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半导体行业:天风证券-半导体行业深度研究: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-211026

研报作者:潘暕 来自:天风证券 时间:2021-10-26 17:09:58
  • 股票名称
    半导体行业
  • 股票代码
  • 研报类型
    (PDF)
  • 发布者
    Hi***in
  • 研报出处
    天风证券
  • 研报页数
    80 页
  • 推荐评级
    强于大市
  • 研报大小
    5,467 KB
研究报告内容

行业报告|行业深度研究 1 半导体 证券研究报告 2021年10月26日 投资评级 行业评级强于大市(维持评级) 上次评级强于大市 作者 潘暕分析师 SAC执业证书编号:S1110517070005 panjian@tfzq.com 资料来源:贝格数据 相关报告 1 《半导体-行业研究周报:台积电单月 营收再创新高,A股半导体进入预增窗 口》 2021-10-12 2 《半导体-行业研究周报:DDR5放量 在即,新一轮存储器迭代周期将开 启》 2021-09-27 3 《半导体-行业研究周报:半导体需求 持续高企,碳中和时代引领第三代半 导体发展热潮》 2021-09-19 行业走势图 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 1.核心因素驱动:下游应用迭起+绿色能源需求+后摩尔时代驱动第三代半 导体大发展 1)下游应用迭起,第三代半导体因物理性能优异竞争力极强 新能源汽车等下游应用需求高起带动第三代半导体在大功率电力电子器件 领域起量。

快充装置、输变电系统、轨道交通、电动汽车和充电桩等都需要 大功率、高效率的电力电子器件,基于SiC、GaN的电子电力器件因其物理 性能优异在相关市场备受青睐。

AIoT时代,智慧化产品渗透率将迅速提 升,智能家居照明的商机空间广阔。

GaN在蓝光等短波长光电器件方面优 势明显。

5G时代驱动GaN射频器件快速发展。

GaN器件工作效率和输出 功率优异,成为5G时代功率放大器主要技术。

2)绿色能源需求迫在眉睫,第三代半导体助力“碳达峰、碳中和”目标 实现 第三代半导体有望成为绿色经济的中流砥柱,助力光伏、风电,直流特高 压输电,新能源汽车、消费电源等领域电能高效转换,推动能源绿色低碳发 展。

举例来看,若全球采用硅芯片器件的数据中心都升级为GaN功率芯片 器件,将减少30-40%的能源浪费,相当于节省了100兆瓦时太阳能和减少 1.25亿吨二氧化碳排放量。

3)后摩尔时代来临,新材料新架构的创新支撑各类新应用蓬勃发展,其中 第三代半导体为代表的核心材料是芯片性能的提升的基石 材料工艺是芯片研发的主旋律。

SiC、GaN拥有高的击穿电场强度、高工作 温度、低器件导通电阻、高电子密度等优势,在后摩尔时代极具潜力。

2.供需测算:产业链各环节产能增长,但供给仍然不足 我国产线陆续开通,第三代半导体领域6英寸8英寸尺寸晶圆渐成主流。

截至2020年底,国内约有8条SiC制造产线,10条正在建设。

7条GaN- on-Si产线,4条正在建设。

供给端:我国2020年SiC导电型衬底产能(折 合6英寸)约18万片,外延22万片,Si基GaN外延约28万片。

需求 端:测算2025年我国仅新能源汽车板块就需75万片等效SiC 6寸晶圆,仅 快充部分就需要67万片GaN相关晶圆,现有产能与需求差距较大,如不在 2025年前加速扩产,供给会持续紧缺。

3.成本测算:与传统产品价差持续缩小,综合成本优势大于传统硅基 SiC、GaN器件与传统Si基产品价差持续缩小。

1)上游衬底产能持续释 放,供货能力提升,材料端衬底价格下降,器件制造成本降低; 2)量产技术 趋于稳定,良品率提升,叠加产能持续扩张,拉动市场价格下降; 3)产线规 格由4英寸转向6英寸,成本大幅下降。

未来SiC、GaN综合成本优势显 著,可通过大幅提高器件能效+减小器件体积使其综合成本优势大于传统硅 基材料,看好第三代半导体随着价格降低迎来大发展。

投资建议:看好下游应用迭起+绿色能源需求+后摩尔时代驱动下第三代半 导体大发展,推荐前瞻布局+高质量研发第三代半导体的优质龙头企业,推 荐三安光电/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 -1% 10% 21% 32% 43% 54% 65% 76% 2020-102021-022021-06 半导体沪深300 行业报告|行业深度研究 2 内容目录 1.下游应用迭起+能源安全+后摩尔时代驱动第三代半导体大发展........................................8 1.1.第三代半导体:优势显著,下游应用场景极为广阔..........................................................9 1.2.物理性能:能力损耗低、封装尺寸小、散热能力强........................................................10 1.3.制备成本:与传统产品价差持续缩小,综合成本优势明显..........................................12 1.4.产业链:龙头效应初显,国内企业快速追赶......................................................................16 1.5.能源安全:第三代半导体有望成为绿色经济的中流砥柱...............................................20 2.供需测算:产业链各环节产能增长,但供给仍然不足........................................................22 2.1.供给端:产线陆续开通,产能不断增加...............................................................................22 2.2.需求端:SiC在新能源汽车中硅片用量测算........................................................................23 2.3.需求端:GaN在电力电子及射频中硅片用量测算............................................................26 2.4.需求端高速发展,但供给仍然不足,国产替代迫在眉睫...............................................27 3.下游应用:物理性能优势+节能减排需求,SiC应用多点开花..........................................27 3.1. SiC在新能源汽车领域备受青睐,未来五年带动60亿美元市场................................29 3.2. SiC在充电基础设施市场空间广阔,将在直流充电桩带动下实现突破.....................31 3.3. SiC在光伏发电领域优势显著,为系统的小型高效带来可能.......................................32 4.下游应用:光电+射频+电力电子起量,GaN应用场景广阔.............................................34 4.1. GaN下游市场2022超十亿美元,电力电子、射频、光电领域起量朝夕................35 4.2. GaN在光电子领域占据主要市场,是制造Micro-LED芯片的优选...........................36 4.3. GaN在电力电子市场深受认可,消费快充+汽车电子增长空间广阔.........................37 4.4. GaN在射频领域市场潜能可观,为5G时代功率放大器核心......................................38 4.5. GaN异质外延方面产品线持续扩充完善,Si基GaN、SiC基GaN前景广阔........41 5.产业竞争格局:美日欧三足鼎立,我国渐行渐近.................................................................44 5.1.海外市场持续渗透,美日欧三足鼎立....................................................................................44 5.1.1.全球展开全面战略部署,各国抢占第三代半导体战略制高点..........................44 5.1.2. SiC美国优势显著,欧洲产业链完备,日本在设备和模块技术方面领先....45 5.1.3. GaN国际产业格局初定,美日欧三足鼎立..............................................................46 5.2.政策和市场双轮推动,中国第三代半导体产业发展前景光明......................................47 5.2.1.我国政策持续向好,扶持力度不断增强...................................................................48 5.2.2.我国碳化硅产业研发实力提升,与先进水平差距缩小........................................48 5.2.3.多方配合推动创新,中国GaN产业发展正当时....................................................50 6.海外半导体公司情况:群雄争霸,先发制人.........................................................................50 6.1. CREE:宽禁带化合物半导体龙头............................................................................................50 6.2.英飞凌:SiC领域领军人,GaN已投入量产.......................................................................51 6.3.意法半导体:与终端应用企业形成强绑定,完善产业布局..........................................54 6.4.住友电工:全球第三代半导体射频领域引领者.................................................................56 6.5.三菱电机:第二代SiC功率模块优势显著,积极探索GaN-HEMT ............................58 6.6.纳微半导体:GaN功率芯片设计领军者,推动下一代氮化镓技术发展..................60 7.我国公司情况:厚积薄发,未来可期.....................................................................................61 7.1.三安光电:化合物半导体业务多轮驱动,加速替代海外供应商......................................61 行业报告|行业深度研究 3 7.2.闻泰科技:持续高质量研发,新型化合物半导体迎来广阔空间.................................64 7.3.斯达半导:加码布局碳化硅功率芯片,加速国产替代提升核心竞争力...................66 7.4.华润微:旗下国内首条6英寸商用SiC晶圆生产线量产...............................................67 7.5.立昂微: GaN芯片产能爬坡,规模化生产正当时..............................................................68 7.6.士兰微:IGBT产品营收再创新高,SiC中试线实现通线................................................69 7.7.华虹半导体:IGBT在12英寸实现规模量产......................................................................70 7.8.新洁能:国内IGBT等半导体功率器件市占率排名前列.................................................71 7.9.扬杰科技:瞄准SiC行业发展趋势,加强SiC功率器件等研发力度.........................72 7.10.赛微电子:掌握业绩领先SiC、GaN外延技术,GaN业务产能爬升迅猛............73 7.11.捷捷微电:与研究所合作研发第三代半导体相关技术.................................................74 7.12.华微电子:积极布局第三代半导体器件技术....................................................................75 7.13.时代电气:IGBT技术达国际先进水平,应用于轨道交通和电网.............................76 7.14.天岳先进:国内领先第三代半导体碳化硅衬底材料制造商........................................77 7.15.凤凰光学:拟收购国盛电子和普兴电子,布局SiC外延材料....................................77 7.16.宏微科技:自主设计研发IGBT芯片,参与制定国家相关标准.................................77 8.投资建议........................................................................................................................................78 9.风险提示........................................................................................................................................78 图表目录 图1:2016-2025年我国SiC、GaN电力电子器件应用市场规模(亿元) .............................8 图2:第三代半导体实现能源安全............................................................................................................9 图3:半导体材料的演化.............................................................................................................................10 图4:硅和化合物半导体应用的范围......................................................................................................10 图5:碳化硅综合优势比较........................................................................................................................10 图6:三类代表性半导体材料物理特性比较........................................................................................11 图7:同规格碳化硅器件与硅器件对比.................................................................................................13 图8:2017年-2020年650V的SiCSBD价格持续下降(元/A) .....................................................13 图9:2017年-2020年1200V的SiCSBD价格持续下降(元/A) ..................................................13 图10:碳化硅单晶生长示意图(左:液相生长法;右:物理气相传输法) ........................14 图11:HVPE生长设备.................................................................................................................................15 图12:氨热法生长示意图..........................................................................................................................15 图13:助熔剂法生长过程示意图............................................................................................................15 图14:GaN/SiC不同衬底应用情况........................................................................................................16 图15:SiC产业链重点企业.......................................................................................................................17 图16:GaN产业链重点企业.....................................................................................................................17 图17:SiC产业链重点企业布局及投资情况.......................................................................................18 图18:GaN产业链重点企业布局及投资情况....................................................................................19 图19:采用SiCMOSFET的双通道升压模块......................................................................................20 图20:智能电网示意图...............................................................................................................................21 图21:SiC在新能源汽车中用量的估计................................................................................................23 行业报告|行业深度研究 4 图22:SiC器件在新能源汽车的优势.....................................................................................................23 图23:国内SiC衬底技术指标进展........................................................................................................24 图24:全球及我国新能源汽车销量测算(万辆) ............................................................................25 图25:新能源汽车SiC硅片需求量测算(片) .................................................................................25 图26:PD快充GaN电力电子器件市场规模(亿元) ...................................................................26 图27:PD快充GaN-on-Si晶圆需求量(万片) .............................................................................26 图28:5G宏基站GaN晶圆需求量(万片) .....................................................................................27 图29:碳化硅功率器件应用领域............................................................................................................28 图30:碳化硅功率器件市场规模预测,2027年突破百亿美元...................................................28 图31:SiC市场广阔.....................................................................................................................................28 图32:SiC在新能源汽车领域2027年带动60亿美元市场..........................................................29 图33:SiCMOSFET在牵引逆变器方面的优势...................................................................................29 图34:碳化硅功率模块和硅IGBT功率模块电力损耗比较,SiC显著降低............................30 图35:SiC在快充领域发展迅猛..............................................................................................................31 图36:SiC在光伏发电以及充电基础设施领域的优势....................................................................31 图37:2019-2025年SiC在各应用领域的发展规模.......................................................................32 图38:SiC在光伏发电领域的发展空间广阔.......................................................................................33 图39:SiC二极管在光伏并网逆变器中的应用..................................................................................33 图40:光伏逆变器中碳化硅功率器件占比预测.................................................................................34 图41:氮化镓(GaN)下游应用发展情况.................................................................................................34 图42:2020年氮化镓(GaN)下游应用领域结构.................................................................................35 图43:Wolfspeed预计GaN市场将在2022年达到11亿美元..................................................35 图44:微尺寸LED芯片的结构示意图..................................................................................................36 图45:Micro-LED驱动阵列结构图.......................................................................................................36 图46:全彩Micro-LED投影仪................................................................................................................36 图47:努比亚30WGaN充电器(左)对比苹果30WPD充电器.............................................37 图48:GaN电源市场增长预测(按季度) ........................................................................................37 图49:宝马汽车尝试无线充电.................................................................................................................38 图50:2020-2025年中国48V轻混系统车型销量及预测(万辆) ...........................................38 图51:VisIC车载充电器............................................................................................................................38 图52:GaN使1)4G速度更快+2)更快的从4G-5G的改变.....................................................39 图52:2020年我国GaN射频器件下游应用领域.............................................................................39 图55:氮化镓(GaN)赋能5G单片前端解决方案................................................................................39 图56:GaN射频处5G以外市场同样将迎来高增长,CAGR高达25% .....................................40 图57:不同材料微波射频器件的应用范围对比.................................................................................41 图58:Si基GaN和SiC基GaN和硅基氮化镓技术市场预测......................................................41 图59:650VSiCMOSFET、GaNHEMT和Si IGBT价格比较(元/A) ...........................................42 图60:国际上商业化的GaN射频产品性能........................................................................................43 图61:GaN-on-XX技术应用领域vs元件出货量.............................................................................43 图62:GaN领域海外重点机构技术布局(专利数量)(截至2019年4月) ........................45 图63:2018年导电型碳化硅晶片厂商市场占有率..........................................................................46 行业报告|行业深度研究 5 图64:碳化硅全球市场三足鼎立............................................................................................................46 图65:第三代半导体材料专利申请趋势及技术来源国分布.........................................................47 图66:国内SiC衬底技术指标进展........................................................................................................49 图67:30年全球SiC和GaN领导地位................................................................................................50 图68:Cree(Wolfspeed)GaN on SiCMMIC产品.........................................................................51 图69:SiC成本逐渐下降............................................................................................................................51 图70:SiC成本逐渐下降............................................................................................................................51 图71:Cree营收情况(百万美元) .......................................................................................................51 图72:Wolfspeed毛利润及毛利率情况(百万美元) ...................................................................51 图73:英飞凌的碳化硅产业发展历程...................................................................................................52 图74:英飞凌为充电桩系统提供“一站式”解决方案...................................................................52 图75:英飞凌采用高性能ALN陶瓷的新EasyDUAL CoolSiC MOSFET功率模块..........53 图76:英飞凌氮化镓开关管驱动芯片EiceDRIVERIC .......................................................................53 图77:英飞凌营收情况(亿元) ............................................................................................................53 图78:英飞凌净利润情况(亿元) ........................................................................................................53 图79:英飞凌第三代半导体相关营业收入及其占比(百万欧元)............................................54 图80:意法半导体制造首批200mm碳化硅晶圆.............................................................................54 图81:意法半导体营收情况(亿元) ...................................................................................................55 图82:意法半导体净利润情况(亿元) ..............................................................................................55 图83:意法半导体ADG部分营业收入情况(百万美元) ............................................................56 图84:住友电工商业发展..........................................................................................................................56 图85:住友电工销售额...............................................................................................................................57 图86:住友电工营业利润..........................................................................................................................57 图87:住友电工电子板块营收情况(百万日元) ............................................................................57 图88:截至2017年全球申请主体排名前十位..................................................................................58 图89:第二代SiC功率模块产品与传统产品的比较........................................................................58 图90:GaN-HEMT部分正在开发中的新产品....................................................................................59 图91:三菱电机营收情况(百万人民币) ..........................................................................................59 图92:三菱电机净利润情况(百万人民币) .....................................................................................59 图93:三菱电机电子设备板块营收情况..............................................................................................60 图94:三菱电机电子设备板块净利润情况..........................................................................................60 图95:2020年三菱电机各板块收入占比情况....................................................................................60 图116:集成芯片功率图............................................................................................................................60 图117:DC-DC转换器对比......................................................................................................................61 图118:纳微半导体营收情况(单位:百万日元)..........................................................................61 图96:三安光电化合物半导体布局广泛..............................................................................................62 图97:三安集成营收逐年增长(亿元),2021H1超过2020全年营收.....................................63 图98:三安光电在氮化镓的应用领域...................................................................................................63 图99:安世半导体GaNFET系列产品..................................................................................................65 图100:闻泰科技营收情况(亿元) .....................................................................................................65 图101:闻泰科技归母净利润情况(亿元) .......................................................................................65 行业报告|行业深度研究 6 图102:闻泰科技毛利率、净利率情况.................................................................................................65 图103:斯达半导营收(亿元)稳步上升............................................................................................66 图104:斯达半导净利润(亿元)稳步上升.......................................................................................66 图105:斯达半导毛利率、净利润率稳步上升...................................................................................66 图106:华润微营收(亿元)情况..........................................................................................................67 图107:华润微归母净利润(亿元)情况............................................................................................67 图108:华润微毛利率、净利率情况.....................................................................................................68 图109:立昂东芯技术路线........................................................................................................................68 图110:立昂微营收(亿元)稳步上升.................................................................................................68 图111:立昂微净利润(亿元)稳步上升............................................................................................68 图112:立昂微毛利率、净利率情况.....................................................................................................69 图113:士兰微营收(亿元)情况..........................................................................................................69 图114:士兰微净利润(亿元)情况.....................................................................................................69 图115:士兰微毛利率、净利率情况.....................................................................................................70 图119:公司营业总收入与同比增长情况............................................................................................71 图120:扣非归母净利润与同比增长情况............................................................................................71 图121:新洁能营收(亿元)情况..........................................................................................................71 图122:新洁能归母净利润(亿元)情况............................................................................................71 图123:新洁能毛利率、净利率情况.....................................................................................................72 图124:扬杰科技营收(亿元)情况.....................................................................................................72 图125:扬杰科技归母净利润(亿元)情况.......................................................................................72 图126:扬杰科技毛利率、净利率情况.................................................................................................72 图127:赛微电子营收(亿元)情况.....................................................................................................73 图128:赛微电子归母净利润(亿元)情况.......................................................................................73 图129:赛微电子毛利率、净利率情况.................................................................................................74 图130:捷捷微电营收(亿元)情况.....................................................................................................74 图131:捷捷微电归母净利润(亿元)情况.......................................................................................74 图132:捷捷微电毛利率、净利率情况.................................................................................................74 图133:华微电子营收(亿元)情况.....................................................................................................75 图134:华微电子归母净利润(亿元)情况.......................................................................................75 图135:华微电子毛利率、净利率情况.................................................................................................75 图136:时代电气营收(亿元)情况.....................................................................................................76 图137:时代电气归母净利润(亿元)情况.......................................................................................76 图139:公司营业收入与同比增长状况.................................................................................................77 图138:公司营收和同比增长情况..........................................................................................................78 表1:GaN单晶衬底的生长工艺..............................................................................................................15 表2:国内SiC晶圆制造产线....................................................................................................................22 表3:国内GaN晶圆制造产线..................................................................................................................22 表4:2020年我国SiC产能统计..............................................................................................................22 表5:2020年我国GaN产能统计...........................................................................................................23 行业报告|行业深度研究 7 表6:GaN异质外延产品主流尺寸及国内外代表企业....................................................................43 表7:国际主要企业SiC布局情况...........................................................................................................44 表8:全球GaN产业格局...........................................................................................................................46 表9:2020年度国家发布的半导体相关政策列表.............................................................................48 表10:意法半导体2020年产业链合作情况.......................................................................................55 表11:三安光电核心技术服务.................................................................................................................62 表12:安世半导体核心技术先进性........................................................................................................64 行业报告|行业深度研究 8 1.下游应用迭起+能源安全+后摩尔时代驱动第三代半导体大发展 我们认为第三代半导体主要受三大核心因素驱动: 1)下游应用迭起,第三代半导体因物理性能优异竞争力极强 2)能源安全需求迫在眉睫,第三代半导体助力“碳达峰、碳中和”目标的实现 3)后摩尔时代来临,第三代半导体为代表的核心材料是芯片性能的提升的基石 第三代半导体一般指禁带宽度大于2.2eV的半导体材料,也称为宽禁带半导体材料。

