内企业需要综合掌握外延、微细加工、封装测试等多领域技术或工艺，并加以整合集成。因此，第三代半导体行业属于技术密集型行业，技术门槛较高。下游产品呈现多功能化、低能耗、体积轻薄等发展趋势以及新技术、新应用领域的大量涌现，对第三代半导体的研发生产提出了非常高的技术要求。行业内企业需要拥有丰厚的技术、工艺经验储备并持续技术革新和创新，而且能够在短期内成功开发出多品类、适宜量产的产品，才能在市场上站稳脚步。新进企业很难在短时间内掌握先进技术，亦难以持续保持技术的先进性，这些均构成了较高的技术壁垒。 2、人才壁垒 第三代半导体行业是技术密集型行业，行业的高技术门槛同时也造就了该行业的高人才门槛，企业的高素质的经营管理团队和具备持续创新力的研发团队的实力决定了企业的核心竞争力。虽然国内半导体的研究人员较多，但相当一部分人员往往缺乏对半第三代半导体尤其是先进产品的长期实践和经验积累，缺乏成功的实战开发经验，从理论研究到实践操作仍有很大的跨度。而且，行业内企业在产品技术升级、新产品推出、产品的售后服务上，对生产技术工人、研发技术人才和专业的营销人才有一定的依赖性，新进入企业很难在短时间内招募到足够的上述人才，这会对公司的生产效率、产品成本、交货期等产生重大不利影响。因此，第三代半导体行业需要既懂芯片设计同时又懂生产制造工艺、器件可靠性及应用的高素质人才，这在很大程度上也提高了该行业企业的准入门槛。 3、资金壁垒 第三代半导体行业亦属于资本密集型行业。从行业投入设备看，外延、光刻、蚀刻、离子注入、扩散等工序所必须的高技术研发、生产加工和测试设备主要依靠向欧美、日韩等进口，价格昂贵。从研发设计看，行业内企业从购买仿真软件和版图绘制软件到光刻版制作、成品封装测试、应用评估、可靠性考核都需要大量资金支持。从日常运营看，行业内企业一方面需要庞大的流动资金来用于芯片代工及芯片封装测试；另一方面，需要有非常齐全的产品品类来满足下游各领域的需求，保持足够的市场占有率和品牌影响力，这就要求企业保持较高的营运资金水平。另外，行业技术更新换代快，产品竞争激烈，对企业的研发投入和人才投入等也有较高的要求。综上，如果行业内新进企业没有持续性高水平的资金投入，将很难与第三代半导体行业内的现有企业进行竞争。。 4、质量管控壁垒 第三代半导体作为内嵌于电子整机产品中的关键零部件之一，在电流、电场、湿度以及温度等外界应力激活的影响下，存在潜在的失效风险，进而影响电子整机产品的质量和性能。如果电子整机产品质量和性能未达到要求，将直接影响下游应用领域中高价值产品的质量和性能，从而造成大量损失。 因此，在第三代半导体大批量生产过程当中，对产品良率、失效率及一致性水平等方面提出了较高要求。实现精益化生产、拥有先进的生产设备、精细的现场管理以及长期的技术经验沉积是行业内企业确保产品质量、性能和可靠性的基本保障。行业新进入者由于缺少长期的生产实践经验积累以及成熟的质量管理体系，短期内较难达到相关质量控制要求。 5、客户认证壁垒 第三代半导体很大程度上影响下游产品的质量和性能，因此通过客户严格的认证是进入本行业开展竞争的必要条件。第三代半导体作为电子信息产业中的一种基础性元器件，最终应用于规模化的下游厂商，包括消费电子、汽车电子、工业电子等。为了保证产品品质及性能的稳定性，下游客户通常对供应商有较严格的认证条件，要求供应商除了具备行业内较领先的技术、产品、服务以及稳定的量产能力外，还须通过行业内质量管理体系认证或下游客户严格的采购认证程序，一旦通过则能与客户建立起长期、稳定的合作关系。行业新进入者通过下游客户的认证需要一定的周期以及较高的条件，这对新进入者形成了较高的壁垒。。 四、产业链 第三代半导体主要包括单晶衬底、外延层生长、器件设计、制造。目前行业龙头企业以IDM模式为主，产业链上为游原材料供应，中游第三代半导体制造和下游第三代半导体器件环节。上游原材料包括衬底和外延片；中游包括第三代版奥体设计、晶圆制造和封装测试；下游为第三代半导体器件应用，包括微波射频器件、电力电子器件和光电子器件等。 五、行业现状 近年来，我国信息技术得到迅猛发展，半导体作为其中的关键器件起着重要的作用。政策方面国家出台了一系列相关政策旨在大力提升先进计算、新型智能终端、超高清视频、网络安全等数字优势产业竞争力，积极推进光电子、高端软件等核心基础产业创新突破，这大大提高了对半导体的需求，同时外部环境美国在芯片方面的制裁促使国家对芯片半导体的重视。种种原因使得中国半导体市场规模增长迅速，2022年中国第三代半导体市场规模达到111.79亿元，同比增长39.2%，2018年到2022年复合增长率为43%，增长速度惊人。其中2022年氮化镓（GaN）半导体市场规模达到62.58亿元，碳化硅（SiC）半导体市场规模达到43.45亿元，其他化合物半导体为5.76亿元。 