2020-2021第三代半导体国内厂商全产业链分析报告.pptx

,2020-2021第三代半导体国内厂商全产业链分析报告,第三代半导体大势所趋，碳化硅更适合作为衬底材料：第三代半导体材料主要分为碳化硅SiC和氮 化镓GaN，相比于第一、二代半导体，其具有更高的禁带宽度、高击穿电压、电导率和热导率，在高 温、高压、高功率和高频领域将替代前两代半导体材料。氮化镓因缺乏大尺寸单晶，第三代半导体材 料的主要形式为碳化硅基碳化硅外延器件、碳化硅基氮化镓外延器件，碳化硅应用更为广泛。新能源汽车为碳化硅材料带来巨大增量，国际大厂纷纷布局。新能源汽车为碳化硅的最重要下游领 域，主要应用包括主驱逆变器、DC/DC转换器、充电系统中的车载充电机和充电桩等，根据Yole数 据，碳化硅功率器件市场规模将从2018年的4亿美金增加到2024年的50亿美金，复合增速约51%。 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%。目 前CREE等国际大厂和国内企业纷纷大力布局碳化硅。国内厂商在第三代半导体进行全产业链布局，自主可控能力较强。国内厂商布局第三代半导体的设 备、衬底、外延和器件全产业链环节，包括难度最大的衬底长晶环节，自动化程度较高的外延环节和 应用于下游市场的器件环节，第三代半导体全产业链布局，可完全自主可控。投资建议。建议关注：设备厂商：露笑科技、三安光电、晶盛机电；衬底厂商：露笑科技、三安光 电、天科合达、山东天岳等；外延厂商：瀚天天成和东莞天域等；器件厂商：三安光电、华润微、斯 达半导、扬杰科技等风险分析：碳化硅良率提升不及预期；疫情缓和不及预期；,核心观点,1、第三代半导体大势所趋2、第三代半导体产业链厂商总结3、建议关注4、风险分析,第三代半导体大势所趋,性能优良，广泛应用于新能源汽车、射频、工控等领域市场增速快，国际大厂纷纷布局,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。三代半导体特性对比,什么是第三代半导体？,-硅Si-锗Ge,第一代 半导体,第二代-砷化镓GaAs半导体-磷化铟InP,-碳化硅SiC-氮化镓GaN,第三代 半导体,主要应用：集成电路、部分 功率分立器件（中低压，中低 频等，硅基IGBT 可应用在高压领 域）,制备工艺成熟、 成本低廉、自然 界储备量大，应 用广泛,主要应用：微电子和光电子领 域、微波功率器件、 低噪声器件、发光 二级管、激光器、 光探测器等,生长工艺较成熟、 较好的电子迁移率， 带隙等材料特性资源稀缺，有毒性， 污染环境,主要应用：新能源汽车、5G宏基站、光伏、风 电、高铁等领域（高温、高压、高 频率、高电导率）,高电导率、高热导 率、耐高温、耐高 压，目前生长困难、 成本较高，良率提 升后可大量使用,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。第三代半导体禁带宽度大于硅和砷化镓的禁带宽度,什么是第三代半导体？,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。第三代半导体材料能量密度高于硅和砷化镓能量密度,什么是第三代半导体？,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。三代半导体材料性能对比,碳化硅更适合作为衬底材料,碳化硅衬底器件体积更小。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MOSFET器件体积更小,碳化硅衬底器件体积小,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。碳化硅器件能量损失更小,碳化硅衬底材料能量损失小,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MOSFET电动车续航里程更长,碳化硅MOSFET电动车的续航里程更长,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。碳化硅应用领域,碳化硅基器件应用空间广阔,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。碳化硅材料市场规模快速增长,碳化硅功率器件市场增速快,碳化硅基氮化镓射频器件被大量应用在5G宏基站、卫星通信、微波雷达、航空航天、电子对抗等国 防军工领域，随着5G建设的逐步展开，氮化镓射频器件市场规模将有较快增长。