国防军工深度报告：第三代半导体，能源转换链“绿芯”材料_56页_5mb

第三代半导体，能源转换链“绿芯”材料总结

核心内容

第三代半导体材料，如碳化硅（SiC）和氮化镓（GaN），因其高击穿电场、高热导率、高电子迁移率等特性，被认为是电力电子、光电子和微波射频等领域的理想材料。它们能够显著降低能耗、提升能源转换效率，是实现绿色能源转型的重要基础。

主要观点

1. 第三代半导体可有效降低能源损耗

• 碳化硅（SiC） 在功率器件领域相较硅（Si）器件可降低50%以上的能源损耗，减少75%以上的设备装置，提升能源转换率。
• 氮化镓（GaN） 在光电子领域具有高光电转换效率和良好散热性能，适合制造低能耗、大功率的照明器件。
• 氮化镓 在射频领域具有高效率、高功率密度和宽带宽，可提升设备性能并减小体积。

2. 新能源及通讯市场将支撑第三代半导体市场发展

• SiC和GaN 在新能源和5G通讯等领域的应用前景广阔，预计2025年市场规模将超过百亿。
• SiC 在电动汽车、光伏、轨道交通和智能电网等场景中具有显著优势，能够实现高效、节能、小型化。
• GaN 在5G基站、雷达、高频微波源等应用中表现优异，可满足高频高功率需求。

3. 成本端仍是第三代半导体大规模应用的关键障碍

• SiC 成本较高，主要受制于长晶速度慢、加工难度大及缺陷密度高等因素。
• 2020年，SiC电力电子器件价格下降，但与硅器件相比，价差仍较大。
• 降低成本的方法包括扩大晶圆尺寸、改进长晶和切片工艺等。

4. 衬底及外延端是未来投资的关键环节

• 衬底和外延 占碳化硅器件总成本的70%，是产业链中最具投资价值的环节。
• 国内企业在衬底和外延技术上已具备较强竞争力，有望实现“弯道超车”。

关键信息

• 第三代半导体材料 包括SiC、GaN、氧化锌、氧化铝、金刚石等，适用于高频、高温、抗辐射等环境。
• SiC衬底 可用于制作半绝缘型和导电型衬底，分别用于制造射频器件和功率器件。
• GaN衬底 通常在SiC上外延，用于制造高频、高功率的射频器件。
• 2025年市场规模预测：SiC和GaN在电力电子和射频器件领域均有望达到百亿级别。
• SiC与GaN的特性对比：
  • SiC：耐高压、高温、低导通电阻、高热导率。
  • GaN：高功率密度、高效率、宽带宽，适合高频应用。

