第三代半导体：新能源汽车+AIOT+5G撬动蓝海市场，碳中和引领发展热潮_80页_8mb

第三代半导体发展分析总结

核心内容

第三代半导体，即宽禁带半导体材料，主要包括碳化硅（SiC）和氮化镓（GaN），因其优异的物理性能和在多个下游领域的广泛应用，正成为推动半导体行业发展的核心力量。

主要观点

1. 下游应用驱动：第三代半导体在新能源汽车、AIoT和5G等新兴领域展现出强大的竞争力。

   • 新能源汽车领域，SiC和GaN器件因其高效率、高功率密度和低损耗，成为关键材料。
   • AIoT推动短波长光电器件发展，GaN在蓝光、紫光、紫外光等领域有明显优势。
   • 5G时代，GaN射频器件因其高工作效率和输出功率，成为功率放大器的首选材料。

2. 绿色能源需求：第三代半导体助力“碳达峰、碳中和”目标的实现。

   • 在光伏、风电、直流特高压输电、新能源汽车等领域，SiC和GaN器件可显著提高能源转换效率，降低碳排放。

3. 后摩尔时代：第三代半导体材料成为芯片性能提升的基石。

   • 随着摩尔定律的瓶颈显现，新材料和新架构的创新成为芯片行业发展的关键。
   • SiC和GaN具有高击穿电场、高热导率、低器件导通电阻等优势，推动电力电子和射频器件的性能提升。

关键信息

物理性能优势

• SiC：击穿电场强度是硅的3倍，热导率是硅的3倍，电子迁移率是硅的2倍，最高工作温度可达600℃。
• GaN：禁带宽度为3.4 eV，击穿场强为3.3 MW/cm，电子饱和漂移速度为2.7×10^7 cm/s，适合高频、高功率应用。

成本优势

• 第三代半导体器件价格持续下降，与传统硅基产品的价差逐步缩小。
• 2020年，SiC SBD价格较2017年下降超过50%，部分产品价差已缩小至2倍以内。
• 随着大尺寸晶圆技术的成熟，综合成本优势显著，预计未来将进一步降低。

产业链发展

• SiC：2020年国内SiC导电型衬底产能约18万片（折合6英寸），外延片约22万片，器件/模块约26万片。
• GaN：2020年国内GaN-on-Si外延片约28万片，器件/模块约22万片，微波射频方面SiC半绝缘衬底约8万片，外延片约9万片，器件/模块约7万片。

国内企业进展

• 国内企业在SiC和GaN领域快速追赶，已有多家公司在衬底、外延、器件设计和制造方面取得突破。
• 主要企业包括三安光电、闻泰科技、立昂微、斯达半导、华润微、士兰微、华虹半导体、新洁能、扬杰科技、赛微电子、捷捷微电、华微电子、时代电气、天岳先进、凤凰光学、宏微科技等。

未来市场预测

• 2025年，我国新能源汽车领域预计需要75万片等效SiC 6寸晶圆，快充领域需要67万片GaN相关晶圆。
• SiC和GaN电力电子器件市场规模预计在2025年达到约150亿元，2027年SiC市场将突破百亿美元。
• GaN在2022年市场超过10亿美元，预计未来几年将快速增长。

投资建议

• 推荐前瞻布局、高质量研发第三代半导体的优质龙头企业，包括三安光电、闻泰科技、立昂微。
• 关注斯达半导、华润微、士兰微、纳微半导体、华虹半导体、新洁能、扬杰科技、赛微电子、捷捷微电、华微电子、时代电气、天岳先进、凤凰光学、宏微科技。

风险提示

• 产业政策变化
• 国际贸易争端加剧
• 下游行业发展不及预期

产业竞争格局

• 国际：美日欧三足鼎立，CREE、英飞凌、意法半导体、住友电工等企业占据领先地位。
• 国内：企业快速追赶，政策和市场双轮推动发展，未来前景光明。

图表目录（简要）

• 图1：2016-2025年我国SiC、GaN电力电子器件应用市场规模
• 图2：第三代半导体实现能源安全
• 图3：半导体材料的演化
• 图4：硅和化合物半导体应用的范围
• 图5：碳化硅综合优势比较
• 图6：三类代表性半导体材料物理特性比较
• 图7：同规格碳化硅器件与硅器件对比
• 图8：2017年-2020年650V的SiC SBD价格持续下降
• 图9：2017年-2020年1200V的SiC SBD价格持续下降
• 图10：碳化硅单晶生长示意图
• 图11：HVPE生长设备
• 图12：氨热法生长示意图
• 图13：助熔剂法生长过程示意图
• 图14：GaN/SiC不同衬底应用情况
• 图15：SiC产业链重点企业
• 图16：GaN产业链重点企业
• 图17：SiC产业链重点企业布局及投资情况
• 图18：GaN产业链重点企业布局及投资情况
• 图19：采用SiC MOSFET的双通道升压模块
• 图20：智能电网示意图
• 图21：SiC在新能源汽车中用量的估计

产能与需求

• SiC：2020年国内产能约18万片（衬底），22万片（外延），26万片（器件/模块）。
• GaN：2020年国内产能约28万片（外延），22万片（器件/模块），8万片（射频衬底），9万片（射频外延），7万片（射频器件/模块）。
• 需求方面，2025年新能源汽车SiC硅片需求预计为75万片，快充GaN晶圆需求约67万片。

技术与制造

• SiC：主要采用Lely改良法和物理气相传输法（PVT）进行制备，技术门槛高，良率和成本是主要挑战。
• GaN：主要采用HVPE、氨热法、助熔剂法等技术，其中HVPE法是主流，但位错密度和热失配问题仍需解决。

结论

第三代半导体在物理性能、能效和成本方面具有显著优势，将在新能源汽车、AIoT、5G等应用领域发挥重要作用。随着国内企业的快速发展和技术突破，国内第三代半导体产业有望在未来几年实现快速发展，并逐步替代进口产品，成为全球半导体产业的重要力量。