半导 体产业发展至今经历了三个阶段,第一代半导体材料以硅为代表;第二代半导体材料砷 化镓也已经广泛应用;而以氮化镓和碳化硅、氧化锌、氧化铝、金刚石等宽禁带为代表 的第三代半导体材料,相较前两代产品性能优势显著。

我们认为在下游应用+能源安全+后摩尔时代三者推动下,第三代半导体将迎来大发展。

1)下游应用迭起,第三代半导体因物理性能优异竞争力极强 第三代半导体主要在三个领域有强大的市场的竞争力: 第一是新能源汽车等带动第三代半导体在大功率电力电子器件起量。

快充装置、输变电 系统、轨道交通、电动汽车和充电桩等都需要大功率、高效率的电力电子器件。

无疑宽 禁带半导体,尤其是碳化硅、氮化镓具有比其他半导体材料更为明显的优势。

第二是AIoT时代驱动的光电器件大发展。

在AIoT时代,智慧化产品渗透率更加迅速提 升,智能家居照明市场将迎来机遇。

第三代半导体尤其在短波长光电器件方面有很明显 的优势。

例如蓝光,现在所有的半导体照明已经采用了氮化镓。

在紫光、紫外光甚至在 黄光、绿光等方面都可以直接用氮化物半导体作为材料。

第三是5G时代驱动GaN射频器件快速发展。

相比于砷化镓和硅等半导体材料,在微波 毫米波段的第三代半导体器件工作效率和输出功率明显高,适合做射频功率器件。

民用 射频器件主要用在移动通信方面,包括现在的4G、5G和未来的6G通信。

例如,国内新 装的4G和5G移动通信的基站几乎全用氮化镓器件。

尤其是5G基站采用MIMO收发体 制,每个基站64路收发,耗电量是4G基站的3倍以上,而且基站的密集度还要高于4G 基站,不用高效率的氮化镓器件几乎是不可能的。

未来6G通信频率更高、基站数更多, GaN将更加突出。

图1:2016-2025年我国SiC、GaN电力电子器件应用市场规模(亿元) 资料来源:CASAResearch、天风证券研究所 2)能源安全需求迫在眉睫,第三代半导体助力“碳达峰、碳中和”目标的实现 行业报告|行业深度研究 9 第三代半导体助力“碳达峰、碳中和”目标的实现。

第三代半导体材料和技术对于建 成可循环的高效、高可靠性的能源网络起到至关重要的作用,可助力实现光伏、风电 (电能生产),直流特高压输电(电能传输),新能源汽车、工业电源、机车牵引、消费 电源(电能使用)等领域的电能高效转换,推动能源绿色低碳发展。

当前能源技术革命已经从电力高端装备的发展逐步向由材料革命的发展来带动和引领, 第三代半导体有望成为绿色经济的中流砥柱。

习近平总书记提出了“四个革命、一个合 作”的能源安全战略,承诺中国在2030年前实现碳达峰,2060年前实现碳中和。

国家 电网“碳达峰、碳中和”行动方案提出了“两个50%”的目标,2050年清洁能源占电能 生产的比例将超过50%,电能在终端能源消费中的占比将超过50%。

实现“碳达峰、碳中 和”关键在于加快推进能源开发清洁替代和能源消费电能替代,实现能源生产清洁主导、 能源使用电能主导。

图2:第三代半导体实现能源安全 资料来源:Yole,界面新闻研究部、天风证券研究所 3)后摩尔时代来临,第三代半导体为代表的核心材料是芯片性能的提升的基石 后摩尔时代来临,本土半导体板块迎来加速追赶黄金期。

摩尔定律(Moore’s Law)先 进工艺驱动芯片持续微缩的同时也导致了所需成本指数级增长、开发周期拉长、良率下 降,盈利风险明显升高。

随着28nm推进到20nm节点,单个晶体管的成本不降反升,性 能提升也逐渐趋缓,这标志着后摩尔时代来临。

为此芯片行业需要去寻找新的技术去支 撑芯片继续前进,这意味着摩尔定律形成的多年先发优势或不再受用,后发者如果能够 提前识别并做出前瞻性布局,完全存在换道超车的可能性。

材料工艺是芯片研发的主旋律。

第三代半导体为主的新材料是芯片制造工艺中的核心挑 战,是芯片性能的提升的基石。

以SiC、GaN为代表的宽禁带半导体材料,拥有高的击穿 电场强度、高的工作温度、低的器件导通电阻、高的电子密度等优势,目前宽禁带半导 体主要在射频器件、大功率电力电子器件、光电器件三个领域有强大的市场的竞争力。

同时,在化合物半导体与硅器件高度结合,在硅衬底上生长化合物,是后摩尔时代的一 个非常有意义、非常有发展潜力的领域。

1.1.第三代半导体:优势显著,下游应用场景极为广阔 第三代半导体物理性能优势显著,下游应用场景极为广阔。

半导体材料领域至今经历了 多个发展阶段,相较而言,第三代半导体在工作频率、抗高温和抗高压等方面更具优势。

第一代半导体材料主要包括硅(Si)和锗(Ge),于20世纪40年代开始登上舞台,目前 主要应用于大规模集成电路中。

但硅材料的禁带宽度窄、电子迁移率低,且属于间接带 隙结构,在光电子器件和高频高功率器件的应用上存在较大瓶颈,因此其性能已难以满 足高功率和高频器件的需求。

第二代半导体材料的主要代表是砷化镓(GaAs)、磷化铟 (InP),这类材料已经具备了直接带隙的物理结构特性,发光效率高,而且相较于上一代 材料在工作频率、抗高温和抗高压等方面更具优势,因此广泛运用于光电和射频领域。

行业报告|行业深度研究 10 图3:半导体材料的演化 资料来源:新材料在线、天风证券研究所 第三代半导体的优异性能使其在半导体照明、新一代移动通信、新能源并网、智能电网、 高速轨道交通、新能源汽车、消费类电子等领域具有广阔的应用前景。

第三代半导体包 括碳化硅(SiC)、氮化镓(GaN)、氧化锌(ZnO)、氧化镓(GaO)、氮化铝(AlN),以 及金刚石等宽禁带半导体材料,其中以碳化硅(SiC)和氮化镓(GaN)最具代表性。

第 三代半导体材料具备高击穿电场、高热导率、高电子饱和速率及抗强辐射能力等优异性 能,是固态光源和电力电子、微波射频器件的“核芯”,正在成为全球半导体产业新的 战略高地。

本文主要论述的第三代半导体为碳化硅(SiC)和氮化镓(GaN)。

图4:硅和化合物半导体应用的范围 资料来源:英飞凌、《全球化合物半导体产业竞争格局及未来发展机遇》,作者宫学源、天风证券研究所 分类来看,SiC适用于中高压器件,GaN适用于中低压器件,两者重合部分为汽车电子和 光伏板块。

1.2.物理性能:能力损耗低、封装尺寸小、散热能力强 图5:碳化硅综合优势比较 第一代 半导体 主要材料:Si、Ge 技术标志:大晶片尺寸,窄线条宽度,如12英寸、0.15μm技术 主要产品:以大规模集成电路为主要技术的计算机等电子产品 第二代 半导体 主要材料:GaAS、lnP等砷化物和磷化物 技术标志:使通讯速度、信息容量、存储密度大幅提高 主要产品:以光发射器件为基础的光显示、光通讯和光储存系统 第三代 半导体 主要材料:SiC、GaN、ZnO、ZnSe、AIN、金刚石等 技术标志:禁带宽度更高 主要产品:制作抗辐射、高频、大功率和高密度集成的电子器件 行业报告|行业深度研究 11 资料来源:美股探路客、天风证券研究所 SiC材料相比于Si材料有着显著的优势。

目前车规级半导体主要采用硅基材料,但受自 身性能极限限制,硅基器件的功率密度难以进一步提高,硅基材料在高开关频率及高压 下损耗大幅提升。

与硅基半导体材料相比,以碳化硅为代表的第三代半导体材料具有高 击穿电场、高饱和电子漂移速度、高热导率、高抗辐射能力等特点。

下表是三代半导体 衬底材料的指标参数对比,可看出SiC材料具有Si材料不可比拟的优势,具体优势体现 在: (1)能量损耗低。

SiC模块的开关损耗和导通损耗显著低于同等IGBT模块且随着开关频 率的提高,与IGBT模块的损耗差越大,SiC模块在降低损耗的同时可以实现高速开 关,有助于降低电池用量,提高续航里程,解决新能源汽车痛点。

(2)更小的封装尺寸。

SiC器件具备更小的能量损耗,能够提供较高的电流密度。

在相同 功率等级下,碳化硅功率模块的体积显著小于硅基模块,有助于提升系统的功率密度。

(3)实现高频开关。

SiC材料的电子饱和漂移速率是Si的2倍,有助于提升器件的工作 频率;高临界击穿电场的特性使其能够将MOSFET带入高压领域,克服IGBT在开关 过程中的拖尾电流问题,降低开关损耗和整车能耗,减少无源器件如电容、电感等 的使用,从而减少系统体积和重量。

(4)耐高温、散热能力强。

SiC的禁带宽度、热导率约是Si的3倍,可承受温度更高, 高热导率也将带来功率密度的提升和热量的更易释放,冷却部件可小型化,有利于 系统的小型化和轻量化。

图6:三类代表性半导体材料物理特性比较 行业报告|行业深度研究 12 资料来源:《全球化合物半导体产业竞争格局及未来发展机遇》,作者宫学源、天风证券研究所 GaN作为第三代半导体具有宽带隙(3.4 eV)、击穿场强大(3.3 MW / cm)、电子饱和 漂移速度高(2.7 * 107 cm / s)等物理结构优势。

在以往的半导体材料中,Si是目前集成 电路及半导体器件的主要材料,但其带隙窄,击穿电压低,在高频高功率器件的应用上 效果不佳。

以GaAs代表的第二代半导体材料由于电子迁移速率高,抗辐射等优点在微波 通信领域有着重要的应用价值,是目前通信用半导体材料的基础。

然而,GaAs的带隙和 击穿电压仍难以满足高频高功率器件的要求。

而GaN相较前两代半导体材料具有更大的 禁带宽度和击穿电压,同时化学稳定性高,能够耐高温,耐腐蚀,因此在光电器件以及 高频高功率电子器件应用上具有广阔的前景。

1.3.制备成本:与传统产品价差持续缩小,综合成本优势明显 第三代半导体制备方法: Si单晶主要采用直拉法,生长速度较为缓慢。

对于硅来说,72h可生长出2m~3m左右 的硅单晶棒,一根单晶棒一次能切下上千片硅片,12in(305mm)是高端IC芯片主流尺 寸。

SiC没有液态,只有固态和气态,升华温度约2700℃,不能用拉硅单晶的方法制备。

目前制备半导体级高纯度SiC单晶,主要为Lely改良法,最快的SiC单晶生长方法,生 长速度在每小时0.1mm~0.2mm左右,72h仅生长7.2mm~14.4mm。

GaN主要在蓝宝石衬底上生长GaN厚膜,价格较为昂贵。

GaN极其稳定,熔点约为 1700℃,具有高电离度,很难采用熔融的结晶技术制作GaN衬底。

目前主要在蓝宝石衬 底上生长GaN厚膜,然后通过剥离技术实现衬底和厚膜分离,将分离后的GaN厚膜做为 外延用衬底,主流尺寸为2in(50mm)。

由于价格昂贵,限制了GaN厚膜衬底的应用。

产品价格不断下降,达到甜蜜点。

影响SiC、GaN功率器件价格下降的原因有以下四个 方面:第一,上游衬底产能持续释放,供货能力提升,材料端衬底价格下降,器件制造 成本降低;第二,量产技术趋于稳定,良品率提升,产能持续扩张,拉动市场价格下降; 第三,器件的产线规格由4英寸转向6英寸、制造技术进一步提升,单片晶圆产芯片量 大幅提升,导致成本大幅下降;第四,随着更多量产企业加入,竞争加剧,导致价格进 一步下降。

整体来看,根据CASA的跟踪,SiC、GaN产品的价格近几年来快速下降, 较2017年下降了50%以上,而主流产品与Si产品的价差也在持续缩小,已经基本达到4 倍以内,部分产品已经缩小至2倍,已经达到了甜蜜点。

尽管第三代半导体衬底成本相对较高,但综合成本优势大于传统硅基,与传统产品价差 持续缩小。

未来随着全球半导体厂商加速研发及扩产,产线良率将逐步提高,从而提高 晶圆利用率,将会有效降低器件成本。

以碳化硅为例分析,由于生产设备、制造工艺、 良率与成本的劣势,碳化硅基器件过去仅在小范围内应用。

SiC功率半导体商业化的最大 瓶颈是衬底成本过高。

目前国际主流SiC衬底尺寸为4英寸和6英寸,晶圆面积较小、芯 行业报告|行业深度研究 13 片裁切效率较低、单晶衬底及外延良率较低导致SiC器件成本高昂,叠加后续晶圆制造、 封装良率较低,且载流能力和栅氧稳定性仍待提高,SiC器件整体成本仍处于较高水平。

晶体生产难度大导致SiC材料昂贵,根据Yole Development测算,单片成本SiC比Si基 产品高出7-8倍。

图7:同规格碳化硅器件与硅器件对比 资料来源:ROHM、天科合达科创板首次公开发行股票招股说明书(申报稿)、天风证券研究所 体积减少,功耗降低等优势使SiC综合优势大于传统硅基材料。

以SiC材料在新能源电动 汽车上的应用为例,在考虑成本的时候,除了器件本身的成本,还要考虑因为性能提高 而带来的车辆总成本的下降。

具体来说,采用SiC技术后,开关频率可以设计得更高,从 而能提高器件能效,减小无源器件的尺寸,并缩减模块的整体规格。

此外,SiC解决方案 所带来的高能效也可以降低动力电池冷却系统的尺寸。

以上这些,在电动车总成本中有 很高的占比。

综合下来,与传统硅基解决方案相比,SiC解决方案可使整车半导体成本节 省近2000美元。

显然,这是SiC给汽车制造商带来的实在的成本效益。

2020年,SiC电力电子器件价格进一步下降,与同类型Si器件价差缩小。

CASA第三代 半导体产业发展报告的数据显示,在公开报价方面,650V的SiCSBD 2020年底的平均价 格是1.58元/A,较2019年底下降了13.2%,与Si器件的价差在3.8倍左右。

1200V的 SiCSBD的平均价是3.83元/A,较2019年下降了8.6%,与Si器件的差距在4.5倍左右。

据CASA调研显示,实际成交价低于公开报价。

650V的SiCSBD的实际成交价格约0.7 元/A,1200V的SiCSBD价格约1.2元/A,基本约为公开报价的60%-70%,较上年下降了 20%- 30%,实际成交价与Si器件价差已经缩小至2-2.5倍之间。

而SiCMOSFET价格下降 幅度达30%-40%,与Si器件价差收窄到2.5-3倍之间。

图8:2017年-2020年650V的SiCSBD价格持续下降(元/A) 图9:2017年-2020年1200V的SiCSBD价格持续下降(元/A) 资料来源:CASA第三代半导体产业发展报告、天风证券研究所 资料来源:CASA第三代半导体产业发展报告、天风证券研究所 未来随着全球半导体厂商加速研发及,产线良率与晶圆利用率逐步提高,将会有效降低 SiC器件成本,SiC将迎来高速增长。

2019年,SiC上游材料和芯片的主导企业如CREE、 II-VI、Rohm等都处于供不应求状态,开展扩产并向产业链上下游延伸是大势所趋。

各大 机构的SiC技术布局主要集中在场效应晶体管和发光二极管等电子器件领域,以及沉积方 法、介电层、电极、等加工工艺方面。

作为新一代能源技术革命,SiC和GaN电力电子 器件在电源转换、逆变器等应用中已经具有技术和综合成本优势,规模化生产会促进价 格进一步下降。

因其高性能低成本的优势,SiC器件在新能源车中的渗透率有望不断提升, 据英飞凌预测渗透率将从2020年的3%提升至2025年的20%。

据国际能源署预测,在全 4.1 2.84 1.82 1.581.5 1.02 0.75 0.42 2017年2018年2019年2020年 650VSiCSBD 650VSi FRD 6.55 7.54 4.193.83 2 1.320.940.86 2017年2018年2019年2020年 1200VSiCSBD 1200VSi FRD 行业报告|行业深度研究 14 球可持续经济发展的大背景下,全球电动汽车保有量将从2019年的720万辆增长至 2030年的2.45亿辆,随之车用SiC功率器件有望迎来快速增长。

与此同时,新能源汽车 充电桩的加速建设,也为SiC半导体产业打开了一个巨大的增量市场。

一个直流充电桩大 约需要170个MOS,SiC器件用在充电桩中具有高功率密度、超小体积的优势,并且支 持快速充电,成为未来的发展趋势。

随着SiC器件在充电桩渗透率的不断提升,对上游 SiC衬底和外延片的需求量也将保持快速增长态势。

SiC制备方法: 碳化硅传统的制备方法是将石英砂与焦炭混合,利用其中的二氧化硅和石油焦,加入食 盐和木屑,置于电炉中,加热到2000 °C左右高温,经过各种化学工艺流程后得到碳化硅 微粉。

目前SiC晶体的制备方法主要有液相生长法和物理气相传输法两种方法。

液相生长法主要集中在日本的高校和科研院所。

其采用中频加热,高纯石墨坩埚作为容 器,同时提供碳源。

溶液加热到1500~1900 °C保温数小时,黏在石墨棒上的籽晶跟随着 石墨棒一同浸入溶液中,由于石墨坩埚中的温差,提供了晶体生长的过冷度,进而在籽 晶上生长晶体。

物理气相传输法(physical vapor transport method,PVT法)是目前大规模产业化主要采 用的方法。

该方法使用感应线圈进行加热,在涡流作用下高密度石墨发热体将被加热。

将碳化硅(SiC)粉体填满石墨坩埚的底部,碳化硅(SiC)籽晶粘结在距原料面有一定距离的石 墨坩埚盖内部,然后将石墨坩埚整体置于石墨发热体中,通过调节外部石墨毡的温度, 使碳化硅(SiC)的原料置于高温区,而碳化硅(SiC)籽晶相应的处于低温区。

在超过2000 ° C高温下,碳化硅原料分解成升华的硅原子、SiC2分子以及Si2C分子等气相物质,气象物 质在温度梯度的驱动下向低温区输送,在碳化硅(SiC)籽晶的C面上形核成晶,进而生长 成碳化硅(SiC)晶体。