投资建议

建议关注以下具备第三代半导体技术能力的企业：

• 中瓷电子
• 凤凰光学
• 亚光科技
• 海特高新
• 赛微电子
• 天岳先进
• 斯达半导
• 露笑科技
• 扬杰科技
• 三安光电

风险提示

• 成本降低不达预期
• 器件稳定性及可靠性不达预期
• 国内产业链与国际差距拉大
• 宏观经济影响行业景气度

图表概述

• 图表1：新材料推动社会进步
• 图表2：工艺及设备是新材料的“源”和“流”
• 图表3：新材料与生物技术、软件等商业化时间及成本对比
• 图表4：技术成熟度及切中行业痛点是新材料应用关键
• 图表5：1997-2010年半导体芯片晶体管密度变化
• 图表6：新材料技术翻“新”或下沉市场速度主宰企业未来
• 图表7：海外及中国碳化硅产业链全景
• 图表8：半导体产业链结构
• 图表9：功率半导体产品范围示意图
• 图表10：各代半导体材料的主要用途
• 图表11：功率半导体材料重要物理性能比较
• 图表12：碳化硅与其他半导体材料本征性质比较
• 图表13：碳化硅器件可在高压下使用
• 图表14：SiC、GaN和Si器件适用的频段
• 图表15：碳化硅器件耐受温度高
• 图表16：碳化硅器件可降低导通损耗
• 图表17：采用SiC器件可将电力驱动系统体积减小3~5倍
• 图表18：Si和SiC的耐压等级（二极管）
• 图表19：SiC肖特基二极管与快速硅二极管的TRR温度特性
• 图表20：SiC肖特基二极管与快速硅二极管的反向恢复特性
• 图表21：晶体管开通损耗和关断损耗
• 图表22：硅材料与碳化硅材料的器件损耗对比
• 图表23：25°C下各器件的正向导通特性
• 图表24：150°C下各器件的正向导通特性
• 图表25：Si和SiC的耐压等级电压范围
• 图表26：碳化硅衬底、外延及器件产业链示意图
• 图表27：2020年我国SiC电力电子器件应用市场结构
• 图表28：基于SiC的驱动系统可搭载更轻、更小的电池且续航里程更长
• 图表29：全碳化硅模块具备更高电流输出能力
• 图表30：英飞凌碳化硅产品在汽车中的应用
• 图表31：罗姆碳化硅产品在汽车中的应用
• 图表32：新能源汽车市场SiC晶圆需求预测
• 图表33：西门子推出首款采用SiC晶体管的光伏逆变器
• 图表34：中车株洲所自主研发的全碳化硅牵引逆变器
• 图表35：引入SiC器件以提高太阳能升压电路的转换效率
• 图表36：光伏逆变器中SiC功率器件占比预测
• 图表37：光伏逆变器中SiC功率器件占比预测
• 图表38：使用氮化镓可以满足5G应用需求
• 图表39：GaN为5G提供单片前端解决方案
• 图表40：GaN射频功率晶体管可作为新的固态能量微波源
• 图表41：不同类型射频器件在高频高功率下的应用对比
• 图表42：不同类型射频器件市场份额预测
• 图表43：全球SiC衬底GaN射频器件2025年市场规模将达20亿美元
• 图表44：我国5G宏基站4英寸GaN晶圆需求量
• 图表45：碳化硅晶片制造流程
• 图表46：碳化硅晶体生长主流工艺比较
• 图表47：碳化硅外延生长机理示意图
• 图表48：GaN/SiC及GaN/AlN/SiC外延生长模式示意图
• 图表49：SiC器件不同电压对SiC外延层厚度和掺杂浓度的要求
• 图表50：SiC外延生长基本工艺曲线
• 图表51：外延层三种方式优缺点对比
• 图表52：不同切割工艺的性能对比
• 图表53：超声振动辅助磨削
• 图表54：在线电解修整辅助磨削
• 图表55：SiC精抛工艺对比
• 图表56：SiC单晶抛光片加工标准
• 图表57：SiC单晶中微管闭合及短微管形成的图片和示意图
• 图表58：4H-SiC单晶外延过程中常见的几种缺陷
• 图表59：2英寸、3英寸、4英寸和6英寸微管密度逐年降低
• 图表60：碳化硅晶锭重复A面工艺示意图
• 图表61：碳化硅晶锭总位错密度与A面生长阶段数间的关系
• 图表62：2017-2020年650V的SiC SBD价格
• 图表63：2017-2020年1200V的SiC SBD价格
• 图表64：SiC MOSFET 2020年平均价格
• 图表65：WOLFSPEED晶圆尺寸增加芯片数量从而降低成本
• 图表66：住友MPZ（多参数和区域控制）溶液生长技术
• 图表67：住友6英寸EPIERA所构成的器件
• 图表68：CoolSPLIT技术切割晶圆的步骤
• 图表69：CoolSPLIT技术切割出的晶圆
• 图表70：2020年碳化硅功率半导体价值拆分
• 图表71：2020年12寸硅功率器件价值拆分
• 图表72：海外企业碳化硅领域布局时间线
• 图表73：国内企业碳化硅领域布局时间线
• 图表74：排名前十的第三代半导体器件相关专利来源地申请数量、授权数量与授权比
• 图表75：排名前十的第三代半导体器件相关专利受理地申请数量、授权数量与授权比
• 图表76：中国第三代半导体器件专利申请排名前十机构
• 图表77：山东天岳、天科合达与海外可比公司经营情况对比
• 图表78：近两年科锐公司、贰陆公司与山东天岳在半绝缘型碳化硅衬底领域按金额统计的市场份额情况
• 图表79：全球半绝缘型碳化硅衬底领域市场份额情况
• 图表80：国内外碳化硅公司2020年研发投入情况
• 图表81：4英寸半绝缘型碳化硅衬底技术参数对比
• 图表82：6英寸半绝缘型碳化硅衬底技术参数对比
• 图表83：4英寸半导电型碳化硅衬底技术参数对比
• 图表84：行业内各公司不同尺寸SiC晶片的推出对比
• 图表85：国内外部分企业8英寸衬底研发及量产时间表
• 图表86：国内碳化硅衬底尺寸演进
• 图表87：海内外碳化硅衬底及外延企业产品布局时间线
• 图表88：国内部分厂商产能情况
• 图表89：近五年我国颁发的行业部分法律法规政策

市场预测

• SiC电力电子器件 市场预计在2025年达到近300亿元，年复合增长率约45%。
• GaN微波射频器件 市场规模在2020年达到66.1亿元，预计2025年全球市场规模将达20亿美元。
• 新能源汽车市场：2020年6英寸SiC晶圆需求量超过4万片，预计2025年将增长至近30万片。
• 5G基站市场：预计2022年GaN PA市场规模接近100亿元，2023年毫米波基站部署将带来5-10倍增长。

技术与工艺

• SiC衬底 的制造涉及高温化学气相沉积（PVT法）和CVD法等工艺，但其生长速度慢、加工难度大。
• GaN外延 通常在SiC衬底上进行，采用CVD法、MBE法等。
• 外延层 的生长需要精确控制厚度和掺杂浓度，不同电压等级对这些参数有不同要求。
• 切片、薄化、抛光 是SiC衬底加工的关键步骤，目前主要采用固结、游离磨料切片、激光切割、冷分离和电火花切片等技术。

总结

第三代半导体材料以其高效率、高可靠性、低能耗等优势，正在成为新能源和5G通讯等新兴领域的重要支撑。尽管目前成本仍是主要限制因素，但随着技术进步和产业链完善，预计未来几年市场规模将快速增长。国内企业在衬底和外延环节已具备较强竞争力，有望在该领域实现弯道超车。