第三代半导体专题研究报告：政策红利，衬底破局

来源：光大证券
发布时间：2021/07/22
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1、第三代半导体大势所趋

1.1、什么是第三代半导体

相对于第一代（硅基）半导体，第三代半导体（碳化硅等）禁带宽度大，电导率高、热导率高。硅基因为结构简单，自然界储备量大，制备相对容易，被广泛应用半导体的各个领域，其中以处理信息的集成电路最为主要。在高压、高功率、高频的分立器件领域，硅因其窄带隙，较低热导率和较低击穿电压限制了其在该领域的应用，因而发展出宽禁带、耐高压、高热导率、高频的第二/三代半导体。

三代半导体材料之间的主要区别是禁带宽度。

现代物理学描述材料导电特性的主流理论是能带理论，能带理论认为晶体中电子的能级可划分为导带和价带，价带被电子填满且导带上无电子时，晶体不导电。当晶体受到外界能量激发（如高压），电子被激发到导带，晶体导电，此时晶体被击穿，器件失效，禁带宽度代表了器件的耐高压能力。第三代半导体的禁带宽度是第一代和第二代半导体禁带宽度的近3倍，具有更强的耐高压、高功率能力。

第三代半导体材料能量密度更高。

以氮化镓为例，其形成的HEMT器件结构中，其能量密度约为5-8W/mm，远高于硅基MOS器件和砷化镓射频器件的0.5-1W/mm的能量密度，器件可承受更高的功率和电压，在承受相同的功率和电压时，器件体积可变得更小。

碳化硅更适合作为衬底材料。

半导体芯片结构分为衬底、外延和器件结构。衬底通常起支撑作用，外延为器件所需的特定薄膜，器件结构即利用光刻刻蚀等工序加工出具有一定电路图形的拓扑结构。

碳化硅热导率高于氮化镓。第三代半导体的应用场景通常为高温、高压、高功率场景，器件需要具有较好的耐高温和散热能力，以保证器件的工作寿命。碳化硅的热导率是氮化镓热导率的约3倍，具有更强的导热能力，器件寿命更长，可靠性更高，系统所需的散热系统更小。

氮化镓单晶生长困难。氮化镓因为生长速率慢，反应副产物多，生产工艺复杂，大尺寸单晶生长困难，目前氮化镓单晶生长尺寸在2英寸和4英寸，相比碳化硅难度更高。因此第三代半导体目前普遍采用碳化硅作为衬底材料，在高压和高可靠性领域选择碳化硅外延，在高频领域选择氮化镓外延。

1.2、碳化硅

碳化硅衬底器件体积小。由于碳化硅具有较高的禁带宽度，碳化硅功率器件可承受较高的电压和功率，其器件体积可变得更小，约为硅基器件的1/10。 • 碳化硅器件电阻更小。同样由于碳化硅较高的禁带宽度，碳化硅器件可进行重掺杂，碳化硅器件的电阻将变得更低，约为硅基器件的1/100。

碳化硅衬底材料能量损失更小。在相同的电压和转换频率下，400V电压时，碳化硅MOSFET逆变器的能量损失约为硅基IGBT能量损失的29%-60%之间；800V时，碳化硅MOSFET逆变器的能量损失约为硅基IGBT能量损失的30%-50%之间。

碳化硅器件的能量损失更小。相较于硅基IGBT，碳化硅MOSFET电动车的续航里程更长。对于EPA 城市路况，碳化硅MOSFET相较于硅基 IGBT，将节省77%的能量损耗；对于EPA 高速路况，碳化硅MOSFET相较于硅基IGBT，节省85%的能量损耗。能量损耗的节省导致车辆续航里程的增加，使用碳化硅MOSFET的电动车比使用硅基IGBT电动车将增加5- 10%的续航里程。

碳化硅基器件应用空间广阔。第三代半导体目前主流器件形式为碳化硅基-碳化硅外延功率器件、碳化硅基-氮化镓外延射频器件，用以实现 AC->AC(变压器)、AC->DC(整流器)、DC->AC(逆变器)、DC->DC(升降压变换器)，碳化硅器件更适合高压和高可靠性情景，应用在新能源汽车和工控等领域，氮化镓器件更适合高频情况，应用在5G基站等领域。

1.3、产业规模持续上涨

目前第三代半导体器件已经迅速进入了新能源汽车、光伏逆变、5G 基站、PD 快充等应用领域，碳化硅主要应用在新能源汽车和工控等领域，氮化镓器件主要应用在5G基站等领域。2020 年我国第三代半导体产业电力电子和射频电子总产值超过 100 亿元，同比增长 69.5%。其中，SiC、GaN 电力电子产值规模达 44.7 亿元，同比增长 54%； GaN 微波射频产值达到 60.8亿元，同比增长 80.3%。

碳化硅功率器件市场增速快。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50亿美金，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172亿美金。

碳化硅衬底材料市场增速快。受益新能源汽车的放量和5G建设应用的推广，碳化硅衬底材料市场规模有望实现快速增长。根据Yole统计，碳化硅衬底材料市场规模将从2018年的1.21亿美金增长到2024年的11亿美金，复合增速达 44%。按照该复合增速，2027年碳化硅衬底材料市场规模将达到约33亿美金。

2、碳化硅和氮化镓产业链环节梳理

2.1、碳化硅产业链主要厂商

碳化硅产业链环节分为设备、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，包括比亚迪半导体、闻泰科技、华润微、士兰微、斯达半导、扬杰科技、泰科天润等。

2.2、氮化镓产业链主要厂商

氮化镓产业链分为衬底、外延片和器件环节。尽管碳化硅被更多地作为衬底材料（相较于氮化镓），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。