为了提高碳化硅(SiC)原料的利用率,使处于石墨坩埚最底部的原料能 够顺利输送上去,在生长过程中原料将缓慢上移。

SiC制备技术门槛较高。

这是由于在2000°C以上的高温密闭真空环境中生长出大尺寸、 高品质、单一晶型的碳化硅晶体,需要精确的热场控制、材料匹配及经验积累。

因此, 行业参与者需要长期和大量的投入,才有可能在技术上取得突破,较高的技术门槛也制 约了行业的快速发展。

图10:碳化硅单晶生长示意图(左:液相生长法;右:物理气相传输法) 资料来源:宽禁带碳化硅单晶衬底及器件研究进展,作者肖龙飞、天风证券研究所 GaN制备方法: 高质量的GaN基器件需要高质量的GaN体单晶材料作为衬底。

尽管GaN材料具有广阔 的运用前景,但是由于同质单晶衬底的尺寸、产能及成本的限制,目前大部分GaN基器 件都是在异质衬底(比如硅、SiC、蓝宝石等)上制备的,因此容易使GaN外延层与衬底 之间产生晶格失配及热失配并导致器件内部产生大量的位错、缺陷,进而引发电流崩塌、 行业报告|行业深度研究 15 阈值电压不稳定等问题,损耗GaN基器件的性能和使用寿命。

因此,要使得GaN基器 件性能接近理论值水平,就需要高质量的GaN体单晶材料作为衬底。

表1:GaN单晶衬底的生长工艺 生长技术位错密度生长压力生长温度生长速度 HVPE技术105 ~ 106 cm-21 atm(约1.01 x 105 Pa) 1000 ~ 1050 ℃ 100 ~ 200 μm/h 氨热法102 ~ 103 cm-2100 ~ 600 MPa 400 ~ 750 ℃ 20 μm/d 助熔剂法104 ~ 105 cm-21 ~ 8 MPa 700 ~ 900 ℃ 10 ~ 60 μm/h 资料来源:《氮化镓单晶衬底制备技术发展与展望》,作者姜元希、天风证券研究所 目前,GaN单晶材料的生长方式主要分为气相外延与液相外延两种方式。

前者主要使用 氢化物气相外延技术(HVPE),后者主要采取氨热法和助熔剂法(即钠流法)。

HVPE法由于生长速率高,能得到大尺寸晶体的优点,是目前制备GaN单晶衬底的主流 生长技术。

通过气态HCI与液态金属镓反应生成GaCI气体来提供Ga源,Ga源与N源 (气态NH3)在1000 ~ 1050 ℃下反应,沉积结晶形成GaN。

通过优化反应设备和生长 条件来实现对HCI及NH3气体的流量控制,使得GaN单晶能够快速生长。

该法还运用侧 向外延(ELO)技术使位错线弯曲、合并来促进位错的湮灭,进而减少位错密度等方法来 提高晶体质量并释放生长应力。

图11:HVPE生长设备 资料来源:《氮化镓单晶衬底制备技术发展与展望》,作者姜元希、天风证券研究所 氨热法法是在高压釜中进行生长的。

生长过程中,将用作原料的金属Ga或GaN溶解在 高压釜一个区域的氨中,通过对流将GaN传输至低溶解度的生长区,溶液达到过饱和在 籽晶上重结晶生成GaN单晶。

通常,通过矿化剂的加入可以提高加速氨的离解并增加Ga 或GaN的溶解度,根据加入矿化剂的类型,可以分为酸性矿化剂和碱性矿化剂。

图12:氨热法生长示意图 图13:助熔剂法生长过程示意图 资料来源:《氮化镓单晶衬底制备技术发展与展望》,作者姜元希、天风证券 资料来源:《氮化镓单晶衬底制备技术发展与展望》,作者姜元希、天风证券 行业报告|行业深度研究 16 研究所研究所 助熔剂法又称钠流法(Na-Flux)。

该法通过向Ga熔体中加入Na,利用Na的强还原能 力,促进N2的电离,提高N在Ga熔体中的溶解度,实现Ga和N的反应。

该方法可以 在相对低的温度(~800 ℃)和压力(<5 MPa)下实现GaN的生长。

Ga-Na熔融液体中 的Na在气液界面处使氮气的氮三键断裂,形成N-3离子。

溶液内伴随着温度梯度或浓 度梯度的驱动,N-3离子逐渐趋于过饱和,当Ga-Na熔融液体中氮的溶解度超过GaN结 晶生长所需的临界值时,则开始形成自发成核的GaN,或在GaN籽晶上继续成核生长。

1.4.产业链:龙头效应初显,国内企业快速追赶 第三代半导体产业链环节包括单晶衬底、外延片、器件设计、器件制造、封装测试、整 机终端。

与Si材料不同,SiC和GaN器件不能直接制作在单晶衬底上,必须在衬底上生 长高质量外延材料,在外延层上制造各类器件。

SiC功率器件用外延片主要生长在SiC单晶衬底上。

GaN器件根据其应用领域不同衬 底材料主要包括蓝宝石、GaN、Si、SiC,其中蓝宝石衬底目前最大尺寸为6in (152mm),生产GaN外延片质量好,价格便宜,主要用于光电子器件中LED芯片, 由于其与GaN晶格失配度较大,导电性、导热性差,无法用于射频器件;GaN单晶衬 底目前量产最大尺寸为2in(50mm),外延片质量极好,但价格昂贵,目前主要用于光 电子器件中激光器;Si单晶衬底是GaN功率器件最主要的衬底材料,外延片质量良好, 最大应用尺寸为8in(203mm),价格便宜,是消费电子电源芯片最主要选择;SiC衬 底目前国内量产尺寸为4in~6in(101mm~152mm),SiC衬底与GaN的失配小, 生长的GaN外延片质量很好,同时SiC衬底热导率高,散热性能好,但价格贵,主要 应用于5G基站射频前段芯片、军用雷达等领域。

单晶衬底和外延片的材料制造能力、晶 圆尺寸、性能参数决定了第三代半导体产业的发展水平及进程。

图14:GaN/SiC不同衬底应用情况 资料来源:广西壮族自治区大数据研究课题组、广西信息中心网、天风证券研究所 SiC产业链主要包含粉体、单晶材料、外延材料、芯片制备、功率器件、模块封装和应用 等环节。

从产业链格局来看,美国仅科锐一家公司的SiC晶圆产量就占据全球60%以上, 日本和欧洲紧随其后。

日本在SiC半导体设备和功率模块方面优势较大,比较典型的企业 包括富士电机、三菱电机、昭和电工、罗姆半导体等。

欧洲在SiC衬底、外延片等方面优 势较大,典型的公司包括瑞典的Norstel、德国的英飞凌和瑞士的意法半导体。

与国外企 业相比,国内企业整体竞争力较弱,但在全产业链上都有所布局,且近年来的进步十分 迅速。

在SiC衬底方面,山东天岳、天科合达可以供应3 ~6英寸的单晶衬底,产能亦在 不断提升;在SiC外延方面,东莞天域和瀚天天成均能够供应3 ~6英寸的SiC外延;在 行业报告|行业深度研究 17 SiC器件方面,以三安光电、中电科55所和中车时代为代表的国内企业在芯片设计与制 造、模块封装等方面均已有深厚的积累。

图15:SiC产业链重点企业 资料来源:材料深一度公众号、佐思汽车研究公众号、广西信息中心网、广西壮族自治区大数据研究课题组、第三代半导体联合创新孵化中心、天风证券研究 所整理制图 GaN产业链包括上游衬底、中游外延片、下游器件模块等环节。

GaN产业,住友电工和 科锐是全球GaN射频器件领域的龙头企业,市场占有率均超过30%,其次为Qorvo和 MACOM。

苏州纳维科技,是国内唯一一家,国际上少有的几家能批量生产2in(50mm) GaN的企业;东莞中镓,建成国内首家专业氮化镓衬底生产线,可以制备出1100μm的 自支撑GaN衬底;苏州晶湛、聚能晶源均可以生产8in(203mm)硅基氮化镓外延片; 世纪金光,是涵盖SiC、GaN单晶、外延、器件、模块研发设计生产销售一体的公司; 润微电子收购中航微电子,拥有8in(203mm)硅基氮化镓生产线和国内首个600V/10A GaN器件产品;士兰微,拥有6in(152mm)硅基氮化镓功率器件生产线。

图16:GaN产业链重点企业 行业报告|行业深度研究 18 资料来源:广西信息中心网、锐观网、广西壮族自治区大数据研究课题组、第三代半导体联合创新孵化中心、天风证券研究所整理制图 我国第三代半导体主要公司布局情况: 图17:SiC产业链重点企业布局及投资情况 行业报告|行业深度研究 19 资料来源:上海集成电路产业发展研究报告、华润微半年报、闻泰科技半年报、创道硬科技研究院、天风证券研究所制图 图18:GaN产业链重点企业布局及投资情况 行业报告|行业深度研究 20 资料来源:上海集成电路产业发展研究报告、华润微半年报、闻泰科技半年报、YUQUE、天风证券研究所制图 1.5.能源安全:第三代半导体有望成为绿色经济的中流砥柱 SiC助力汽车降低5倍能力损耗。

以第三代半导体的典型应用场景——新能源汽车为例, 根据福特汽车公开的信息,相比于传统硅芯片(如IGBT)驱动的新能源汽车,由第三代 半导体材料制成芯片驱动的新能源汽车,可以将能量损耗降低5倍左右。

SiC提高电机逆变器效率4%,整车续航里程约7%。

作为第三代半导体的代表,碳化硅技 术的应用与整车续航里程的提升也有着紧密的联系,第三代半导体材料在提高能效、电 源系统小型化、提高耐压等方面的性能已经达到了硅器件无法企及的高度。

小鹏汽车动 力总成中心IPU硬件高级专家陈宏表示,相比硅基功率半导体,第三代半导体碳化硅 MOSFET具有耐高温、低功耗及耐高压等特点。

采用碳化硅技术后,电机逆变器效率能够 提升约4%,整车续航里程将增加约7%。

SiC赋能光伏发电,增加太阳能转换效率。

碳化硅作为典型的宽禁带材料,因其物理特性 在太阳能管理中相比硅具有多种材料优势。

碳化硅具备的材料优势诸如导热率是硅的三 倍、可承受的击穿电场是硅的10倍、较低的导通电阻、栅极电荷和反向恢复电荷特性, 使得碳化硅器件与硅同等器件相比,可以以更高的电压、频率和电流来开关,同时更高 效地管理热量累积。

碳化硅的这些优势在功率升压电路中发挥了作用,它使太阳能转换 的效率更高。

据国际能源署IEA估计,如果到2024年,假如仅2%的分布式太阳能光伏系 统部署了碳化硅,其额外可产生的发电量将多达10GW。

图19:采用SiCMOSFET的双通道升压模块 行业报告|行业深度研究 21 资料来源:安森美半导体,电子工程专辑,天风证券研究所 GaN和SiC是太阳能逆变器的关键。

据Lux Research研究,由氮化镓和碳化硅制成的分 布式电力电子系统可以将太阳能微型和串状逆变器的效率提高98%以上,二极管的能量增 益超过1.5%,而晶体管的能量增益超过4%。

氮化镓和碳化硅还可以通过降低无源元件的 故障率、减少占地面积和节省安装成本等方式间接节约成本。

此外,他们优越的热导率 减少了逆变器中散热器的尺寸,进而减少了材料成本。

超高压SiC器件在智能电网固态变压器中的应用有利于智能电网的进一步发展。

在电网 系统建设中,电力变压器是电压变换和电气隔离的基础设备,是电力网络的核心。

固态 变压器(SST)又称电力电子变压器,与传统变压器相比,具有体积小、重量轻、供电质量 高、功率因数高、自动限流、具备无功补偿能力、频率变换、输出相数变换等优点。

图20:智能电网示意图 资料来源:半导体行业观察,天风证券研究所 但是由于在电压、功率耐量等方面的限制,硅基大功率器件在固态变压器应用中不得不 采用器件串、并联技术和复杂的电路拓扑来达到实际应用的要求,这使得装置的故障率 和成本大大增加。

而宽禁带半导体材料碳化硅则因其耐高压和耐高温的物理特性,可以 更好地适应于智能电网的固态变压器的材料需求,简化固态变压器的电路结构,减小散 热器空间,并通过提升开关频率来提高单位功率密度。

GaNFET在汽车和工业领域独具优势,助力减少碳排放。

GaNFET有较高功率密度和效率, 并可以大幅减少电源磁性器件的尺寸、延长电池续航、提升系统可靠性、降低设计成本。

第三代半导体材料在汽车和工业领域的应用也有助于生产生活中节约能耗,进而减少相 行业报告|行业深度研究 22 关活动的碳排放。

GaN功率器件在数据中心的应用可以大幅降低数据中心的能耗,帮助减少30-40%的能源 浪费。

据元拓高科官网资讯,若全球采用硅芯片器件的数据中心都升级为氮化镓功率芯 片器件,那么全球的数据中心将减少30-40%的能源浪费,相当于节省了100兆瓦时太阳 能和减少1.25亿吨二氧化碳排放量。

2.供需测算:产业链各环节产能增长,但供给仍然不足 2.1.供给端:产线陆续开通,产能不断增加 产线陆续开通,大尺寸晶圆渐成主流。

衬底方面:2020年烁科晶体SiC衬底项目投产, 同时天科合达、同光晶体、南砂晶圆等几大衬底生产商均在扩张6英寸衬底产能。

器件 方面:SiC产线从4英寸向6英寸发展。

据CASAResearch不完全统计,2020年国内投 产3条6英寸SiC晶圆产线,截至2020年底,国内至少已有8条6英寸SiC晶圆制造产 线(包括中试线),另有约10条SiC生产线正在建设。

GaN电力电子产线方面,已有7条GaN-on-Si晶圆制造产线,另有约4条GaN电力电 子产线正在建设。

GaN射频产线方面,2020年有5条4英寸GaN-on-SiC生产线,约有 5条GaN射频产线正在建设。

值得注意的是,大尺寸产线对材料技术和生产技术的要求 更高,与国际相比,国内大尺寸晶圆制造技术尚未完全成熟,成本高昂、良率较低。

企 业要根据自身情况,综合考虑技术、成本、生产效率等多方面因素,选取最优的工艺路线。

表2:国内SiC晶圆制造产线 应用环节产线状态产线数量主要企业(不完全) SiC电力电子已有产线7条泰科天润、三安光电、中电科55所、世纪金光、国家电网 全球能源互联网研究院、中车时代半导体、华润微 新增产线3条上海积塔半导体、芜湖启迪半导体、泰科天润 在建产线10条三安光电、燕东微电子、中科汉韵、富能半导体、广东芯聚 能、南京百识电子、青岛惠科、华瑞微等 资料来源:CASAResearch、天风证券研究所 表3:国内GaN晶圆制造产线 应用环节产线状态产线数量主要企业(不完全) GaN电力电子已有产线7条英诺赛科、赛微电子、华润微、能华微电子、宁波海特创电 控、三安光电 在建产线3条英诺赛科、大连芯冠、欣忆电子 资料来源:CASAResearch、天风证券研究所 产能统计: 据CASAResearch数据显示,SiC电力电子方面SiC导电型衬底折算4英寸产能约为40 万片/年,SiC-on-SiC外延片折算6英寸产能约为22万片/年,SiC-on-SiC器件/模块 ( 4/6英寸兼容)产能约26万片/年。

GaN电力电子方面GaN-on-Si外延片折算6英 寸产能约为28万片/年,GaN-on-Si器件/模块折算6英寸产能约为22万片/年。

GaN 微波射频方面SiC半绝缘衬底折算4英寸产能约为18万片/年,GaN-on-SiC外延片折 算4英寸产能约为20万片/年,GaN-on-SiC器件/模块折算4英寸产能约为16万片/ 年。

表4:2020年我国SiC产能统计 应用方向产业环节2019年产能(万片/年) 2020年产能(万片/年)同比 SiC电力电SiC导电型衬底(折合6英寸) 718150% 行业报告|行业深度研究 23 子SiC-on-SiC外延(折合6英寸) 202210% SiC-on-SiC器件/模块(折合6英寸) 162663% 资料来源:CASAResearch、天风证券研究所 表5:2020年我国GaN产能统计 应用方向产业环节2019年产能(万片/年) 2020年产能(万片/年)同比 GaN电力电子 GaN-on-Si外延(折合6英寸) 202840% GaN-on-Si器件/模块(折合6英寸) 192216% GaN微波射频 SiC半绝缘衬底(折合6英寸) 4880% GaN-on-SiC外延(折合6英寸) 49100% GaN-on-SiC器件/模块(折合6英寸) 47100% 资料来源:CASAResearch、天风证券研究所 2.2.需求端:SiC在新能源汽车中硅片用量测算 图21:SiC在新能源汽车中用量的估计 资料来源:Soitec、天风证券研究所 目前业界于电动车较积极导入SiC的主要装置和部件有主驱逆变器、车载充电器、车 外充电器,SiC功率元件发挥如下优势: 1)极佳的内在特质:高效率,降低能量损耗;高转换频率,增加能量强度;可在更 高的温度下运行,提升长期可靠性。

2)性能改进和小型化:从Si-IGBT模组到SiCMOSFET模组,体积缩小了50%,效率 提升了2%,器件的使用寿命得到延长。

3)有助于降低电动车用户的使用成本:提升效率以达到节电目的,在相同输出功率 下可增加续航里程、提升充电速度。

图22:SiC器件在新能源汽车的优势 行业报告|行业深度研究 24 资料来源:Soitec、天风证券研究所 纯电动汽车: 8寸晶圆可以满足13辆车的SiC需求; 6寸晶圆可以满足7辆车的SiC 需求 8inch wafer= 324.29平方厘米,假设良率为50%,BEV各部件需要的SiC晶圆面积:1) 逆变器=10平方厘米;2)OBC=1.8平方厘米;3)DC/DC=0.9平方厘米,那么1张8寸 晶圆可以满足13辆车的SiC需求。

6inch wafer= 176.7平方厘米,假设良率为50%,那么1 张6寸晶圆可以满足7辆车的SiC需求。

油电混合车: 8寸晶圆可以满足17辆车的SiC需求; 6寸晶圆可以满足9辆车的SiC 需求 8inch wafer= 324.29平方厘米,假设良率为50%,BEV各部件需要的SiC晶圆面积:1) 逆变器=8平方厘米;2)OBC=0.9平方厘米;3)DC/DC=0.5平方厘米,那么1张8寸晶 圆可以满足17辆车的SiC需求。

6inch wafer= 176.7平方厘米,假设良率为50%,那么1 张6寸晶圆可以满足9辆车的SiC需求。

国内SiC商业化衬底以4英寸为主,逐步向6英寸过渡,微管密度小于1个/cm2,实现 95%的衬底可用面积,位错约在1×103/cm2较上年有所进步。

图23:国内SiC衬底技术指标进展 行业报告|行业深度研究 25 资料来源:CASAResearch、天风证券研究所 我国新能源汽车SiC需求测算: 图24:全球及我国新能源汽车销量测算(万辆) 资料来源:EVTANK、天风证券研究所 纯电动汽车占新能源汽车比重为81%,以此数据假设,我国2021-2025年新能源汽 车相关8英寸SiC晶圆需求为14.0万片、18.1万片、24.2万片、31.2万片、42.3万片, 全球为27.0万片、36.5万片、49.5万片、64.4万片、89.4万片;6英寸SiC晶圆需求我 国为24.9万片、32.1万片、43.1万片、55.4万片、75.2万片,全球为49.5万片、67.0万 片、90.9万片、112.8万片、164.0万片。

