2022年第三代半導(dǎo)體行業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀及前景分析

1、2022年第三代半導(dǎo)體行業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀及前景分析1、什么是第三代半導(dǎo)體技術(shù)？1.1 三代半導(dǎo)體襯底材料改變引領(lǐng)半導(dǎo)體新時代半導(dǎo)體材料是半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)鏈上游中的重要組成部分。半導(dǎo)體材料分為制造材料 和封裝材料，其中制造材料主要是制造硅晶圓半導(dǎo)體、砷化鎵（GaAs）、碳化硅（SiC） 等化合物半導(dǎo)體的芯片過程中所需的各類材料，在集成電路、分立器件等半導(dǎo)體產(chǎn) 品生產(chǎn)制造中起到關(guān)鍵性的作用。半導(dǎo)體制造材料包括硅材料和砷化鎵（GaAs）、碳 化硅（SiC）、氮化鎵（GaN）等化合物半導(dǎo)體材料。硅襯底占據(jù)主要市場，三代半導(dǎo)體有望掀起底層材料端革命。硅（Si）是目前技術(shù) 最成熟、使用范圍最廣、市場占比最大的襯底材料

2、，近年來硅材料的潛力已經(jīng)開發(fā)殆盡， 在高壓、高頻、高溫領(lǐng)域以碳化硅和氮化鎵為代表的第三代半導(dǎo)體襯底材料市場規(guī)模有 望迎來快速發(fā)展。半導(dǎo)體襯底材料發(fā)展至今經(jīng)歷了三個階段：1）第一階段（代表材料：Si，Ge）：20 世紀 50 年代開始，以硅（Si）、鍺（Ge）為 代表的第一代半導(dǎo)體材料制成的二極管和晶體管取代了電子管，引發(fā)以集成電路為核心 的微電子產(chǎn)業(yè)的迅速發(fā)展，主要應(yīng)用于低壓、低頻、低功率的部分功率器件、集成電路 中。硅基半導(dǎo)體材料是目前產(chǎn)量最大、應(yīng)用最廣的半導(dǎo)體材料，90%以上的半導(dǎo)體產(chǎn)品是 用硅基材料制作的。2）第二階段（代表材料：GaAs，InP）：20 世紀 90 年代開始，隨著半導(dǎo)體

3、產(chǎn)業(yè)的發(fā) 展，硅材料的物理瓶頸日益突出，以砷化鎵（GaAs）、磷化銦（InP）、銻化銦（InSb）、 部分三元化合物半導(dǎo)體等為代表的第二代化合物半導(dǎo)體材料嶄露頭角。砷化鎵材料的電 子遷移率約是硅的 6 倍，具有直接帶隙，故其器件相對硅基器件具有高頻、高速的光電 性能，因此被廣泛應(yīng)用于光電子和微電子領(lǐng)域，是制作半導(dǎo)體發(fā)光二極管和通信器件的 關(guān)鍵襯底材料。3）第三階段（代表材料：SiC、GaN）：近年來，以碳化硅（SiC）、氮化鎵（GaN）、 氧化鋅（ZnO）、金剛石、氮化鋁（AlN）為代表的寬禁帶（禁帶寬度大于 2.2eV）第三代 半導(dǎo)體材料逐漸興起，其介電常數(shù)、導(dǎo)熱率及最高工作溫度等等關(guān)鍵參數(shù)

4、方面具有顯著 優(yōu)勢，可以滿足電力電子技術(shù)對高溫、高功率、高壓、高頻及抗輻射等惡劣工作條件的 新要求，從而成為半導(dǎo)體材料領(lǐng)域最具前景的材料之一。目前，5G 通信、新能源汽車、 光伏等領(lǐng)域頭部企業(yè)逐步開始使用第三代半導(dǎo)體，待成本下降后，第三代半導(dǎo)體有望實 現(xiàn)對硅基材料的全面替代。就功率和頻率兩個維度而言，第一代半導(dǎo)體材料的代表硅，功率在 100Wz 左右，頻 率只有大約 3GHz；第二代的代表砷化鎵，功率不足 100W，但頻率卻能達到 100GHz。因 此前兩代半導(dǎo)體材料更多是互為補充的關(guān)系。而第三代半導(dǎo)體的代表氮化鎵和碳化硅， 功率可以在 1000W 以上，頻率也可以接近 100GHz，優(yōu)勢非常