根据Yole统计，2018年和2024年氮化镓射频器件市场规模分别约为6亿美金和20亿美金，复合增速 为20.76%。碳化硅基氮化镓射频器件市场规模,碳化硅基氮化镓射频器件市场增速较快,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。碳化硅材料市场规模快速增长,碳化硅衬底材料市场增速快,英飞凌2016年欲收购Wolfspeed，2018年收购Sitectra。2016年7月，英飞凌欲以8.5亿美元收 购CREE旗下Wolfspeed功率和射频事业部，Wolfspeed是CREE旗下专注碳化硅功率器件和碳化硅基淡化及射频功率解决方案的主要供应商，后因美国政府干预而流产。2018年英飞凌收购Siltectra，Siltectra为德国厂商，2010年研发出一项切割晶体材料的技术，可以最大限度减少材料损耗，填补 了英飞凌的切磨抛工艺。意法半导体收购Norstel AB。2019年，意法半导体收购了瑞典碳化硅晶圆厂商Norstel AB。意法 半导体总裁兼CEO Jean-Marc Chery表示，在全球碳化硅产能受限的环境下，并购Norstel将有助 于增强ST内部的碳化硅生态系统，保证意法半导体的晶圆供给量，满足汽车和工业客户未来几年增 长的MOSFET和二极管需求。英飞凌与CREE签署长期供货协议。2018年12月，英飞凌与CREE签署长期协议，CREE将向英飞凌供应150mm 碳化硅晶圆，帮助英飞凌积极拓展光伏逆变器和新能源汽车领域的产品供应。意法半导体与CREE签署长期供货协议。2019年1月，意法半导体与CREE签署长单协议，CREE将向 意法半导体供应2.5亿美金的6英寸碳化硅晶圆片和外延片。CREE扩产。2019年5月，CREE投资10亿美元在美国总部北卡罗莱纳州达勒姆市建造自动化生产8英寸碳化硅工厂。2019年9月在美国纽约Marcy建造满足车规级标准的8英寸碳化硅功率和射频工厂。,国际大厂纷纷布局,1、第三代半导体大势所趋2、第三代半导体产业链厂商总结3、建议关注4、风险分析,碳化硅产业链主要厂商,晶片,外延,器件,II-VI,Norstel,Renesas、Littelfuse、GeneSiC、Microsemi,Showa Denko,Iinfineon、ST、Mitsubishi、Fuji,CREE、ROHM,天科合达、山东天岳、东尼电子、楚江新材、天通股份等,瀚天天成、东莞天域等,三安光电、中电科五十五所、中电科十三所等,华润微、扬杰科技、 泰科天润、绿能芯创、 上海詹芯、基本半导体、中国中车等,境外企业,境内企业,设备,露笑科技,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，包括华润微、扬杰科技、泰科天润、绿能芯创、上海詹芯等。碳化硅产业链境内外主要厂商,氮化镓产业链主要厂商,衬底,外延片,器件/模组,住友电工、日立、古 河电工、三菱、日本 信越、富士电机、台 湾汉磊,电子电力：Navitas、Dialog、Transform、EPC、 Powerex微波射频：Toshiba、SAMSUNG,Nitronex、Azzuro、 EpiGaN,苏州纳维、东莞中镓、上海镓特、芯元基,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、 大连芯冠、聚力成,三安光电、闻泰科技、 赛微电子、海陆重工、 聚灿光电、乾照光电、 亚光科技,国际厂商,中国大陆,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。氮化镓产业链境内外主要厂商,1、第三代半导体大势所趋2、第三代半导体产业链厂商总结3、建议关注4、风险分析,碳化硅产业链厂商,碳化硅产业链环节分为设备、衬底片、外延片和器件环节。建议关注：设备厂商露笑科技、三安光 电、晶盛机电等；衬底厂商露笑科技、三安光电、天科合达、山东天岳等；外延厂商瀚天天成和东 莞天域等；器件厂商三安光电、华润微、斯达半导、扬杰科技等。,1、第三代半导体大势所趋2、第三代半导体产业链厂商总结3、建议关注4、风险分析,碳化硅良率提升不及预期：碳化硅长晶技术难度较高，良率提升困难，如果碳化硅 生产良率不及预期，第三代半导体应用普及速度面临不及预期的风险。疫情缓和不及预期：碳化硅的重要下游是新能源汽车领域，新能源汽车的一个重要 市场是欧洲市场，如果欧洲的疫情缓和不及预期，新能源汽车难以放量，碳化硅应 用面临不及预期的风险。,风险分析,谢谢观看!,THANK YOU!,