图25:新能源汽车SiC硅片需求量测算(片) 55107145145 182235 315405 550 67 94112 140 180 255 350 460 650 64.8% 27.9% 10.9% 27.0% 35.4% 35.7% 30.1% 38.7% 0.0% 10.0% 20.0% 30.0% 40.0% 50.0% 60.0% 70.0% 0 200 400 600 800 1000 1200 1400 2017年2018年2019年2020年E 2021年E 2022年E 2023年E 2024年E 2025年E 中国新能源汽车销量海外新能源汽车销量总销量增速 行业报告|行业深度研究 26 资料来源:产业信息网天风证券研究所 2.3.需求端:GaN在电力电子及射频中硅片用量测算 GaN电力电子器件市场规模在国内外都将保持较高增速,带来需求高速增长。

根据 CASAResearch的数据,未来PD快充GaN电力电子器件市场将迎来3-4年的黄金发展 时期,2020年国内PD快充GaN电力电子器件市场规模约1.5亿元,预计到2025年市 场规模将超过40亿元,年均复合增长率高达97%。

图26:PD快充GaN电力电子器件市场规模(亿元) 资料来源:CASAResearch、天风证券研究所 终端应用市场的需求繁荣将拉动对GaN晶圆的广阔需求空间。

据CASAResearch估计, 到2025年,全球相关GaN 6英寸晶圆需求将达到129万片,我国GaN 6英寸晶圆需求 将达到67.4万片。

6英寸、8英寸GaN晶圆的面积分别为176.71、314.16平方厘米,按 照晶圆需求量与晶圆面积比例测算,那么可得2025年GaN电力电子器件在PD快充领域 对8英寸的需求为全球72.6万片,我国37.9万片,数据测算结果如下。

图27:PD快充GaN-on-Si晶圆需求量(万片) 212,175269,499 364,792 495,074643,969 893,367 377,199 479,109 648,518 880,132 1,144,833 1,588,208 111,554 140,020 180,794 242,342311,582 423,136198,318 248,924 321,412 430,829 553,924 752,242 - 500,000 1,000,000 1,500,000 2,000,000 2020年E 2021年E 2022年E 2023年E 2024年E 2025年E 按8inch计全球晶圆需求张数按6inch计全球晶圆需求张数 按8inch计中国晶圆需求张数按6inch计中国晶圆需求张数 0.713.22 9.15 16.64 28.35 58.42 82.81 0.321.474.4 8.4 14.64 30.29 43.26 353.5% 184.2% 81.9% 70.4% 106.1% 41.7% 359.4% 199.3% 90.9% 74.3% 106.9% 42.8% 0.0% 50.0% 100.0% 150.0% 200.0% 250.0% 300.0% 350.0% 400.0% 0 20 40 60 80 100 2019年2020年E 2021年E 2022年E 2023年E 2024年E 2025年E 市场规模(全球)市场规模(中国) 同比增长率(全球)同比增长率(中国) 行业报告|行业深度研究 27 资料来源:CASAResearch、天风证券研究所 2022年,因5G基站建设带来的GaN晶圆增量需求将出现高峰。

据CASA统计,我国 5G宏基站新建带来的4英寸GaN晶圆总需求量约为40万片,2020年需求量为6.4万片, 2022年需求量进一步增长至10万片。

此外,若毫米波基站开始部署,其4英寸GaN晶 圆总需求量约为200-400万片,将为晶圆厂带来较为可观的增量市场需求空间。

4英寸、 6英寸、8英寸GaN晶圆的面积分别为78.54、176.71、314.16平方厘米,按照晶圆需求 量与晶圆面积比例测算,数据测算结果如下。

图28:5G宏基站GaN晶圆需求量(万片) 资料来源:CASAResearch、天风证券研究所 2.4.需求端高速发展,但供给仍然不足,国产替代迫在眉睫 当前新能源汽车、PD快充、5G等下游应用市场增长超预期,国内现有产品商业化供给 无法满足市场需求,尤其是SiC电力电子和GaN存在较大缺口。

这也导致我国第三代半 导体各环节国产化率较低,超过八成的产品依赖进口。

在这种情况下,希望国内有实力 的企业在谋划扩产增加产能供给的同时,还要加强技术攻关,提升产品性能、良率和可 靠性,并加速降低成本。

SiC在新能源汽车领域需求情况,2025年为164万片等效6寸晶圆,与2020年产能差距 甚大。

GaN在电力电子(仅快充)领域需求情况,2025年为129万片等效6寸晶圆,与 2020年产能差距甚大。

3.下游应用:物理性能优势+节能减排需求,SiC应用多点开花 SiC在物理性能方面相较于Si优势显著,叠加节能减排和新能源领域的巨大变革,SiC下 游应用极为广阔。

现有的功率器件大多基于硅半导体材料,由于硅材料物理性能的限制, 0.73.7 12.0 22.5 39.9 86.2 129.0 0.4 2.1 6.7 12.7 22.4 48.5 72.6 0.3 1.7 5.7 11.320.6 44.7 67.4 0.2 1.0 3.26.4 11.6 25.1 37.9 0.0 20.0 40.0 60.0 80.0 100.0 120.0 140.0 2019年2020年E 2021年E 2022年E 2023年E 2024年E 2025年E 全球6英寸晶圆需求量全球折合8英寸晶圆需求量 国内6英寸晶圆需求量国内折合8英寸晶圆需求量 1.04 6.40 7.20 9.60 6.80 5.20 3.60 0.46 2.843.20 4.27 3.02 2.311.600.261.601.80 2.40 1.701.300.90 0.00 2.00 4.00 6.00 8.00 10.00 12.00 2019年2020年E 2021年E 2022年E 2023年E 2024年E 2025年E 国内4英寸晶圆需求量国内折合6英寸晶圆需求量国内折合8英寸晶圆需求量 行业报告|行业深度研究 28 器件的能效和性能已逐渐接近极限,难以满足迅速增长和变化的电能应用新需求。

碳化 硅功率器件以其优异的耐高压、耐高温、低损耗等性能,能够有效满足电力电子系统的 高效率、小型化和轻量化要求,在新能源汽车、光伏发电、轨道交通、智能电网等领域 具有明显优势。

经过近30年研究和开发,碳化硅衬底和功率器件制造技术在近年逐步成 熟,并快速推广应用,正在掀起一场节能减排和新能源领域的巨大变革。

碳化硅功率器 件的应用领域如下: 图29:碳化硅功率器件应用领域 资料来源:天科合达招股书、天风证券研究所 伴随新能源汽车、光伏发电、轨道交通、智能电网等产业的快速发展,SiC功率器件的 使用需求大幅增加,2027年将突破百亿美元。

未来,随着碳化硅功率器件的加速发展, 全球功率器件的销售额预计将持续保持增长。

预计2018至2023年期间,全球功率器件 的销售额复合年增长率达到3.3%,2023年全球功率器件收入将达到192亿美元。

根据 IHSMarkit数据,2018年碳化硅功率器件市场规模约3.9亿美元,受新能源汽车庞大需求 的驱动以及电力设备等领域的带动,预计到2027年碳化硅功率器件的市场规模将超过 100亿美元,碳化硅衬底的市场需求也将大幅增长。

图30:碳化硅功率器件市场规模预测,2027年突破百亿美元 资料来源:天科合达招股书、天风证券研究所 2022年,预计SiC下游市场预计高达50亿美元,其中新能源汽车及太阳能市场占比极 高,电动车快充及OBC发展可期。

图31:SiC市场广阔 行业报告|行业深度研究 29 资料来源:Wolfspeed、天风证券研究所 3.1. SiC在新能源汽车领域备受青睐,未来五年带动60亿美元市场 新能源汽车是SiC功率器件最大的应用领域,预计明年有24亿美元市场,2027年达到 60亿美元,2032年超过150亿美元。

在新能源汽车上,传统功率器件通常采用IGBT技 术方案,但近年来随着材料科技的发展,碳化硅(SiC)正成为技术热点。

根据意法半导体相 关预测,2020年约有40%以上的纯电动汽车采用SiC技术,而到2025年,SiC的普及率 将提高至70%。

图32:SiC在新能源汽车领域2027年带动60亿美元市场 资料来源:Wolfspeed、天风证券研究所 SiC已实现了车规级应用,在新能源汽车市场备受青睐。

新能源汽车系统架构中涉及到功 率半导体应用的组件包括:电机驱动系统、车载充电系统(OBC)、电源转换系统(车载 DC/DC)和非车载充电桩。

目前,SiC已实现了车规级应用,GaN尚处于研发阶段。

SiC主 要应用于大于600V的高压系统,如纯电动汽车的驱动电机逆变器。

从目前来看,SiC尚 未完全取代IGBT,因为这几种材料都有各自的技术优势。

其中SiC凭借其在性能以及降 低整车成本等方面的诸多优势,正越来越受到新能源汽车市场的青睐,特别是牵引逆变 器中的应用越来越广,并且该趋势在未来几年会变得更加明显。

图33:SiCMOSFET在牵引逆变器方面的优势 行业报告|行业深度研究 30 资料来源:意法半导体:新能源汽车发展推动SiC和GaN应用,作者朱敏慧、天风证券研究所 SiC在新能源汽车领域的应用逐渐成为各大机构的技术布局热点。

车用辅助设施、充电桩 等的整个新能源汽车产业,均会成为支撑碳化硅在中高电压领域高端应用的重要组成部分。

相比于传统硅基,SiC在新能源汽车有较大的技术优势: 1)SiC可有效提高能效,并使得系统结构更为紧凑,冷却设计也更为简化;此外还有助 于缩短充电时间、增加续驶里程。

如果比较一下传统的硅基器件和SiC技术,前者的最大 工作温度为175 °C,而后者可以达到200 °C以上。

SiC的这一技术特性使得器件能够耐 受非常恶劣的工作环境,并且耗散功率更低。

2) SiC材料的高耐压、宽禁带和高导热率特性使得SiC更适合应用在高功率密度和高开 关频率的场合。

在低压、低开关频率下情况下,SiCMOSFET相较于高性能Si MOSFET, 如英飞凌Cool-MOS系列,对效率的提升并不明显,但随着电压等级、功率等级和开关 频率的提高,SiC优势逐渐显现。

在高频场合SiCMOS- FET具有显著优势,这使得高频 开关电源设计成为可能。

3)SiC技术如果应用于充电领域,还能提高充电速度。

高开关频率带来的磁性元件小型 化和功率密度的提升将使采用SiCMOSFET的充电机在实际产品应用中更具优势。

同时考 虑到快充技术的发展和高压充电的应用,SiCMOSFET将在今后的设计中发挥重要作用。

图34:碳化硅功率模块和硅IGBT功率模块电力损耗比较,SiC显著降低 资料来源:碳化硅功率器件与新能源汽车,作者吴海雷、陈彤、天风证券研究所 我国新能源汽车将高速起量,SiC迎来大发展时代。

2021-2022年得益于疫情后的车市 反弹和财政补贴期限的延长,新能源汽车销量将实现增长;2023年以后随着补贴退坡, 市场将回落到较为平稳的增长水平;到2025年,新能源汽车销量将达到约542万辆。

新能源汽车终端市场的强劲需求+SiC优秀的物理性能,使其成为SiC功率器件市场快速 发展的首要驱动力。

新能源汽车将新增大量与电池能源转换相关的功率半导体器件,新 能源汽车终端市场的强劲需求,将带动整个功率半导体行业需求大幅度增长。

与Si(硅 基的IGBT相比,SiCMOSFET在产品尺寸、功率消耗方面大幅减小,较大地提升了新能 源汽车电池的电能转化效率。

较大地提升了新能源汽车电池的电能转化效率。

2018年特 斯拉的主逆变器开始采用SiCMOSFET方案,随后采埃孚、博世等多家零部件制造商以及 行业报告|行业深度研究 31 雷诺等汽车生产商都宣布在其部分产品中采用SiCMOSFET方案,汽车领域成为SiC功率 器件市场快速发展的首要驱动力。

3.2. SiC在充电基础设施市场空间广阔,将在直流充电桩带动下实现突破 充电基础设施市场空间庞大,有望带动SiC应用实现突破。

在缺少家用充电系统或超级 充电桩时,电动汽车需要使用车载充电器来处理标准路边充电问题。

充电时间取决于车 载充电器的额定功率。

目前电动汽车车载充电器额定功率在3kW到9kW之间。

为缓解消 费者对电动汽车续驶里程的焦虑,加速电动汽车发展,各国都在建设公共充电桩。

从 2019年全球各国公共充电桩保有量统计来看,中国51.6万台,欧盟25.5万台,美国7.2 万台,日本3.2万台,全球年复合增长率达32%,中国充电产业规模位居全球之首,总量 占比超过全球半数。

进入2020年,我国公共充电桩保有量这一数据已达到80.7万台,较 2019年增加超56%,可见充电市场空间十分庞大。

图35:SiC在快充领域发展迅猛 资料来源:Wolfspeed、天风证券研究所 随着电动汽车保有量的上升,直流充电桩技术正发展迅猛,未来推广速度加快,有望带 动SiC应用实现突破。

现阶段,市场上主要由交流桩和直流桩两种充电桩类型构成。

交 流(慢充)桩是公共充电桩的主流。

数据显示,2020年我国80.7万台公共充电桩中,交 流充电桩达到49.8万台,而直流充电桩为30.9万台。

其原因在于,交流桩对电网改造要 求低,可直接接入220V居民用电线路,技术比较成熟且建设成本比较低,但充电效率低, 耗时更长,主要适用于家用领域。

相比之下,直流充电桩充电速度较快,但技术复杂且 成本高昂,因此早期推广速度不如交流充电桩。

然而对于公共充电桩来说,提升充电效 率缩短充电时间是用户的关注核心,因此直流充电桩技术的未来研发市场十分广阔。

碳化硅器件对电动汽车充电模块性能提升主要体现在三方面: (1)提高频率,简化供电网络; (2)降低损耗,减少温升。

从电源模块收益上讲,如用普通硅功率器件,内部温度非常高, 器件寿命较短,使用碳化硅器件后,低温升对延长充电桩使用寿命十分有益,其它部分 所减少的投入可抵消碳化硅器件成本的提升,可使碳化硅充电桩寿命达5~8年以上,远 高于硅基充电桩的使用寿命; (3)缩小体积,提升效率,总成本低。

基于对碳化硅器件在有线充电中的优势(高效率、低 温升、高密度、低损耗)分析表明,其总体成本将较低。

图36:SiC在光伏发电以及充电基础设施领域的优势 行业报告|行业深度研究 32 资料来源:Wolfspeed、天风证券研究所 SiC在高功率充电桩领域极具竞争优势。

充电桩电压随电动汽车电池组电压的增加而发生 需求变化。

在保时捷、现代及其他汽车制造商的推动下,电池电压从400V增加到800V, 充电桩电压也要从500V增加到1000V,这也导致充电桩需要采用电压1200V的功率部件。

而基于SiC技术的功率开关管和功率二极管,能提供比硅基IGBT尺寸更紧凑的解决方案, 更高的效率、频率都能令高功率充电桩受益。

Yole也预测到,这一市场规模在2019- 2025年间的CAGR预期将高达90%,至2025年可增长至2.25亿美元。

图37:2019-2025年SiC在各应用领域的发展规模 资料来源:Yole、集微咨询、天风证券研究所 3.3. SiC在光伏发电领域优势显著,为系统的小型高效带来可能 可再生能源成为国家碳中和相关重点规划方向,SiC为代表的相关技术和产品的研发市场 广阔。

太阳能和风能发电系统是利用光伏电池板光生伏打效应或风力带动发电机,直接 将太阳能或风能转换成电能的发电系统,它的主要部件是光伏电池组件、风轮、储能电 池、控制器,逆变器,电机驱动器等构成,其特点是可靠性高、使用寿命长、不污染环 境、能独立发电或并网运行,受到各国政府和企业的重视,具有广阔的发展前景。

2010 年,194个国家组成的气候变化专门委员会发布《可再生能源报告》,该报告称,到2050 行业报告|行业深度研究 33 年可再生能源将占到全球能源总量的80%。

图38:SiC在光伏发电领域的发展空间广阔 资料来源:Wolfspeed、天风证券研究所 高效、高功率密度、高可靠和低成本是光伏逆变器的未来发展趋势,SiC功率器件能够突 破Si材料对器件性能的限制。

在光伏发电应用中,基于硅基器件的传统逆变器成本约占 系统10%左右,却是系统能量损耗的主要来源之一。

使用碳化硅 MOSFET或碳化硅 MOSFET与碳化硅SBD结合的功率模块的光伏逆变器,转换效率可从96%提升至99%以上, 能量损耗降低50%以上,设备循环寿命提升50倍,从而能够缩小系统体积、增加功率密 度、延长器件使用寿命、降低生产成本。

并网光伏逆变器是光伏电站的核心功率转换设备,应用SiC功率器件对于提高并网光伏 逆变器系统的效率及可靠性、提高光伏发电系统寿命及降低光伏发电系统的成本起到至 关重要的作用。

在光伏电站中,并网光伏逆变器损耗占系统损耗的50%以上,光伏电站 的发电效率取决于光伏并网逆变器的效率。

在光伏并网逆变器的Boost电路及逆变电路 采用SiC功率器件后,其开关频率可以比Si器件的提高数倍,能量转换损耗也大大降低; 并且在功率器件开关过程中,电压、电流的过冲振荡都非常小,可以简化相关的能量吸 收电路以及软开关设计。

因此,基于SiC功率器件的并网光伏逆变器的开关频率,可以从 传统的基于Si IGBT功率模块的20 kHz左右提高到30~80 kHz,大大减少了并网光伏逆 变器输出电感量,从而减小整机体积并减轻重量,降低整机成本。

图39:SiC二极管在光伏并网逆变器中的应用 资料来源:SiC功率器件在并网光伏逆变器中的应用研究,作者谢敬仁、洪小聪、黄树焜等、天风证券研究所 行业报告|行业深度研究 34 SiC功率器件在光伏发电应用中,具有缩小系统体积、增加功率密度、延长器件使用寿命、 降低生产成本等诸多优势,预计会逐渐取代硅基器件。

碳化硅功率器件针对太阳能逆变 器、不间断电源设备以及风能电机驱动器等大功率模组件的应用进行设计,以更小尺寸、 更低物料成本以及更高的效率。

新标准太阳能硅基逆变器典型的转换效率接近96%,而采 用碳化硅基逆变器的平均效率能提高到97.5%,相当于减少25%的逆变器损耗,碳化硅基 逆变器在风力发电领域可提高转换效率20%。

图40:光伏逆变器中碳化硅功率器件占比预测 资料来源:CASA、天科合达科创板首次公开发行股票招股说明书(申报稿)、天风证券研究所 SiC功率器件的市场接受程度不断增加,在光伏发电领域有光明的应用前景。

目前,SiC 功率器件所使用的单晶体材料尺寸不断增大,质量大大提高,成本持续降低,使得SiC功 率器件的电压、电流等级和可靠性提高,成本下降,市场接受程度不断增加。

据Yole统 计分析,目前的SiC功率器件90%以上是应用到低压(600~1200 V)电力电子系统,主要 包括电源系统、马达驱动以及并网光伏逆变器。

根据Omdia数据,2020年全球SiC和 GaN功率半导体的销售收入达到8.54亿美元,在混合动力和电动汽车、电源和光伏逆变 器等需求的推动下,未来十年保持两位数的年均复合增长率,到2021年市场预计超过 10亿美元,并在2029年超过50亿美元。