5、明顯，因此未來有可能是取 代前兩代半導(dǎo)體材料的存在。1.2 主流制備工藝：SiC 采用物理氣相傳輸法，GaN 采用氫化 物氣相外延法1.2.1 SiC 制備工藝：PVT 優(yōu)勢顯著，系商業(yè)化首選PVT 成本低，系商業(yè)化主流路線。SiC 制備方法主要有三種：物理氣相傳輸法（PVT）、 頂部籽晶溶液生長法（TSSG）及高溫化學(xué)氣相沉積法（HT-CVD）。頂部籽晶溶液生長法主要用于實驗室生長較小尺寸晶體，而物理氣相傳輸法與高溫化學(xué)氣相沉積法主要用于商 業(yè)生產(chǎn)。其中 PVT 法制備 SiC 所需設(shè)備簡單且價格低，操作控制相對容易故為商業(yè)生產(chǎn) 主流方法。 PVT 原理：將高純度碳粉與硅粉，按特定比例混合，

6、形成高純度 SiC 微粉與籽晶分 別放置生長爐內(nèi)坩堝下部，頂部后，溫度升高至 2000以上，通過控制坩堝下部溫度略 高于頂部，形成溫度差。SiC 微粉升華成氣態(tài) Si2C、SiC2、Si 等，后由于溫度差在溫度 較低籽晶處形成 SiC 晶錠。1.2.2 GaN 制備工藝：HVPE 工藝簡單，系生產(chǎn)主流方式HVPE 工藝簡單，生長速率快，系生產(chǎn)主流路線。氮化鎵制備主要分氣相法及熔體法， 其中氣相法細分為氫化物氣相外延法（HVPE）、氣相傳輸法。熔體法細分為高壓氮氣溶液 法（HNPSG）、助溶劑法/溶鹽法、氨熱法、提拉法。相較而言，HVPE 法厚膜質(zhì)量及生長速 率更高，系主流生方式。 HVPE 原

7、理：整個過程在一個多層次溫區(qū)熱壁反應(yīng)系統(tǒng)的完成，在溫度為 850 度溫區(qū) 內(nèi)放入金屬 Ga，呈液態(tài)，后從熱璧上層注入 HCl 氣體，形成 GaCl 氣體，后將 CaCl 氣體 傳送至襯底，在 1000 度-1100 度溫度下與氨氣（NH3）反應(yīng)，最終生成 GaN 晶體。2、第三代半導(dǎo)體發(fā)展前景如何？2.1 市場端：整體產(chǎn)值超 7100 億元，2023 年滲透率接近 5%第三代半導(dǎo)體材料滲透率逐年提升，2023 年有望接近 5%。根據(jù) Yole 數(shù)據(jù)顯示，Si 仍是半導(dǎo)體材料主流，占比 95%。第三代半導(dǎo)體滲透率逐年上升，SiC 滲透率在 2023 年 有望達到 3.75%，GaN 滲透率在 2

8、023 年達到 1.0%，第三代半導(dǎo)體滲透率總計 4.75%。2020 年，我國第三代半導(dǎo)體整體產(chǎn)值超過 7100 億，電力電子及微波射頻持續(xù)增長。 根據(jù) CASA 數(shù)據(jù)，我國第三代半導(dǎo)體整體產(chǎn)值超過 7100 億。其中，半導(dǎo)體照明整體產(chǎn)值 預(yù)計 7013 億元，受新冠疫情影響較 2019 年下降 7.1%；SiC、GaN 電力電子產(chǎn)值規(guī)模達 44.7 億元，同比增長 54%；GaN 微波射頻產(chǎn)值達到 60.8 億元，同比增長 80.3%。2.2 性能端：高壓、高頻領(lǐng)域或?qū)崿F(xiàn)對硅基的全面替代SiC MOSFET 主攻高壓領(lǐng)域，GaN MOSFET 主攻高頻領(lǐng)域。依據(jù)功率、頻率兩個維 度，我們