六、发展因素 1、有利因素 （1）国家政策大力扶持为中国半导体行业创造良好的发展环境 半导体行业的发展程度是国家科技实力的重要体现，是信息化社会的支柱产业之一，更对国家安全有着举足轻重的战略意义。发展我国半导体相关产业，是我国成为世界制造强国的必由之路。近年来，国家各部门相继推出了一系列优惠政策、鼓励和支持集成电路行业发展。随着《国家集成电路产业发展推进纲要》、《新时期促进集成电路产业和软件产业高质量发展若干政策》、《数字中国建设整体布局规划》等的落实、“十四五”规划纲要的实施、国家“供给侧改革”的推进，以及5G、6G网络建设和新能源汽车发展进度加快，我国第三代半导体行业迎来良好的发展环境。 （2）半导体产业重心转移带来国产替代巨大机遇 目前，中国拥有全球最大且增速最快的半导体消费市场。巨大的下游市场配合积极的国家产业政策与活跃的社会资本，正在全方位、多角度地支持国内半导体行业发展。我国光伏、显示面板、LED等高新技术行业经过多年已达到领先水平，也大力拉动了上游的功率半导体、显示驱动芯片、LED驱动芯片等集成电路的国产化进程。随着半导体产业链相关技术的不断突破，加之我国在物联网、人工智能、新能源汽车等下游市场走在世界前列，有望在更多细分市场实现国产替代。 （3）新兴科技产业的发展孕育新的市场机会 随着物联网、5G通信、人工智能等新技术的不断成熟，消费电子、工业控制、汽车电子等半导体主要下游制造行业的产业升级进程加快。下游市场的革新升级强劲带动了半导体企业的规模增长。 如在汽车电子领域，相比于传统汽车，新能源汽车需要用到更多传感器与制动集成电路，新能源汽车单车半导体价值将达到传统汽车的两倍，同时功率半导体用量比例也从20%提升到近50%。新兴科技产业将成为行业新的市场推动力，并且随着国内企业技术研发实力的不断增强，国内半导体行业将会出现发展的新契机。 2、不利因素 （1）我国半导体企业的国际竞争力有待提升 国际领先的半导体企业均经历了较长时期的发展，积累了丰富的技术及经营经验。我国半导体企业尚处于快速成长的阶段，与国外半导体企业在技术水平等方面仍然存在一定的差距。目前，我国半导体行业中存在部分高端市场仍由国际企业占据主导地位。因此，国内企业未来仍需持续在研发投入大量的资源追赶国际领先水平，不断提高企业竞争实力，以应对国际半导体企业的激烈竞争。 （2）高端人才储备相对不足 半导体行业属于典型的技术密集型行业，对业内人才的知识背景、研发能力及经验积累均具有较高要求。随着中国半导体行业的迅速发展，对专业人才的需求不断扩大，但由于国内半导体行业起步较晚，具有完备知识储备、具备丰富技术和市场经验、能胜任相应工作岗位的人才较为稀缺，行业内高端人才需求缺口日益扩大，从而一定程度上抑制了行业内企业的进一步发展。 七、竞争格局 我国半导体行业起步较晚，但在政策支持、市场拉动及资本推动等因素合力下，行业不断发展，虽然部分核心技术尚未达到世界领先水平，但较以往完全受制于人的局面得到缓解，产业正在逐步走向自主可控。以碳化硅和氮化镓为代表的第三代半导体正凭借着其高击穿电场、高饱和电子漂移速度、高热导率、高抗辐射能力等优势，在新能源汽车、储能等战略新兴领域的需求迎来井喷式爆发。在中国第三代半导体行业企业中，龙头企业华润微、斯达半导、三安光电等，第三代业务产业布局较广，竞争力强劲。 八、发展趋势 1、规模经济化驱使，产线向大尺寸转移 全球SiC市场6英寸量产线正走向成熟，领先公司已进军8英寸市场。国内正在开发的项目以6英寸为主。目前虽然国内大部分公司还是以4寸产线为主，但是产业逐步向6英寸扩展，随着6英寸配套设备技术成熟后，大尺寸国产SiC衬底技术也在逐步提升，产线的规模经济将会体现，目前国内6英寸的量产时间差距缩小至7年。 2、随技术进步和规模经济影响，衬底价格会进一步下探 SiC衬底价格下降是实现商业化的关键因素。根据CASA数据预测，SiC衬底和外延随着产业技术逐步成熟（良率提升）和产能扩张（供给提升），预计衬底价格将保持每年以8%的速度下降。根据Trendforce数据预测，8英寸N型SiC衬底价格降速超过6英寸和4英寸，主要系产业链逐步成熟后导致市场竞争提升，产品单价呈现下降趋势。 3、SiC行业正处于加速成长期，市场规模快速增长 第三代半导体行业加速发展，新能源产业链为增长驱动核心竞争力。尽管第三代半导体发现时间很早，但受制于成本和产业链不成熟等因素并未实现大规模商业化落地，2019年，以GaN-on-SiC等射频器件的推广，对设备开发，衬底和外延技术的推动形成了正向反馈。同时Wolfspeed已完成8英寸SiC衬底片的流片，6英寸产业链大规模商业化落地已逐步成型。同时SiC功率器件广泛用于新能源汽车、光伏、轨道交通等领域，未来市场增速能够得到保证。同时国内市场也有多家企业布局SiC产业，未来市场竞争格局将持续深化。