4.下游应用:光电+射频+电力电子起量,GaN应用场景广阔 GaN优势众多,在5G和AIOT推动的100V和650V集群中前景广阔,下游应用包括汽 车,工业,电信和特定消费类产业。

GaN在功率应用方面比传统的硅基半导体材料具有 显著的优势,这包括大大降低了寄生功率损耗,能在更高功率下实现更高能效等。

GaN 技术还允许设计更紧凑的器件以实现更小的产品尺寸。

此外,基于GaN的器件在较高的 峰值温度下工作时,其切换速度比基于硅的器件快10倍。

GaN充电器可以在一个小型紧 凑的装置中提供所需的电源,并同时给多个设备快速充电。

同样,在电动汽车领域,GaN 的节能效果超过20%,而在电信领域,5G无线技术是“完美”的应用案例。

随着更高的 带宽和频率要求(这增加了5G智能手机的电池续航能力要求),耗电的5G设备可以利 用更高效的GaN技术,该技术不仅可以更有效地散热,而且占用空间也更小。

GaN能够 在更高频范围内工作,因此从基站到小型蜂窝应用都需要它,并且它已经开始涉足移动 设备的设计。

图41:氮化镓(GaN)下游应用发展情况 行业报告|行业深度研究 35 资料来源:Yole、天风证券研究所 目前GaN材料的主要应用领域为电子电力领域(电源等)、光电子领域(LED照明、激 光等)和射频领域(通信基站等)。

图42:2020年氮化镓(GaN)下游应用领域结构 资料来源:前瞻产业研究院、天风证券研究所 占比最高的是光电器件为68%。

宽禁带半导体尤其在短波长光电器件方面有很明显的优势。

例如蓝光,现在所有的半导体照明已经采用了氮化镓。

在紫光、紫外光甚至在黄光、绿 光等方面都可以直接用氮化物半导体作为材料。

占比第二是射频器件,即微波毫米波器件,占比为20%。

GaN相比于砷化镓和硅等半导 体材料,在微波毫米波段的宽禁带半导体器件工作效率和输出功率明显高,适合做射频 功率器件。

民用射频器件主要用在移动通信方面,包括现在的4G、5G和未来的6G通信。

例如,国内新装的4G和5G移动通信的基站几乎全用氮化镓器件。

尤其是5G基站采用 MIMO收发体制,每个基站64路收发,耗电量是4G基站的3倍以上,而且基站的密集 度还要高于4G基站,不用高效率的氮化镓器件几乎是不可能的。

未来6G通信频率更高、 基站数更多,矛盾将更加突出。

占比第三是大功率电力电子器件,占比为10%。

快充装置、输变电系统、轨道交通、电动 汽车和充电桩等都需要大功率、高效率的电力电子器件。

无疑宽禁带半导体,尤其是 GaN具有比其他半导体材料更为明显的优势。

4.1. GaN下游市场2022超十亿美元,电力电子、射频、光电领域起量朝夕 图43:Wolfspeed预计GaN市场将在2022年达到11亿美元 行业报告|行业深度研究 36 资料来源:Wolfspeed业绩PPT、Seeking Alpha、天风证券研究所 Wolfspeed预计GaN市场将在2022年达到11亿美元,下游市场包括5G通信、消费电 子、军工等等。

4.2. GaN在光电子领域占据主要市场,是制造Micro-LED芯片的优选 GaN是蓝、绿光LED不可替代的基础材料,也是制造Micro-LED芯片的优选。

GaN基 发光二极管因具有高效、可靠、响应速度快、寿命长、功耗低等优点,不仅被广泛应用 于全彩显示面板背光、交通信号灯、汽车照明、固态照明等领域,而且可以制造成由 COMS/TFT控制集成的微尺寸LED阵列,用于小型投影仪、微显示器、可见光通信、医 学研究等。

近年来,研究者们对GaN基LED开展了大量的研究工作,有团队报道了实现 GaN基LED颜色可调性的方法,比如结合荧光粉或者量子点等实现颜色转换,展示了其 制备成彩色微显示器的应用前景。

蓝光GaN基LED芯片结构可以分为两类:垂直芯片结 构和倒装芯片结构,而研究人员根据芯片结构进行p和n电极总线设计,在制备有源矩 阵和无源矩阵Micro-LED显示器上取得了不少成果。

图44:微尺寸LED芯片的结构示意图 资料来源:《蓝光GaN基Micro-LED芯片制备及激光剥离工艺研究》,作者王仙翅等、天风证券研究所 基于GaN-on-Si技术的Micro-LED有效提升显示品质,符合未来发展趋势。

Micro-LED 被认为是消费电子领域下一个世代的显示技术。

虽然其在芯片、巨量转移、全彩化等方 面仍存在技术挑战,但其所展现出的高分辨、快响应、低能耗、长寿命等突出特点,能满足 超小和超大显示的需求,如虚拟/增强显示和电子广告牌,展现出巨大的应用潜力。

图45:Micro-LED驱动阵列结构图 图46:全彩Micro-LED投影仪 行业报告|行业深度研究 37 资料来源:《蓝光GaN基Micro-LED芯片制备及激光剥离工艺研究》,作者 王仙翅等、天风证券研究所 资料来源:《蓝光GaN基Micro-LED芯片制备及激光剥离工艺研究》,作者 王仙翅等、天风证券研究所 在物联网和5G新时代,光电子市场作为GaN的主要应用方向,具有较大潜力。

小间距 产品在我国已经发展了十年,产品性价比越来越高的同时,技术也日臻成熟,使用场景 和市场体量亦同步增长。

Mini/Micro LED芯片不仅可以作为直显产品应用于商用显示领域, 还可以作为背光源应用于电视、平板电脑、笔记本电脑和车载屏幕等终端显示产品中, 市场前景巨大。

Trend Force集邦咨询的报告显示,到2024年,全球Mini/Micro LED市 场规模将达42亿美元。

4.3. GaN在电力电子市场深受认可,消费快充+汽车电子增长空间广阔 GaN在电力电子市场深受认可,增长空间广阔。

由于GaN器件相比于SiC器件拥有更高 的工作频率、更低的导通电阻和更低的最低阈值电压,使用GaN器件制作的功率器件将 拥有更强的转换效率和更小的器件体积,所以GaN电力电子器件更适合对高频率、小体 积、成本敏感、功率要求低的电源领域。

未来GaN在电力电子市场的增长空间主要集中 在消费快充和汽车电子。

GaN电源市场将成为GaN在电力电子领域最强的推动力,Yole预测市场规模将在未来 五年超过15亿美元。

智能手机的屏幕越来越大,带来了对手机续航需求的水涨船高,这 意味着电池容量将会进一步增加。

传统充电头为匹配这种趋势,体积不得不相应膨胀, 造成消费者体验的下降。

而采用GaN的充电器体积小、重量轻、转换效率高、发热低、 安全性强,较普通充电器有显著优势,因此势必受到下一代充电器市场的欢迎。

图47:努比亚30WGaN充电器(左)对比苹果30WPD充电器 图48:GaN电源市场增长预测(按季度) 资料来源:充电头网、天风证券研究所 资料来源:Yole Development、天风证券研究所 GaN具有推动无线感应高频充电方案发展的潜力,未来将更多地配备在高端电动车上。

目前设备中的感应充电器主要采用的是传统的磁感线圈技术,工作频率在100至300KHz, 并使用E、F及S类放大器的转换器拓扑。

其缺点是工作频率很低,充电速度较慢,效率 会伴随着距离增加而急剧下降,因此无线充电系统需要一个更高的频率标准。

然而在更 行业报告|行业深度研究 38 高的频率下,传统的Si基MOSFET的开关性能已接近它的极限,因此可以在高频环境下 工作的GaN电力电子器件在这一领域具有较大的应用潜力。

GaN场效应晶体管具备低电 容、零反向恢复及低导通阻抗等优势,因此可确保低功耗,从而提高放大器的效率及确 保低电磁干扰,能够为这种无线充电方案解决关键的放大器设计问题。

目前苹果、华为、 三星等移动设备厂商在研发高频无线感应充电产品来提升移动产品的无线充电性能。

新 能源汽车市场上,宝马等中高端汽车厂商早在2018年就开始尝试在其新能源汽车上配备 集成无线感应充电系统,但由于目前的充电效率有待提升,且造价也相对较高,因此无 线感应充电在未来可能更多地配备在高端电动车上。

图49:宝马汽车尝试无线充电 资料来源:BMW、集微网、天风证券研究所 车载方面,GaN电力电子器件能够有效减少逆变器尺寸、重量和系统成,因此在48V的 混合动力汽车领域将拥有较强的竞争力。

GaN可用于48VDC/DC以及OBC(On board charger车载充电机)。

高工产研预计48V轻混系统车型将在中国迎来高速发展期,在 2020年至2025年的五年时间里,实现年均增长率69.4%,年销售量从33万辆增长到450 万辆。

同时GaN电力电子器件也可用于车载充电器(OBC),如以色列VisIC公司设计的 6.7 kWGaN车载充电器实现了更低的功率损耗,更小的体积和更轻的重量,帮助电动汽 车精简冷却系统、缩短充电时间,缩小尺寸并降低成本。

图50:2020-2025年中国48V轻混系统车型销量及预测(万辆) 图51:VisIC车载充电器 资料来源:高工产研、天风证券研究所 资料来源:VisIC、与非网、天风证券研究所 4.4. GaN在射频领域市场潜能可观,为5G时代功率放大器核心 在射频通信领域,GaN是未来最具成长潜能的半导体材料之一。

与GAAS、InP相比, 3351 82 150 290 450 38% 55% 61% 83% 93% 55% 0% 20% 40% 60% 80% 100% 0 100 200 300 400 500 20202021E 2022E 2023E 2024E 2025E 销量(万辆)同比增速 行业报告|行业深度研究 39 GaN器件输出功率更大,与Si LDMOS和SiC器件相比,GaN的射频特性更好,GaN射 频器件已成为5G时代功率放大器主要技术。

如下图可见,GaN的主要优点包括: 1)更宽的带宽:支持速度快10倍下载速度 2)更高频率:活动天线基于更高的频率可以做到实时动态覆盖 3)更高的效率:更小,更高的能量系统 图52:GaN使1)4G速度更快+2)更快的从4G-5G的改变 资料来源:Wolfspeed业绩PPT、Seeking Alpha、天风证券研究所 图53:2020年我国GaN射频器件下游应用领域 资料来源:第三代半导体产业技术创新战略联盟、天风证券研究所 GaN赋能5G单片前端解决方案,5G的蓬勃发展将会促进GaN应用的进一步推广。

相 比于4G,5G的通信频段往高频波段迁移。

目前我国4G网络通信频段以2.6GHz为主, 2017年工信部发布了5G系统在3-5GHz频段(中频段)内的频率使用规划,后期会逐步 增补6GHz以上的高频段作为容量覆盖。

GaN非常适合毫米波领域所需的高频和宽带宽, 可满足性能和小尺寸要求,实现赋能5G单片前端。

图54:氮化镓(GaN)赋能5G单片前端解决方案 行业报告|行业深度研究 40 资料来源:Qorvo半导体公众号、天风证券研究所 5G基站建设放量为GaN市场带来增长空间。

GaN在高频下具有较高的功率输出和较小 的面积,因此比传统半导体材料更加合适运用在5G基站端的功率放大器上。

在5G毫米 波的时代,高频段让传统PA的LDMOS工艺捉襟见肘。

天生的性能缺陷让其在未来的高 频应用中优势尽失,基站亟需高功率密度、高运行电压、高频率和高带宽的新工艺产品。

于是,拥有材料性能优势的氮化镓就成为业界追逐的新增长点。

根据前瞻产业研究院关 于5G基站建设预测数据,未来5年中国5G基站建设将迎来高峰,每年投资金额为3000 亿—5000亿元,5年总投资超过2万亿元。

除5G外,GaN在雷达和电子战系统中具有优势,军工市场是GaN射频器件市场的主要 推动力。

据StrategyAnalytics的统计,国防和航天应用占了射频氮化镓总市场规模的40%, 雷达和电子战系统是射频氮化镓的最大应用市场。

GaN固态功率电子器件的迅速发展大 幅度提高了军事雷达发射机的输出功率、功率密度,工作频带宽度和环境适应性以及可 靠性,并且使得宽带大功率单片集成电路及相应组件模块的最终实现成为可能。

GaN器 件的宽禁带在实现太阳盲区的紫外探测方面具有明显的优势。

GaN激光器的出现为精确 激光引信制导,高密度信息存储提供了解决方法。

GaN当前已在关键的国防细分市场上 展现出优势,例如雷神公司旗下的爱国者导弹防御系统采用了最新的基于氮化镓技术的 天线系统,氮化镓工艺制造的功率放大器也已经用于点对点通信的军用手持式无线电中。

国防应用需求的稳定性也将为GaN市场增长保驾护航。

图55:GaN射频处5G以外市场同样将迎来高增长,CAGR高达25% 资料来源:Wolfspeed业绩PPT、Seeking Alpha、天风证券研究所 行业报告|行业深度研究 41 Si基GaN和SiC基GaN射频器件已逐步成为5G功率放大器尤其宏基站功放大器的主流 技术路线。

以碳化硅为衬底的氮化镓射频器件同时具备了碳化硅的高导热性能和氮化镓 在高频段下大功率射频输出的优势,突破了砷化镓和硅基LDMOS器件的固有缺陷,能 够满足5G通讯对高频性能和高功率处理能力的要求。

图56:不同材料微波射频器件的应用范围对比 资料来源:天科合达招股书、天风证券研究所 4.5. GaN异质外延方面产品线持续扩充完善,Si基GaN、SiC基GaN前 景广阔 GaN异质外延方面产品线持续扩充完善,各类技术并行发展。

GaN外延主要有两种衬底 技术,分别是Si基GaN和SiC基GaN。

近年来各技术路线均有较大进展,关键驱动因素 是技术稳定性和成本。

图57:Si基GaN和SiC基GaN和硅基氮化镓技术市场预测 资料来源:TechSugar公众号、Yole Development、天风证券研究所 由于具有价格低、生长速度快以及对CMOS工艺兼容等优势,Si基GaN有望在电力电 子应用方面成为市场主流,但性能略逊于SiC基GaN。

Si基GaN生长速度较快,也较容 易扩展到8英寸晶圆。

目前国内外主流尺寸为6英寸,代表企业有IQE、EpiGaN等,国 内英诺赛科率先实现8英寸Si基GaN外延材料及晶圆制造大规模量产,外延材料的均匀 行业报告|行业深度研究 42 性小于1%。

另外,硅基技术将对CMOS工艺兼容,使GaN器件与CMOS工艺器件集成 在一块芯片上。

这些使得Si基GaN成为市场主流,而且主要应用于电力电子领域,未来 有望大量导入5G基站的功率放大器(PA)。

硅基氮化镓商用仍在起步阶段,有望提供经济高效和可扩展的解决方案,Yole Development市场规模将在2026年达到1.73亿美元,复合年增长率达到86%。

尽管截至2021年第二季度其市场容量很小,但硅基氮化镓PA(功率放大器)凭借大带 宽和小尺寸吸引了智能手机OEM。

随着创新厂商的重大技术进步,一些低于6GHz的5G 手机型号很可能很快采用,无疑将是硅基氮化镓的一个里程碑。

硅基氮化镓器件市场预 计将在2026年达到1.73亿美元,复合年增长率达到86%。

SiC基GaN器件是射频市场主流产品和技术解决方案,性能相对较佳,但价格高于Si基 GaN。

SiC基GaN结合了SiC优异的导热性和GaN的高功率密度和低损耗的能力,此基 板上的器件可以在高电压和高漏极电流下运行,结温将随射频功率而缓慢升高,因此射 频性能更好,是射频应用的合适材料。

在相同的耗散条件下,SiC器件的可靠性和使用寿 命更好。

但受限于SiC衬底,目前国内外SiC基GaN外延片主流尺寸为4英寸,并逐步 向6英寸发展,8英寸还没有推广。

在过去几年中,SiC基GaN晶圆的成本已大大降低。

在RFGaN行业,Si基GaN和SiC基GaN技术已成为RF功率应用方面LDMOS和 GaAs的有力竞争者。

除了军用雷达领域的深度渗透,它还是华为、诺基亚、三星等电信 原始设备制造商(OEM)5G大规模MIMO基础设施的首选。

由于高带宽和高效率,Si基 GaN和SiC基GaN器件在5G市场上不断从LDMOS中抢占份额,并开始受益于向6英寸 晶圆平台的转移。

在这种情况下,Yole Development预计Si基GaN和SiC基GaN器件 市场将在2026年达到22亿美元以上,复合年增长率将达到17%。

图58:650VSiCMOSFET、GaNHEMT和Si IGBT价格比较(元/A) 资料来源:CASA第三代半导体产业发展报告、天风证券研究所 在GaN射频应用方面,对于SiC基GaN工艺,研发能力逐渐提升,技术逐渐成熟。

4英 寸产线代表企业为日本住友电工和台湾稳懋,在6GHz以内各频段都有标准产品,输出功 率40W-400W。

6英寸产线主要集中在美国,代表企业Cree | Wolfspeed、Qorvo和NXP, 在0.5GHz-6GHz工作频段内输出功率为10W-1400W。

其中,Cree拥有最强的实力,在 射频应用的GaNHEMT专利竞争中,尤其在SiC基GaN技术方面处于领先地位,远远领 先于其主要竞争对手住友电工和富士通。

英特尔和MACOM是目前最活跃的射频GaN专 利申请者,主要聚焦在Si基GaN技术领域。

国内主流尺寸为4英寸,工作频段DC- 6GHz,输出功率10-700W,代表企业主要有中电科13所、中电科55所、苏州能讯、三 安光电等。

Si基GaN射频应用属于非主流路线,但其成本优势在未来有较大竞争力,因此也有不少 企业在布局。

国内外Si基GaN外延片主流尺寸为4英寸和6英寸,并逐步向8英寸发 行业报告|行业深度研究 43 展。

国际代表企业为美国MACOM公司,有4、6、8英寸Si基射频GaN器件工艺,其 0.5μm工艺提供6GHz及以下频率分立器件与放大器模块,5W 6GHz的分立器件效 率>50%。

国内代表企业有四川益丰(OMMIC),其Si基工艺线为6英寸线,D01GH工艺器 件栅长100nm,功率达3.3W/mm,截止频率达110/160GHz(fT/fmax)。

图59:国际上商业化的GaN射频产品性能 资料来源:Mouser,CASA、天风证券研究所 GaN光电子应用方面,Mini/Micro-LED用Si基GaN外延片实现8英寸材料产业化,代 表企业有晶湛半导体、晶能光电等。

表6:GaN异质外延产品主流尺寸及国内外代表企业 器件主流尺寸国外代表企业国内代表企业 Si基GaN 4英寸 OMMIC(被四川益丰收购)和 MACOM、IQE、EpiGaN等 英诺赛科、晶湛半导体、晶 能光电等 6英寸 8英寸 SiC基GaN 4英寸住友电工中电科13所、55所、三安 光电、苏州能讯等6英寸Cree | Wolfspeed、Qorvo、NXP 资料来源:CASA、天风证券研究所 多家晶圆代工厂和IDM均将生产Si基GaN和SiC基GaN视为重点发展对象。

Si基 GaN方面,台积电已经开始提供6英寸的晶圆代工服务;嘉晶6英寸Si基GaN外延片, 已进入国际IDM厂认证阶段,并争取新订单中;汉磊科则已量产6英寸Si基GaN产品, 瞄准车用需求。

SiC基GaN方面,化合物半导体晶圆代工厂稳懋已开始提供6英寸的代 工服务,应用瞄准高功率PA及天线;而环宇也拥有4英寸SiC基GaN高功率PA产能, 且6英寸SiC基GaN晶圆代工产能已通过认证。