9、對主流功率器件的物理特性和適用場合進行了梳理：Si-IGBT 在高壓領(lǐng)域有 優(yōu)勢但無法勝任高頻領(lǐng)域的要求，Si-MOSFET 能勝任高頻領(lǐng)域但對電壓有所限制，SiCMOSFET 完美得解決了高壓和高頻在硅基上難以兼得的問題，在兼容高壓中頻的基礎(chǔ)上 SiC-MOSFET 并憑借其高效率、小體積的特性成為電動汽車、充電樁、光伏逆變等領(lǐng)域 的最佳解決方案（不考慮成本），GaN-MOSFET 憑借其超高頻率的特性在 5G 射頻領(lǐng)域大 有可為，當(dāng)前主要為 5G 基站 PA 未來有望拓寬到終端設(shè)備射頻（手機等），此外 GaNMOSFET 在 1000V 以下的中低壓領(lǐng)域比如快充、電動汽車有較大的應(yīng)用潛力。

10、第三代半導(dǎo)體節(jié)能效益顯現(xiàn)。在消費電子領(lǐng)域節(jié)能 40%以上；工業(yè)機電領(lǐng)域節(jié)能 30%- 50%；在高鐵方面，更高的功率密度，減少動鐵系統(tǒng)體積的同時節(jié)能 20%；在光伏逆變器 領(lǐng)域，降低 25%以上的光電轉(zhuǎn)換損失；智能電網(wǎng)領(lǐng)域提高 40%以上供電效率并降低 60%的 電力損失。SiC 主要應(yīng)用于白色家電、電動汽車及工業(yè)應(yīng)用領(lǐng)域。在白色家電中主要應(yīng)用于家 電/個人電腦、不間斷電源等；在電動汽車領(lǐng)域主要應(yīng)用于 DC/AC 逆變器、DC/DC 轉(zhuǎn)換器 等；在工業(yè)領(lǐng)域中主要應(yīng)用于電力配送、鐵路運輸、光伏產(chǎn)業(yè)、電機控制、風(fēng)電渦輪機 等。GaN 主要用于光電子、射頻電子及電子電力領(lǐng)域。在光電子領(lǐng)域住用應(yīng)用于激

11、光顯 示、LED 照明等；在射頻電子領(lǐng)域主要應(yīng)用于衛(wèi)星通訊、移動終端、國防軍工、無線通信 基站等；在電力電子領(lǐng)域中主要應(yīng)用于電源轉(zhuǎn)化系統(tǒng)、新能源汽車與數(shù)據(jù)中心、工業(yè)電 機及智能電網(wǎng)等。2.3 政策及科研端：政策持續(xù)加碼第三代半導(dǎo)體，科技創(chuàng)新如 火如荼國家陸續(xù)出臺相關(guān)政策，第三代半導(dǎo)體蓬勃發(fā)展。國家持續(xù)出臺相關(guān)政策支持第三 代半導(dǎo)體發(fā)展，2016 年 7 月，國務(wù)院關(guān)于印發(fā)“十三五”國家科技創(chuàng)新規(guī)劃的通知 明確發(fā)展第三代半導(dǎo)體芯片；2019 年 11 月工信部將第三代半導(dǎo)體產(chǎn)品寫入重點新材 料首批次應(yīng)用示范指導(dǎo)目錄，2019 年 12 月，在長江三角洲區(qū)域一體化發(fā)展規(guī)劃綱要 中明確要求加快培育布