IDM方面,国际龙头企业进一步扩大自身优势。

2018年,Cree收购了英飞凌的RF部门, 该部门主要设计制造LDMOS放大器,同时拥有GaN-SiC/Si器件生产能力。

收购完成后, Cree成为了全球最大的GaN射频器件供应商。

Cree除为自家生产GaN射频器件外,还 向外提供GaN代工生产服务。

而Qorvo在GaAs的基础上,进一步发展了SiC基GaN; MACOM则在早期看好Si基GaN工艺,近年也开始发展SiC基GaN。

图60:GaN-on-XX技术应用领域vs元件出货量 行业报告|行业深度研究 44 资料来源:美股探路客、天风证券研究所 5.产业竞争格局:美日欧三足鼎立,我国渐行渐近 5.1.海外市场持续渗透,美日欧三足鼎立 5.1.1.全球展开全面战略部署,各国抢占第三代半导体战略制高点 市场需求增强,龙头企业不断扩大产能,抢占市场份额。

2019年,Cree宣布投资10亿 美元扩大SiC产能,建造一座采用最先进技术的自动化200mm SiC生产工厂和一座材料 超级工厂,实现SiC晶圆制造产能和SiC材料生产的30倍增长,以满足2024年之前的 预期市场增长。

近日,科锐首席执行官也再次确认,其位于纽约州马西镇的碳化硅(SiC) 晶圆厂有望在2022年初投产,该厂于2019年开始建设,为“世界上最大”的碳化硅晶 圆厂,将聚焦车规级产品,是科锐10亿美元扩大碳化硅产能计划的一部分,也是该公司 有史以来最大手笔的投资。

同时,科锐宣布与意法半导体(ST)扩大现有的多年长期碳 化硅(SiC)晶圆供应协议。

根据新的供应协议,科锐在未来几年将向意法半导体提供 150毫米碳化硅裸片和外延片。

表7:国际主要企业SiC布局情况 企业布局情况 Cree | Wolfspeed 1.出售LED照明业务,专注SiC电力电子和GaN射频 2.收购了Infineon射频(RF)功率业务,巩固射频市场优势地位 3.北卡罗来纳州总部建设超级材料工厂(8英寸SiC衬底),在纽约州建设8英寸SiC电力电子和GaN射 频产线 4.2024年前,共投资10亿美元,产能扩充30倍 ROHM 1.2009年收购SiCrystal,上游延伸至SiC衬底 2.2018年筑后工厂新建6英寸SiC晶圆产线,2020年投产,产能约15万片/年 3.2024财年前进行约600亿日元投资,产能扩充16倍。

2025年在SiC功率半导体市场能获得30%左 右的市场份额 II-VI 1.2018年,SiC外延产能扩充为原来4倍 2.2020年,计划将6英寸SiC衬底产能扩大5-10倍 3.2020年,计划建立6英寸SiC垂直集成平台:与通用电气合作,获得SiC器件和模块制造技术;收购 Ascatron AB和INNOViONCorporation 4.建立射频GaN-on-SiC技术平台 ST 1.2019年收购Norstel,上游延伸至SiC衬底 2.意大利卡塔尼亚工厂布局6英寸SiC晶圆产线,同时新建8英寸SiC晶圆产线 3.新加坡工厂进行设备升级改造,建设8英寸SiC晶圆产线 4.收购法国SOMOS,推进GaN-on-Si射频产线 行业报告|行业深度研究 45 Infineon 1.在建8英寸GaN-on-Si生产线 2.拥有15年SiC生产和研发经验;6英寸SiC晶圆量产线,积累8英寸晶圆量产技术 3.投资3500万欧元做碳化硅的技术研发 三菱电机 1.SiC晶圆产线从4英寸过渡到6英寸,并完成了第二代生产线部署 2.日本广岛的功率半导体晶圆厂将于2021年正式启用 3.在变频家电和轨道牵引领域市场占有率较高 X-Fab 1.拉伯克工厂SiC芯片制造产能翻了一番,达到26000片/月 2.上游延伸,增加外延服务能力 住友 1.在山梨事业所扩大4英寸GaN-on-Sic产线,2020年产能较2017年扩大10倍 2.华为GaN射频器件/模块主要供应商 NXP美国亚利桑那州钱德勒(Chandler)的6英寸射频氮化镓(GaN)晶圆厂投产 SKSiltron收购杜邦(DuPont)碳化硅晶圆(SiC )事业部 资料来源:CASA第三代半导体产业发展报告、天风证券研究所 美日欧均推进第三代半导体技术的研发项目,抢占技术制高点。

2014年初,美国宣布成 立“下一代功率电子技术国家制造业创新中心”,期望通过加强第三代半导体技术的研发 和产业化,使美国占领下一代功率电子产业这个正出现的规模最大、发展最快的新兴市 场,并为美国创造出一大批高收入就业岗位。

日本建立了“下一代功率半导体封装技术开发联盟”,由大阪大学牵头,协同罗姆、三菱 电机、松下电器等18家从事SiC和GaN材料、器件以及应用技术开发及产业化的知名 企业、大学和研究中心,共同开发适应SiC和GaN等下一代功率半导体特点的先进封装 技术。

欧洲启动了产学研项目“LASTPOWER”,由意法半导体公司牵头,协同来自意大利、德 国等六个欧洲国家的私营企业、大学和公共研究中心,联合攻关SiC和GaN的关键技术。

项目通过研发高性价比且高可靠性的SiC和GaN功率电子技术,使欧洲跻身于世界高能 效功率芯片研究与商用的最前沿。

图61:GaN领域海外重点机构技术布局(专利数量)(截至2019年4月) 资料来源:《聚焦产业关键技术,把握第三代半导体发展机遇》,赵婉雨、天风证券研究所 5.1.2. SiC美国优势显著,欧洲产业链完备,日本在设备和模块技术方面领先 目前,碳化硅晶片产业格局呈现美国全球独大的特点。

以导电型产品为例,2018年美国 占有全球碳化硅晶片产量的70%以上,仅CREE公司就占据一半以上市场份额,剩余份 额大部分被日本和欧洲的其他碳化硅企业占据。

行业报告|行业深度研究 46 图62:2018年导电型碳化硅晶片厂商市场占有率 资料来源:Yole Development、天科合达科创板首次公开发行股票招股说明书(申报稿)、天风证券研究所 SiC电力电子方面,美国在SiC领域全球独大,并且占有全球SiC 70%~80%的产量。

欧洲 拥有完整的SiC衬底、外延、器件、应用产业链,日本是设备和模块开发方面的绝对领 先者。

图63:碳化硅全球市场三足鼎立 资料来源:天科合达招股书、天风证券研究所 5.1.3. GaN国际产业格局初定,美日欧三足鼎立 当前全球GaN产业仍处于由海外主导的寡头市场。

在电力电子领域,美国拥有较完整的 产业链,欧盟主要聚焦在外延环节,日本信越和富士电机等在衬底和外延占优。

在微波 射频领域,目前全球约有超过30家企业已经从事GaN的研发生产,其中10家左右已经 实现了GaN的量产化和商业化。

美国、欧洲、日本等在军事雷达和无线基站通信方面走 在世界前列。

欧洲在5G通信方面研发成果较多,技术创新能力强。

日本在GaN射频领 域的研发和应用,以民用通信为主,军事通信探测为辅。

在半导体照明领域,截至2019 年日亚化学在LED芯片方面的销售仍稳居全球第一,德国欧司朗(Osram)、荷兰飞利浦 照明(Philip Lumileds)、韩国三星等在封装方面领先全球。

在激光器方面,日本日亚 (Nichia)、德国欧司朗(Osram)走在了国际前列。

日本的住友电工、日立电缆等企业 在衬底材料方面具有较深的技术储备;而美国的Kyma公司、法国的Lumilog公司也相 续实现了2英寸GaN衬底的研发和产业化开发。

在探测器方面,美国通用电气(GE)公 司于2008年已经发布了具有日盲特性,单光子探测效率可达到9.4%,而暗计数仅为 2.5kHz的SAM结构4H-SiCAPD。

韩国的Genicom公司和日本的Kyosemi公司可以批量 供应GaN紫外探测器并推出多款模块化应用产品。

表8:全球GaN产业格局 技术领域国家/地区重点机构 GaN电力电子 美国Transform、EPC、GaN system、Powerex 欧洲Azzurro、EpiGaN 日本信越、富士电机 中国台湾汉磊 微波射频美国Macom、Qorvo、Paytheon、Microsemi、 CREE,62.0%II-VI,16.0% SiCrystal,12.0% Dow,4.0% Showa Denko,2.0% Norstel,0.5%天科合达,1.7% 其他,1.3% 山东天岳,0.5% 行业报告|行业深度研究 47 Anadigics 欧洲IQE、Ampleon、UMS、NXP 半导体照明 美国Cree 欧洲飞利浦、欧司朗 日本日亚 韩国三星 中国台湾晶元光电、三安光电、木林森 激光器 美国Kyma 欧洲欧司朗、Lumilog 日本日亚、佳友电工、日立电缆 探测器 美国通用电气 日本Kyosemi 韩国Genicom 资料来源:《聚焦产业关键技术,把握第三代半导体发展机遇》,赵婉雨、天风证券研究所 各国在GaN相关专利技术上取得较多突破,日本、美国处于领先地位。

日本企业在GaN 材料领域积累深厚,据中国信息通信研究院知识产权中心统计,截至2018年,全球GaN 发明专利中有39%来源于日本,GaN全球排名前20位的专利权人中,共有住友、松下、 丰田等12家日本企业。

这12家日本企业的GaN专利申请总量占全球GaN专利申请总 量的24%,由此可见日本企业在GaN领域技术实力处于领先地位。

美国则有3家企业/机 构进入GaN全球专利权人排名前20位,分别是加利福尼亚大学、科瑞、英特尔。

图64:第三代半导体材料专利申请趋势及技术来源国分布 资料来源:《聚焦产业关键技术,把握第三代半导体发展机遇》,赵婉雨、天风证券研究所 5.2.政策和市场双轮推动,中国第三代半导体产业发展前景光明 我国起步稍晚,厚积薄发快速发展与国外代差较小,但在GaN单晶等基础材料制备方面 还存在一定代差。

目前国外厂商SiC基GaN外延材料正在逐步向6英寸过渡,而我国用 于微波射频器件的SiC基GaN外延材料也在逐步向6英寸发展,国内厂商用于电力电子 器件的Si基GaN也与国外同步,逐步向6英寸发展过渡,基本实现了6英寸材料的产业 化,并且完成了8英寸材料的样品研发,可见我国与海外在GaN材料加工及外延片制备 方面与国外差距较小,但是在GaN单晶等基础材料制备方面还存在代差,未来在大尺寸、 高质量籽晶方面还需要进一步破解。

当前,我国半导体产业面临“卡脖子”问题,主要卡在关键设备和材料方面。

但在宽禁 带半导体设备方面,大多数领域都实现了本土化,从材料生长、器件和电路工艺到测试 封装设备,国内基本能够满足需求。

唯独光刻机仍然没有解决。

宽禁带半导体所需要的 行业报告|行业深度研究 48 光刻机工艺制程并不需要十分先进,光刻精度在90纳米左右。

我国逐步在向世界巨头们 追赶逼近。

5.2.1.我国政策持续向好,扶持力度不断增强 第三代半导体助力“碳达峰、碳中和”目标的实现。

第三代半导体材料和技术对于建成可 循环的高效、高可靠性的能源网络起到至关重要的作用,可助力实现光伏、风电(电能生 产),直流特高压输电(电能传输),新能源汽车、工业电源、机车牵引、消费电源(电能使 用)等领域的电能高效转换,推动能源绿色低碳发展。

在政策导向方面,国家多项新政策的出台,大大助力了第三代半导体材料产业的发展。

近年来,国务院及工信部、科技部等多部门出台了一系列扶持第三代半导体材料产业发 展的利好政策。

2016年,国务院印发《“十三五”国家科技创新规划》,启动了一批面 向2030年的重大项目,其中第三代半导体被列为国家科技创新2030重大项目中的“重 点新材料研发及应用“重要方向之一。

2017年2月,国家新材料产业发展专家咨询委员 会成立,作为战略性新兴产业和实现节能减排的重要抓手,第三代半导体技术和产业受 到了中央政府、各级地方政府和企业的重视。

与此同时,多地区也已下发相关政策,大力扶持第三代半导体材料产业快速发展。

随着 国务院及工信部、科技部等多部门出台了一系列扶持第三代半导体材料发展的利好政策, 我国各地方政府机构为促进地方第三代半导体材料产业快速而有序的发展,也相继出台 相关政策,政策内容涉及集群培育、科研奖励、人才培育、项目招商、生产激励等多个 方面,地区包括深圳、北京、长沙、浙江、成都和广州等地。

预计未来2~3年,国内第 三代半导体产业将形成几个集聚区,分别是京津冀、长三角、珠三角和闽三角,注重第 三代半导体产业对当地经济结构调整、产业转型升级的促进作用,政策的超前部署将促 进第三代半导体产业呈现迅猛发展势头。

国家2030计划和“十四五”国家研发计划都已经明确,第三代半导体是重要发展方向, 现在到了动议讨论实施方案的阶段。

第三代半导体材料具有高频、高效、高功率、耐高 压、耐高温、抗辐射等特性,可以实现更好电子浓度和运动控制,特别是在苛刻条件下 备受青睐,在5G、新能源汽车、消费电子、新一代显示、航空航天等领域有重要应用。

国家布局“新基建”,第三代半导体是关键核心器件。

早在2018年底召开的中央经济工作 会议上就明确了5G、人工智能、工业互联网、物联网等“新型基础设施建设”的定位,随 后“加强新一代信息基础设施建设”被纳入2019年政府工作报告。

2020年,在国务院常务 会议、中央全面深化改革委员会第十二次会议等重要会议上多次提出推进新型基础设施 建设,我国新型基础设施建设进入高层布局。

以SiC和GaN第三代半导体材料为基础制 备的电子器件是支撑“新基建”建设的关键核心器件。

表9:2020年度国家发布的半导体相关政策列表 政策名称发布部门发布时间 新时期促进集成电路产业和软件产 业高质量发展若干政策 国务院 2020年7月 关于扩大战略性新兴产业投资培 育壮大新增长点增长极的指导意见 国家发展改革委、科技部、工业和信息化 部、财政部 2020年9月 《关于促进集成电路产业和软件产 业高质量发展企业所得税政策的公 告》 财政部、国家税务总局、国家发展改革委、 工信部 2020年12月 资料来源:CASA第三代半导体产业发展报告、天风证券研究所 5.2.2.我国碳化硅产业研发实力提升,与先进水平差距缩小 我国即将形成以4英寸主体,6英寸为骨干,8英寸为后继的SiC衬底发展局面 在SiC衬底方面,我国的生产企业主要有天科合达、山东天岳、河北同光晶体、世纪金 行业报告|行业深度研究 49 光、中电集团二所等。

国外厂商如美国的Cree、II-VI和日本的昭和电工、三者合计占据 了全球75%的市场份额。

在技术上,目前正从4英寸衬底向6英寸过渡,8英寸衬底正在 研发中。

我国的生产企业主要有天科合达、山东天岳、河北同光晶体、世纪金光、中电 集团二所等,国内SiC衬底以3-4英寸为主,天科合达的4英寸衬底已达到世界先进水平。

2019年国内生产的导电型SiC衬底,折合成4英寸衬底的产能为50万片/年,半绝缘型 SiC衬底折合成4英寸,产能为20万片/月。

其中,中电科二所在2018年率先完成了4 英寸高纯半绝缘SiC单晶衬底材料的工程化。

2020年,其山西SiC材料基地已经实现4 英寸SiC晶片的批量生产。

国内6英寸SiC衬底研发也相继突破,已进入小批量生产阶段。

2017年山东天岳自主开 发了高纯半绝缘体衬底材料,目前4H导电型SiC衬底材料已达到6英寸,还自主开发了 6英寸N型SiC衬底材料。

2018年中电科二所也完成了6英寸高纯半绝缘SiC单晶衬底 的开发。

2018年底,三安光电宣布已完成了商业版本的6英寸SiC晶圆制造技术的全部 工艺鉴定试验。

2020年7月,三安光电在长沙的第三代半导体项目启动,主要用于生产 6英寸SiC导电衬底、4英寸半绝缘衬底以及SiC二极管和SiCMOSFET的外延芯片。

2020年10月6日,山西烁科发布消息称,8英寸SiC衬底已开发成功,即将进入工程化。

图65:国内SiC衬底技术指标进展 资料来源:CASA第三代半导体产业发展报告、天风证券研究所 在SiC外延片方面,目前国内SiC外延片以4英寸产品为主,也有少量提供6英寸外延 片。

目前以美国的Cree、DowCorning、II-VI、日本的罗姆、三菱电机、德国的Infineon 为主,其中美国公司就占据了全球的70%以上的份额。

技术上已向6英寸过渡。

国内的 SiC外延片生产商主要有瀚天天成、东莞天城、国民技术子公司国民天成、世纪金光、以 及中电科的13所和55所等。

目前国内SiC外延片以4英寸产品为主,也有少量提供6 英寸外延片。

2019年SiC外延片折算成6英寸产品的产能为20万片/年。

其中瀚天天成 已形成可3英寸、4英寸及6英寸完整的SiC外延片生产线,可满足600V、1200V及 1700V器件制作的要求。

东莞天成已实现年产超过2万片的3英寸、4英寸SiC外延片的 产业化能力,目前还可以提供6英寸SiC外延片。

国民技术、天成化合物也在近期建成了 6英寸第二代和第三代半导体外延片项目,项目投资4.5亿元。

在SiC器件方面,我国相关企业较多。

国外主要厂商有英飞凌、安森美、意法半导体、 三菱电机、东芝、威世半导体、富士电机、罗姆、瑞萨科技等美、日、欧大型IDM半导 体厂商。

600-1700VSiC SBD、SiCMOSFET已实现产业化,主要产品在1200V以下。

近 年来,我国从事SiC器件研发和生产的厂商较多。

有IDM企业,如扬杰电子、苏州能讯 高能半导体、株洲中车时代、中电科13所和55所、世纪金光等;有Fabless企业,如上 行业报告|行业深度研究 50 海瞻芯、瑞能半导体等;有Foundry代工企业,如三安光电;也有SiC模组厂商,如嘉兴 斯达、河南森源、常州武进科华、中车时代电子等。

在SiC器件制造方面,目前国内已有 中车时代、世纪金光、全球能源互联网研究院和中电55所等4条6英寸SiC器件中试线, 相继投入量产。

其中,中车时代的6英寸SiC SBD、PiNMOSFET等器件的研发与制造更 有特色。

5.2.3.多方配合推动创新,中国GaN产业发展正当时 各企业积极扩产布局,产业进入扩张期,市场迅猛增长。

为了迎合市场需求,争夺关键 竞争位置,国内主流企业如天科合达、三安光电、同光晶体等纷纷扩产,在产业、产品 和市场等多方面加强布局,这也预示着国内第三代半导体产业开始进入扩张期。

同时, 传统半导体企业如华润微、闻泰科技等依托资金、技术、渠道及商业模式的优势,积极 布局第三代半导体,以谋求更多的利润增长点。

从研发角度来看,中国专利占据全球的28%,产业化发展程度较欧美低但应用场景广阔。

国内申请专利较多的机构主要有中科院、西安电子科技大学、中国电子科技集团公司第 五十五研究所等。

专利技术主要集中在LED、FET等电子器件,以及电极、沉积方法和外 延生长等加工工艺。

但我国发展的应用场景广阔:我国是全球最大的半导体照明产业生 产地、全球规模最大的5G移动通信、全球增速最快的新能源汽车、智能手机和军工领域 对功率半导体需求增速,这些应用的发展都离不开第三代半导体材料和器件的支撑。

国内投资GaN热度高涨,国家、地方、企业联动的投融资生态圈正在发挥积极作用。

根 据CASA数据统计,仅仅2017年一年,第三代半导体扩产项目共计10起,总投资金额 达到700亿元。

其中明确投产氮化镓材料相关项目金额已经超过19亿元,以宽禁带半导 体或化合物半导体名义投资的项目金额近615亿元。

政策扶持、应用推进、资本追捧,以GaN为代表的第三代半导体产业前景广阔。

在光明 前景的驱动下,目前全球各国均在加大力度布局第三代半导体领域,但我国在产业化方 面进度还较缓慢,技术亟待突破。

当前,第三代半导体在电力电子和射频器件领域面临 重要窗口期,国际半导体产业巨头尚未对行业标准和技术形成完全垄断,在政策和市场 双重推动下,中国第三代半导体产业发展正当时。

6.海外半导体公司情况:群雄争霸,先发制人 6.1. CREE:宽禁带化合物半导体龙头 SiC领域最强者,8英寸产业成功研发投建。

CREE公司成立于1987年,是集化合物半导 体材料、功率器件、微波射频器件、LED照明解决方案于一体的著名制造商,专业从事碳 化硅、氮化镓等第三代半导体衬底与器件的技术研究与生产制造。

图66:30年全球SiC和GaN领导地位 资料来源:Cree、天风证券研究所 4、6英寸SiC晶圆量产,8寸晶圆成功投建。

CREE在碳化硅晶片制造产业中拥有尺寸的 代际优势,已成功研制并投资建设8英寸晶片产线。

公司已具备成熟的6英寸晶片制备 技术并实现规模化。

行业报告|行业深度研究 51 图67:Cree(Wolfspeed)GaN on SiCMMIC产品 资料来源:Wolfspeed官网、天风证券研究所 公司财务状况良好,成本逐渐下降,第三代半导体板块营收占比逐年上升。

Cree公司的 营业收入分为两个部分:Wolfspeed和LED芯片。

Wolfspeed部分的产品主要有碳化硅和 氮化镓材料、电力设备以及射频设备。

2018-2020年,Wolfspeed收入占总营业收入的比 例分别为36%,50%,52%,呈逐年上升的趋势。

2020年毛利率相较于2019年有所下降, 主要原因是客户和产品结构的变化,工厂和技术转型导致成本上升。

图68:SiC成本逐渐下降 图69:SiC成本逐渐下降 资料来源:Cree产品路线图PPT、天风证券研究所 资料来源:Cree产品路线图PPT、天风证券研究所 图70:Cree营收情况(百万美元) 图71:Wolfspeed毛利润及毛利率情况(百万美元) 资料来源:Cree2020年年报、天风证券研究所 资料来源:Cree2020年年报、天风证券研究所 6.2.英飞凌:SiC领域领军人,GaN已投入量产 碳化硅领域领军人,深耕行业20年。

英飞凌1992年开始研发SiC功率器件,1998年建 924.9 1080 903.9 328.6 538.2 470.7 36% 50% 52% 0% 10% 20% 30% 40% 50% 60% 0 200 400 600 800 1000 1200 201820192020 营业收入Wolfspeed收入占比 158.5 258.7 184.6 48% 48% 39% 0% 10% 20% 30% 40% 50% 60% 0 50 100 150 200 250 300 201820192020 毛利润毛利率 行业报告|行业深度研究 52 立2英寸的生产线,2001年推出第一个SiC产品。

20年来公司的碳化硅技术在不断进步, 2006年发布采用MPS技术的二极管,解决耐冲击电流的痛点;2013年推出第五代薄晶 圆技术二极管,2014年——2017年先后发布SiCJFET,第五代1200V二极管,6英寸技 术和SiC沟槽栅MOSFET。

2019年以来,英飞凌推出CoolSiC MOSFET系列,CoolSiC 单管产品采用TO和SMD封装,电压等级为650 V、1200 V和1700 V,额定导通电阻为 27 m-1000 m,适用于硬开关和谐振开关拓扑,即使桥接拓扑中关断电压为零时,出 色的寄生导通抗扰度也可在低动态损耗方面树立基准,优化了开关性能。

图72:英飞凌的碳化硅产业发展历程 资料来源:英飞凌工业半导体公众号、天风证券研究所 电源管理及射频技术助英飞凌抢占新兴市场先机。

英飞凌作为全球领先的半导体科技公 司,在电源管理及射频领域不断革新,开发高性能产品来满足市场对高能效的需求。

在 整个功率器件(Power Device)市场,目前公司的硅产品包括低压MOS、高压MOS,以 及IGBT等。

英飞凌产品的优势包括:具备更高功率密度,可实现更加小巧、轻便的设计, 从而降低系统总成本和运行成本,以及减少资本支出。

图73:英飞凌为充电桩系统提供“一站式”解决方案 资料来源:《电源管理及射频技术助英飞凌抢占新兴市场先机》,王颖、天风证券研究所 进一步扩大自身优势,不断推出新产品,抢占市场份额。

2018年英飞凌收购了位于德累 斯顿的初创公司Siltectra。

该公司的冷切割创新技术可高效处理晶体材料,最大限度减少 材料损耗。

英飞凌利用这一冷切割技术切割碳化硅晶圆,可使单片晶圆产出的芯片数量 翻倍,从而有效降低SiC成本。

在中低功率SiC器件方面,2020年英飞凌在1200V系列 基础上,发布了TO-247封装的650VCoolSiC MOSFET,进一步完善了产品组合。

利用成熟的模块技术、低寄生电感、低热阻的封装技术等,针对不同的应用开发相应产 品。

比如,低寄生电感封装可以让SiC器件更好发挥高速性能,低热阻的封装技术虽然成 行业报告|行业深度研究 53 本略高,但可以有效提高器件电流输出能力,从而实际上降低了单位功率密度的成本。

目前贴片封装的650V产品系列正在开发当中。

在高压方面,碳化硅产品会继续朝着发挥 其主要特性的方向发展,耐压更高,2-3kV等级的产品会相继面世。

图74:英飞凌采用高性能ALN陶瓷的新EasyDUAL CoolSiC MOSFET功率模块 资料来源:英飞凌半导体公众号、天风证券研究所 英飞凌GaN解决方案已投入量产。

英飞凌推出的GaN解决方案CoolGaN600V增强型 HEMT和GaN开关管专用驱动IC(GaNEiceDRIVERIC)产品具有优越性。

CoolGaN600V 增强型HEMT采用可靠的常闭概念,经过专门优化,可实现快速开通和关断。

它们可在 开关模式电源(SMPS)中实现高能效和高功率密度,其优值系数(FOM)在当前市场上 的所有600V器件中首屈一指。

CoolGaN开关的栅极电荷极低,且具有极少输出电容, 可在反向导通状态下提供优异的动态性能,进而大幅提高工作频率,从而通过缩小被动 元器件的总体尺寸,提高功率密度。

英飞凌提供专为要求超高能效的高性能设备而优化 的增强模式GaN平台,非常适用于服务器和电信设备中使用的开关电源产品。

它可以通 过提升服务器效率节省系统成本,从而大幅度节省耗电费用,迎合了具有成千上万服务 器的数据中心的需求。

图75:英飞凌氮化镓开关管驱动芯片EiceDRIVERIC 资料来源:《世界电子元器件》、天风证券研究所 公司经营状况良好,第三代半导体相关营业收入占比较稳定。

2016-2020年公司在工业 电源控制以及电源&传感器系统这两部分的营业收入大体呈上升的趋势。

2020年工业电 源控制部分营业收入较2019年有所下滑,主要原因为一些领域市场需求的下降导致公司 部分制造领域的产能利用率不足,一些闲置成本与上一财年相比增加,但公司今年采取 的成本节约措施会弥补这一影响。

图76:英飞凌营收情况(亿元) 图77:英飞凌净利润情况(亿元) 行业报告|行业深度研究 54 资料来源:Wind、天风证券研究所 资料来源:Wind、天风证券研究所 图78:英飞凌第三代半导体相关营业收入及其占比(百万欧元) 资料来源:英飞凌公司官网、天风证券研究所 6.3.意法半导体:与终端应用企业形成强绑定,完善产业布局 意法半导体通过战略收购并购加速布局SiC业务,提高产品良率和产品竞争力。

2019年 12月2日,意法半导体完成对瑞典碳化硅晶圆制造商Norstel AB的整体收购。

此次并购 后,Norstel将被完全整合到意法半导体的全球研发和制造业务中,继续发展150mm碳 化硅裸片和外延片生产业务研发200mm晶圆以及更广泛的宽禁带材料。

在全球碳化硅产 能受限的大环境下,整体并购Norstel将有助于增强ST内部的SiC生态系统,提高生产 灵活性,使ST能够更好地控制晶片的良率和质量改进,并为碳化硅长远规划和业务发展 提供支持。

总目标是保证晶圆供给量,满足汽车和工业客户未来几年增长的MOSFET和 二极管需求。

首批200mm碳化硅晶圆落地,意法半导体占据8寸SiC晶圆领先地位。

2021年7月27 日,意法半导体宣布,ST瑞典北雪平工厂制造出首批200mm (8寸)碳化硅晶圆片,这些 晶圆将用于生产下一代电力电子芯片的产品原型。

SiC晶圆升级到200mm标志着ST面向 汽车和工业客户的扩产计划取得重要的阶段性成功,巩固了ST在这一开创性技术领域的 领导地位,提高了电力电子芯片的轻量化和能效。

图79:意法半导体制造首批200mm碳化硅晶圆 484.70 552.56 608.76622.55 684.85 618.97 0.00 200.00 400.00 600.00 800.00 55.71 61.80 86.12 67.46 29.42 54.19 0.00 20.00 40.00 60.00 80.00 100.00 1072 12061323 14181406 20412148 2318 2445 2650 48.09% 47.49% 47.91% 48.11% 47.34% 47.0% 47.5% 48.0% 48.5% 49.0% 0 500 1000 1500 2000 2500 3000 20162017201820192020 Industrial Power Control Power & Sensor Systems合计占比 行业报告|行业深度研究 55 资料来源:意法半导体公众号、天风证券研究所 与龙头企业签订SiC衬底长期供应协议,补充内部产能缺口。

2020年1月16日,意法 半导体与罗姆集团旗下的SiCrystal公司签署一了份碳化硅(SiC)晶圆长期供应协议。

SiCrystal为一家在欧洲SiC晶圆市场占有率领先的龙头企业。

协议规定,SiCrystal将向意 法半导体提供总价超过1.2亿美元的先进的150mm碳化硅晶片,满足时下市场对碳化硅 功率器件日益增长的需求。

表10:意法半导体2020年产业链合作情况 企业产业链合作情况 ST 1.与Cree | Wolfspeed签订5亿美元合同,与SiCrystal签订1.2亿美元合同 2.与德国Innolectric公司合作,推出22kWSiC车载充电器 3.与汇川技术合作,推动SiC在DC-DC转换器和中高压系统的应用 4.为雷诺(Renault)、日产汽车、三菱汽车联盟(Alliance)旗下的电动汽车搭载 的OBC提供SiC器件,2021年批量生产 资料来源:CASA第三代半导体产业发展报告、天风证券研究所 终端应用企业合作趋势明显,完善产业布局。

2019年9月10日,意法半导体被雷诺-日 产-三菱联盟指定为高能效碳化硅技术合作伙伴,为联盟即将推出的新一代电动汽车的先 进车载充电器(OBC)提供功率电子器件。

通过在OBC中使用ST的SiC技术实现小尺寸、 轻重量和高能效,再加上电池效率的提高,联盟将能够缩短充电时间,延长电动汽车的 续航里程,从而加快电动汽车的应用普及。

含有意法半导体碳化硅的车载充电器计划于 2021年投入量产。

推出高性能GaN系列面向汽车应用、可靠性更高。

2021年5月,意法半导体宣布推出 其新系列、智能集成的氮化镓(GaN)解决方案STi2GaN。

随着汽车行业不断转向电气化 平台,STi2GaN将采用创新独特方式将电力与智能相结合,推出汽车行业所需的紧凑、高 性能解决方案。

该STi2GaN系列将单片功率级、GaN技术的驱动器和保护器以及用于特 定应用程序IC(集成电路)与附加的处理和控制电路相结合。

此外,该解决方案还使用 ST的新型无粘结封装技术提供高鲁棒性、可靠性和性能。

图80:意法半导体营收情况(亿元) 图81:意法半导体净利润情况(亿元) 行业报告|行业深度研究 56 资料来源:Wind、天风证券研究所 资料来源:Wind、天风证券研究所 公司近三年营业收入保持平稳,受平均销售价格和产品结构的影响,ADG部分收入有小 幅波动。

意法半导体公司的营业收入构成分为三部分:汽车和分立器件部门(ADG);模拟 器件、MEMS和传感器部门(AMS);微控制器和数字IC部门(MDG)。

SiC和GaN功率器 件包含于ADG中,因此公司并未披露第三代半导体产业相关的具体数据。

2020年,由于 平均销售价格下降了8%,受产品结构和销售价格的负面影响。

ADG收入同比下降了8.9%。

图82:意法半导体ADG部分营业收入情况(百万美元) 资料来源:意法半导体2020年年报、天风证券研究所 6.4.住友电工:全球第三代半导体射频领域引领者 通过开发独有技术和对新业务的挑战,确立了5大事业领域。

以铜电线(裸铜线)的制 造技术为基础,开发出以“电力用电缆”、“通信用电缆”为首的“电子线缆产品”等多 种新产品。

铜电线的导体技术又衍生出“化合物半导体”、“柔性印刷电路”等,绝缘技 术则衍生出“电子束照射产品”、“橡胶产品”和“混合物产品”的开发。

利用电线制造 相关的控制技术和传输技术,将业务扩大到了“系统产品”等领域,现已确认了“汽车”、 “信息通信”、“电子”、“环境能源”和“产业原材料”这5大事业领域。

图83:住友电工商业发展 35563606 3284 431357182 12.1% 9.9% 5.5% 0.0% 2.0% 4.0% 6.0% 8.0% 10.0% 12.0% 14.0% 0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000 201820192020 Net revenues Operating income percentage 行业报告|行业深度研究 57 资料来源:住友电工公司官网、天风证券研究所 在第三代半导体射频领域具有压倒性占市率。

公司也是日本国内唯一GaAs晶圆制造业者, 目前除了已在美国据点展开量产之外,预计今年内在千叶县建立量产体制,以因应日渐 成长的需求。

目前子公司SCIOCS已整备GaN晶圆的增产体制,生产能力提高了3~4倍, 且为了应对即将到来的5G普及化时代,更计划在今后3年将生产能力予以倍增。

具有稳定的业绩发展,计划强化并扩展现有五大领域。

住友电工近年保持较稳定的营业 收入和高投入的研发费用。

其发展蓝图提出的目标是促进现有“移动”、“能源”、“信息 通信”以及支撑这些事业的原材料、产品和解决方案群的各个事业领域不断成长、力求 强化盈利基础并提高资本效率。

目标2022年实现营业额达到3.6万亿日元,营业利润 2300亿日元,ROIC达到9%以上,ROE达到8%以上。

图84:住友电工销售额 图85:住友电工营业利润 资料来源:住友电工公司官网、天风证券研究所 资料来源:住友电工公司官网、天风证券研究所 图86:住友电工电子板块营收情况(百万日元) 行业报告|行业深度研究 58 资料来源:住友电工2021年一季度报、天风证券研究所 6.5.三菱电机:第二代SiC功率模块优势显著,积极探索GaN-HEMT SiC功率器件领域基础实力雄厚,申请大量相关专利。

从表中可以看到,全球申请主体前 10位中,日本申请主体由住友、三菱、电装、富士、NIIT、日立占据6席且包揽前4名, 美国老牌龙头克里(CREE)排名第5,德国的英飞凌占据第10位。

日本显示出其在半导 体器件领域的卓越实力,目前可以说引领着SiC功率器件的技术发展。

图87:截至2017年全球申请主体排名前十位 资料来源:SiC功率器件专利布局的研究与分析,作者徐国亮、天风证券研究所 2020年新推出第二代SiC功率模块产品,与传统产品相比显著降低了80%的耗电量。

新 产品采用了JFET掺杂技术,它与第一代相比导通电阻降低了约15%,在降低导通电阻的 同时,还能实现更低的开关损耗,与传统产品相比显著降低了80%的耗电量,主要应用于 各类电力电子产品,如:空调、光伏发电、充电基础设施、车载充电器等的电源系统。

它通过减少功率损耗和高频动作,电抗器和散热板等部件能够做到小型化。

图88:第二代SiC功率模块产品与传统产品的比较 行业报告|行业深度研究 59 资料来源:三菱电机公司官网、天风证券研究所 发布全球首款多单元结构金刚石基GaNHEMT,持续开发满足多样化需求。

2019年三菱 电机与美国国家先进工业科学与技术研究所(AIST)MEMS和微工程研究中心 (UMEMSME)合作,首次实现多单元GaN-HEMT直接键合到单晶金刚石衬底上,这种 新型金刚石基GaNHEMT旨在提高移动通信基站和卫星通信系统中高功率放大器的功率 附加效率,从而帮助降低功耗。

目前,公司也在积极研发各个系列的GaN-HEMT产品, 以满足小蜂窝基站、卫星通信地面站等多样化需求。

图89:GaN-HEMT部分正在开发中的新产品 资料来源:SiC功率器件专利布局的研究与分析,作者徐国亮、天风证券研究所 图90:三菱电机营收情况(百万人民币) 图91:三菱电机净利润情况(百万人民币) 资料来源:Wind、天风证券研究所 资料来源:Wind、天风证券研究所 2,6182,617 2,751 2,925 2,496 2,200 2,300 2,400 2,500 2,600 2,700 2,800 2,900 3,000 20162017201820192020 130 161 138145 115 0 50 100 150 200 20162017201820192020 行业报告|行业深度研究 60 公司财务整体呈现下滑趋势,但在半导体板块维持增长态势。

2020年3月31日至2021 年3月31日,公司实现营收2496.17亿元,同比下降6.07%;归母净利润115.02亿元, 同比下降12.94%。

虽然公司近五年内营业收入有所下滑,但2020财年在电子设备板块的 营收略有增长,净利润显著提高。

图92:三菱电机电子设备板块营收情况 图93:三菱电机电子设备板块净利润情况 资料来源:三菱电机2020年年报、天风证券研究所 资料来源:三菱电机2020年年报、天风证券研究所 图94:2020年三菱电机各板块收入占比情况 资料来源:三菱电机2020年年报、天风证券研究所 6.6.纳微半导体:GaN功率芯片设计领军者,推动下一代氮化镓技术发展 纳微半导体是GaN行业的领军者,推动下一代氮化镓的技术发展。

纳微半导体成立于 2014年,开发超高效氮化镓(GaN)半导体,在效率、性能、尺寸、成本和可持续性方 面正在彻底改变电力电子领域。

纳微半导体是唯一一家将GaN电源与驱动器、控制和保 护集成到单芯片集成电路(IC)中的GaN公司。

纳微半导体GaNFast IC是易于使用的" 数字化、断电"构建基块,可加快高达一百倍的切换速度,同时可节省高达40%的能源。

纳微半导体正在积极推动下一代半导体氮化镓的技术发展,实现氮化镓在移动设备快充、 消费电子行业、数据中心、可再生能源、电动汽车等领域的大规模应用,加速氮化镓在 功率半导体领域替代传统硅的历史性拐点的到来。