12、局第三代半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)，推動制造業(yè)高質(zhì)量發(fā)展；2020 年 7 月為鼓 勵企業(yè)積極發(fā)展集成電路，國家減免相關(guān)企業(yè)稅收；2021 年 3 月，十四五規(guī)劃中特別提 出第三代半導(dǎo)體要取得發(fā)展；2021 年 8 月，工信部將第三代半導(dǎo)體納入“十四五”產(chǎn)業(yè) 科技創(chuàng)新相關(guān)發(fā)展規(guī)劃。我國專利數(shù)量高于美國，占世界 22%。目前全球有關(guān)氮化鎵和 SiC 半導(dǎo)體領(lǐng)域?qū)＠?總計 23738 項，其中我國專利 5232 項，占 22%，美國專利 2722 項，占 12%，我國專利總 量高于美國。 高校系我國創(chuàng)新總體，企業(yè)系美國創(chuàng)新主體。中國涉及氮化鎵和 SiC 半導(dǎo)體相關(guān)專 利 Top10 中高校及研究所為創(chuàng)新主體，占比

13、 60%，而美國企業(yè)為創(chuàng)新主體，占比 80%，即 國內(nèi)創(chuàng)新還處于研發(fā)階段，距商業(yè)化還有一定距離。中美專利領(lǐng)域相同，創(chuàng)新活躍度領(lǐng)域不同。中美專利數(shù)量前三領(lǐng)域相同，分別為 H01L21、H01L29 及 H01L33，中國前十 IPC 大組活躍度普遍高于 50%，而美國技術(shù)活躍度 最高 50%。中國的熱點領(lǐng)域為 C30B29 及 C30B25，而美國的熱點領(lǐng)域為 H01S5 及 C23C16。3、第三代半導(dǎo)體主要玩家梳理3.1 產(chǎn)業(yè)鏈企業(yè)梳理：國內(nèi) SiC、GaN 產(chǎn)業(yè)鏈布局逐步完善， 全產(chǎn)業(yè)鏈基本均實現(xiàn)覆蓋目前，國內(nèi)布局 SiC 的上市公司從產(chǎn)業(yè)鏈角度可以分為 5 類：1）專注襯底材料，如 天岳

14、先進和天科合達（中止 IPO）；2）器件端 IDM 布局，如華潤微、斯達半導(dǎo)、聞泰科技 等；3）從材料到器件一體化布局，如三安光電；4）芯片設(shè)計廠商，如新潔能；5）其他： 露笑科技布局設(shè)備+材料，中微公司布局外延設(shè)備。 從公司原生業(yè)務(wù)角度出發(fā)，可以分為三類，1）傳統(tǒng)功率半導(dǎo)體公司（晶閘管 /MOSFET/IGBT）延伸布局三代半導(dǎo)體 SiC，如斯達半導(dǎo)、時代電氣等；2）LED 芯片公司， 如三安光電在光電器件材料 GaN 上有多年研發(fā)生產(chǎn)積累，順勢轉(zhuǎn)型三代半導(dǎo)體；3）專注 材料/設(shè)備的公司，如天岳先進、中微公司。國內(nèi) GaN 功率半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)鏈已經(jīng)實現(xiàn)全面布局。GaN 產(chǎn)業(yè)鏈玩家的分類和 SiC 類似， GaN 功率半導(dǎo)體全球布局方面，海外企業(yè)在技術(shù)及產(chǎn)能上均有較高的領(lǐng)先地位。海外龍 頭企業(yè)以 IDM 模式為主，主要包括德國英飛凌、美國 Qorvo 等。目前，國內(nèi) GaN 產(chǎn)業(yè)鏈 也在加速布局中，成長較為迅速，國內(nèi)企業(yè)在襯底、外延、設(shè)計、制造等領(lǐng)域均已實現(xiàn) 布局，其中包括 GaN 襯底制造商蘇州納維、東莞中鎵；外延制造商晶湛半導(dǎo)體、江蘇能 華；設(shè)計企業(yè)安譜隆、海思半導(dǎo)體；制造企業(yè)三安集成、海威華芯等。此外，新進入廠商不只有傳統(tǒng)功率半導(dǎo)體廠商，更多地是做射頻器件出身或者有軍工背景的企業(yè)進入 GaN 領(lǐng)域，如主營軍