图95:集成芯片功率图 行业报告|行业深度研究 61 资料来源:纳微半导体公司官网、天风证券研究所 率先打造业内首款集成半桥氮化镓功率IC,成为快充市场GaN功率芯片头部供应商。

第 一个半桥氮化镓(GaN)功率IC产品为650V的NV6250,采用6x8mm QFN封装,具有上 下管驱动器,电平转换器,两个560mohm功率FET,自举电路和多种保护功能。

集成了 所有半桥功能,提供高达2MHz开关速度,在提供更快充电的同时,大大减少尺寸、成 本和重量。

简单数字PWM输入信号在所有频率下能轻松驱动半桥,为电源系统设计人员 提供了极大的易用性和布局灵活性。

纳微半导体还计划推出65WACF半桥氮化镓(GaN) IC,可用在200WLLC拓扑中。

与同类中Si基转换器相比具有较大优势。

图96:DC-DC转换器对比 资料来源:纳微半导体公司官网、天风证券研究所 图97:纳微半导体营收情况(单位:百万日元) 资料来源:纳微半导体2018、2019、2020年年报、天风证券研究所 7.我国公司情况:厚积薄发,未来可期 7.1.三安光电:化合物半导体业务多轮驱动,加速替代海外供应商 三安光电通过设立厦门三安光电全资子公司发力化合物半导体市场,项目总规划用地 281亩,总投资额30亿元。

三安光电电路是涵盖微波射频、高功率电力电子、光通讯等 3,792 4,032 4,401 4,931 4,704 0 1,000 2,000 3,000 4,000 5,000 6,000 20162017201820192020 行业报告|行业深度研究 62 领域的化合物半导体制造平台;具备衬底材料、外延生长、以及芯片制造的产业整合能 力,拥有大规模、先进制程能力的MOCVD外延生长制造线。

图98:三安光电化合物半导体布局广泛 器件材料器件种类应用领域 光电GaAs、GaN、蓝宝石LED、光伏电池 照明、显示、背光、农业、医疗、 光伏发电等 微波射频GaAs、InP、GaN、LT/LN 功率放大器、滤波器、低噪声放大 器、射频开关器、混频器、振荡 器、单片微波集成电路等 移动通信设备和基站、WiFi/蓝牙模 组、卫星通信、CATV等 电力电子GaN、SiC 肖特基势垒二极管、金属氧化物半 导体场效应晶体管、绝缘栅双极型 晶体管、氮化镓场效应晶体管等 消费电源快速充电器、家用电器、 新能源汽车、不间断电源、光伏/风 能电站、智能电网、高速铁路等 光通讯,GaAs、InP 光电探测二极管、垂直腔面激光发 射器、分布反馈式激光器 通信基站、数据中心/云计算、光纤 到家、3D感应等 资料来源:三安光电2020年年报、天风证券研究所 三安光电覆盖多种化合物半导体,积极开拓相关客户获得高度认可。

三安光电作为致力 成为化合物半导体专业制造的领导公司,主要从事生产砷化镓半导体芯片及氮化镓高功 率半导体芯片产品,包含第二代(砷化镓(GaAs)和磷化铟(InP))、第三代(碳化硅 (SiC)和氮化镓(GaN))。

碳化硅二极管开拓客户182家,送样客户92家,转量产客 户35家,超过30种产品已进入批量量产阶段。

二极管产品已有2款产品通过车载认证, 送样客户4家,目前封装测试中。

在硅基氮化镓功率器件方面,完成约40家客户工程送 样及系统验证,已拿到12家客户设计方案,4家进入量产阶段。

三安光电产品性能获得 客户高度认可,客户寻求代工意愿强烈,每块业务产能均在大力扩充,订购的设备也在 陆续到位,随着产能的逐步释放,营收规模将会持续增大,盈利能力也将会逐步体现。

表11:三安光电核心技术服务 微波射频 在微波射频领域,当前已推出具有国际竞争 力的GaAs HBT、pHEMT等面向射频应用的 先进制程工艺,已建成专业化、规模化的4 寸、6寸化合物晶圆制造产线。

电力电子 在电力电子领域。

现已推出高可靠性、高功 率密度的SiC功率二极管及硅基氮化镓功率 器件。

行业报告|行业深度研究 63 光通讯 在光通讯领域,已具备生产DFB、VCSEL、 PDAPD等数通产品的能力,并面向3D sensing,红外LiDAR等消费应用领域开发 出高功率可见波段,红外波段VCSEL、及端 面发光激光器(EEL)等产品。

资料来源:三安光电官网、天风证券研究所 三安集成2021H1实现收入10.16亿元,半年度收入实现对去年全年收入超越。

包含泉 州三安滤波器在内,则实现收入10.28亿元。

随着公司H2产能逐步释放,我们看好公司 全年集成电路板块收入持续保持高增长。

在客户进展方面,2021上半年滤波器开拓41 家客户(其中17家国内手机和通信模块客户),砷化镓射频累计客户近100家,光技术 量产客户104家,碳化硅二极管上半年新开拓客户518家,出货客户超过180家,并有 2款碳化硅二极管产品通过车载认证并送样行业标杆客户,其中,碳化硅Mos工业级产 品送样验证,车规级正配合多家车企做流片设计及测试。

图99:三安集成营收逐年增长(亿元),2021H1超过2020全年营收 资料来源:Wind、天风证券研究所 砷化镓射频上半年扩产设备已逐步到位,产能达到8,000片/月,出货产品全面覆盖2G- 5G手机PA、WIFI等应用领域,国内外客户累计近100家,已成为国内领先射频设计公 司的主力供应商。

随着后续扩产设备的逐步到位,产能不断提升,加上产品技术工艺不 断成熟,高阶工艺导入及客户新流片增加,客户粘性将不断加强。

滤波器SAW和TC- SAW产品已开拓客户41家,其中17家为国内手机和通信模块主要客户,产品已成功导 入手机模块产业供应链。

公司开发的自主知识产权温度补偿型滤波器,产品已经与国际 厂商的同类产品性能相当,高品质、高性能的产品能快速导入客户端,目前已有多家手 机终端厂商与公司接洽,随着手机终端厂商的直接导入以及公司产能的提升,未来在该 领域的市场份额将进一步提升。

首条碳化硅IDM生产线投产,集成电路业务多轮驱动。

今年6月23日,公司投资160 亿元的一座全产业链超级工厂正式投产,月产量可达30,000片6寸碳化硅晶圆。

公司长 沙工厂具备由上游衬底至下游器件的能力,当下拥有碳化硅晶圆制造能力的工厂数量也 屈指可数。

公司建成了国内首条碳化硅垂直整合产业链,对下游企业的议价能力较强, 在新能源汽车快速提高渗透率的浪潮中,碳化硅市场将快速成长,公司预计将显著受益。

图100:三安光电在氮化镓的应用领域 0.170.26 1.71 2.41 9.74 10.16 0 2 4 6 8 10 12 201620172018201920202021H1 行业报告|行业深度研究 64 资料来源:三安光电公司官网、天风证券研究所 7.2.闻泰科技:持续高质量研发,新型化合物半导体迎来广阔空间 积极布局第三代半导体,氮化镓已通过车规认证测试并实现量产。

随着汽车电气化、5G 通信、工业互联网市场的不断增长,GaN、SiC的第三代半导体技术应用正越来越广泛。

安世半导体在行业推出领先性能的第三代半导体氮化镓功率器件(GaNFET),目标市场包 括电动汽车、数据中心、电信设备、工业自动化和高端电源,特别是在插电式混合动力 汽车或纯电动汽车中,氮化镓技术是其使用的牵引逆变器的首选技术。

目前公司的650V 氮化镓(GaN)技术,已经通过车规级测试,2021年将开始交付给汽车客户。

碳化硅 (SiC)产品目前已经交付了第一批晶圆和样品。

目前氮化镓已推出硅基氮化镓功率器件 (GaNFET),已通过车规认证测试并实现量产,碳化硅技术研发也进展顺利,碳化硅二极 管产品已经出样。

与联合汽车电子有限公司就氮化镓领域达成深度合作绑定,为客户提供更为先进和高效 的新能源汽车电源系统解决方案。

据安世半导体的高层表示:新能源汽车电源系统有望 在未来主导半导体器件持续增长的市场需求,硅基氮化镓场效应晶体管的功率密度和效 率将在汽车电气化应用中发挥关键作用。

2021年3月11日,闻泰科技全资子公司、全球 功率半导体领先企业安世半导体宣布与国内汽车行业龙头企业联合汽车电子有限公司(简 称UAES)在功率半导体氮化镓(GaN)领域展开深度合作,旨在满足未来对新能源汽车电源 系统不断提升的技术需求,并共同致力于推动GaN工艺技术在中国汽车市场的研发和应用。

子公司安世半导体在GaN产品应用和生产制造方面都领先行业。

2019年11月安世半导 体发布首款GaNFET,如今安世半导体的GaN功率器件已达到行业领先水平,未来有望 持续布局新型化合物领域,提供更多高性能产品。

表12:安世半导体核心技术先进性 序号核心技术应用阶段技术先进性 1 双极性晶体管和 二极管及ESD保 护器件领域 大规模量产 在双极性晶体管和二极管领域,该领域已历经60多年发展,客户 的需求主要在于性能参数的不断完善升级、随着产品微型化后对 封装技术的要求升级。

安世集团在该领域处于领先地位,通过先 进的封装技术提高尺寸性能比、降低功耗、减少热量产生。

在 ESD保护器件领域,随着高速的数据速率相互连接,新设备和媒 体应用程序无处不在、系统芯片的静电放电灵敏度正在不断提 高;安世集团的ESD保护器件能充分满足客户对于元器件的保护 需求。

2逻辑器件领域大规模量产 在逻辑器件领域,已有传统逻辑器件基的础上,持续研发满足创 新应用领域的逻辑器件需求。

3 MOSFET器件领域 大规模量产,新技术持 续研发 在满足基于已有的传统汽车领域的半导体元器件需求的基础上, 安世集团持续研发符合汽车动力系统电子化需求的半导体元器 件,并推出行业领先性能的高效率氮化镓功率器件(GaNFET), 安世集团的氮化镓技术已经可以量产,并能够灵活的扩产。

资料来源:闻泰科技公司公告、天风证券研究所 行业报告|行业深度研究 65 加码GaN产品研发,联合行业伙伴全力推动汽车领域增长。

2020年安世宣布与Ricardo 建立合作伙伴关系,为基于氮化镓技术制成的电动汽车逆变器研发技术验证机,2021年 4月,安世半导体推出符合汽车AEC-Q101标准的新一代GaN产品,更好的应对高温、 高湿、高效率、高振动环境及高功率密度的需求;2021年3月,安世宣布与联合汽车电 子(UAES)就氮化镓半导体达成全面合作伙伴关系,将共同开发使用GaN技术的电动汽 车电源系统解决方案,打造基于GaN工艺的联合实验室。

图101:安世半导体GaNFET系列产品 资料来源:闻泰科技公司官网,天风证券研究所 图102:闻泰科技营收情况(亿元) 图103:闻泰科技归母净利润情况(亿元) 资料来源:Wind、天风证券研究所 资料来源:Wind、天风证券研究所 2021半年度实现营业收入247.69亿元,同比增长3.91%,实现归母净利润12.32亿元, 同比减少27.56%。

其中,半导体业务2021年H1实现营收67.73亿元,毛利率35.06%, 实现净利润13.10亿元,同比增长234.52%。

盈利能力达到历史最高水平,半导体业务仍 然保持快速增长态势。

经营整合的协同效应推动安世集团进入了发展的历史新阶段。

2021上半年以来,面对全球疫情的反复,公司进一步加快经营管理效率的提升。

并在产 品普遍涨价的背景下加大研发优化产品结构,加强高毛利率产品包括逻辑、模拟、功率 Mos等的产能和料号扩充,目前100V以上的Mosfet料号已经超过100种,进一步弱化 了价格因素对公司业务的影响,保障长期增长的基础。

在产品价格方面,公司一方面积 极强化同汽车客户、工业客户、消费电子客户更紧密的合作关系,同时因应市场供需紧 张的局面,向主要MassMarket经销商的销售价格在2020年四季度价格相对稳定的基础 上,在2021年以来实施了分批次涨价,主要涨价产品包括标准逻辑与模拟、小型号二极 管/三极管,功率二极管/三极管、Mosfet等。

公司将继续抓好生产,保障客户稳定供应。

图104:闻泰科技毛利率、净利率情况 134.17 169.16173.35 415.78 517.07 247.69 0 100 200 300 400 500 600 0.48 3.29 0.61 12.54 24.15 12.32 0 5 10 15 20 25 30 201620172018201920202021H1 行业报告|行业深度研究 66 资料来源:Wind、天风证券研究所 7.3.斯达半导:加码布局碳化硅功率芯片,加速国产替代提升核心竞争力 斯达半导将以IGBT技术为基础,不断突破和积累下一代以SiC、GaN器件为代表的宽禁 带功率半导体器件的关键技术,大力发展车规级功率器件。

2021年8月公司宣布投资5 亿元在SiC芯片研发及产业化项目;2021年3月公司宣布投资20亿元与高压特色工艺功 率芯片和SiC芯片研发及产业化项目。

斯达半导近期多次加码布局碳化硅功率芯片,布局蓬勃发展的新能源汽车市场,加速国 产替代提升核心竞争力。

斯达微电子依托母公司在功率半导体的技术积累,向碳化硅芯 片研发及产业化领域拓展,目前在600V/650V、1200V、1700V等中低压IGBT芯片已经 实现国产化,但是SiC芯片仍依赖进口,急需国产化以提高公司的竞争力。

为此,公司拟 采用先进技术和设备,实施SiC芯片研发及产业化项目,产品由企业自主研发,具有完全 自主知识产权,各项指标均达到国外同类产品技术要求,部分指标优于进口产品。

图105:斯达半导营收(亿元)稳步上升 图106:斯达半导净利润(亿元)稳步上升 资料来源:Wind、天风证券研究所 资料来源:Wind、天风证券研究所 公司2021年上半年实现营业收入7.19亿元,同比增长72.62%,实现归母净利润1.54亿 元,同比增长90.88%。

公司财务情况良好,净利润及营收逐年提升,同时毛利率与净利 润也稳步上升,2021H1再创新高,达到34.42%的毛利率及21.47%的净利润率。

图107:斯达半导毛利率、净利润率稳步上升 8.02 8.989.06 10.32 15.21 16.18 1.431.98 0.42 3.32 4.764.88 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 201620172018201920202021H1 销售毛利率(%)销售净利率(%) 3.01 4.38 6.75 7.79 9.63 7.19 0 2 4 6 8 10 12 201620172018201920202021H1 0.21 0.53 0.97 1.35 1.81 1.54 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4 1.6 1.8 2 201620172018201920202021H1 行业报告|行业深度研究 67 资料来源:Wind、天风证券研究所 公司将持续发力新能源汽车及燃油汽车半导体器件市场,为高端车型提供成熟的车规级 SiC模块。

2020年,公司继续布局宽禁带功率半导体器件。

在机车牵引辅助供电系统、 新能源汽车行业控制器、光伏行业推出的各类SiC模块得到进一步的推广应用。

公司应用 于新能源汽车的车规级SiC模块获得国内外多家著名车企和Tier1客户的项目定点,将对 公司2022年-2028年车规级SiC模块销售增长提供持续推动力。

未来公司将持续发力新 能源汽车及燃油汽车半导体器件市场,在新能源汽车用驱动控制器领域为客户提供全功 率段的车规级IGBT模块,并为高端车型提供成熟的车规级SiC模块,完善辅助驱动和车 用电源市场的产品布局;在燃油车用汽车电子市场,依托48VBSG功率组件,开发更多 的燃油车用车规级功率器件。

7.4.华润微:旗下国内首条6英寸商用SiC晶圆生产线量产 旗下国内首条6英寸商用SiC晶圆生产线量产,充分利用IDM模式优势和在功率器 件领域雄厚的技术积累开展SiC功率器件研发,向市场发布第一代SiC工业级肖特基二极 管(1200V、650V)系列产品,国内首条6英寸商用SiC晶圆生产线正式量产。

公司中低压 功率SGTMOSFET产品实现关键核心技术突破,器件性能达到对标产品的国际先进水平。

公司完成光电高压可控硅成品平台研发,推出过零触发和随机相位触发等多颗产品。

MEMS硅麦克风工艺平台从6英寸升级到8英寸,首颗代表产品参数达标。

积极布局和拓展碳化硅业务及供应链,公司通过华润微电子控股有限公司与国内领先 的碳化硅外延晶片企业-瀚天天成电子科技(厦门)有限公司达成《增资扩股协议》,增 资后公司持有瀚天天成3.2418%的股权,通过资本合作和业务合作积极带动SiC业务的发 展和布局。

图108:华润微营收(亿元)情况 图109:华润微归母净利润(亿元)情况 资料来源:Wind、天风证券研究所 资料来源:Wind、天风证券研究所 27.97 30.629.4130.61 31.56 34.42 6.65 11.7 14.29 17.4218.8 21.47 0 5 10 15 20 25 30 35 40 201620172018201920202021H1 销售毛利率(%)销售净利率(%) 62.71 57.43 69.77 44.50 0.00 10.00 20.00 30.00 40.00 50.00 60.00 70.00 80.00 2018201920202021H1 5.385.12 10.6010.70 0.00 2.00 4.00 6.00 8.00 10.00 12.00 2018201920202021H1 行业报告|行业深度研究 68 华润微营收快速增长,毛利率大幅提升。

公司上半年实现营收44.5亿元,同比增长 45%,归母净利润10.7亿元,同比增长165%。

其中二季度单季实现营收24.1亿元,归母 净利润6.7亿元。

受益于产能利用率和价格提升,上半年毛利率34.1%,同比增长6.8个 百分点。

图110:华润微毛利率、净利率情况 资料来源:Wind、天风证券研究所 7.5.立昂微: GaN芯片产能爬坡,规模化生产正当时 杭州立昂东芯是专业从事砷化镓/氮化镓微波射频芯片研发与制造的公司,在国内较早建 成了商业化射频芯片生产线,目前客户群已经具备,技术已经突破,正处于产能和销量 爬升的阶段。

图111:立昂东芯技术路线 资料来源:立昂微公司官网、天风证券研究所 投资子公司,布局年产36万片6英寸砷化镓/氮化镓微波射频集成电路芯片。

2021.1月 立昂微子公司立昂东芯项目总投资约43亿元,其中设备投资36.05亿,土地及生产、动 力、环境等各类厂房投资3.8亿,流动资金和其他配套投资3.15亿。

建成后预计年产36 万片6英寸砷化镓/氮化镓微波射频集成电路芯片。

其中包括年产18万片砷化镓HBT和 pHEMT芯片,年产12万片垂直腔面发射激光器VCSEL芯片,年产6万片氮化镓HEMT 芯片。

该项目由海宁公司在五年内分阶段实施,其中第一阶段工程18万片/年,第二阶 段工程18万片/年。

公司盈利能力稳步提升,公司2021H1净利润预计为21,728.18万元,同比增长152.54%。

图112:立昂微营收(亿元)稳步上升 图113:立昂微净利润(亿元)稳步上升 8.57% 8.92% 15.19% 23.95%25.20% 22.84% 27.47% 34.06% 0.00% 5.00% 10.00% 15.00% 20.00% 25.00% 30.00% 35.00% 40.00% 2018201920202021H1 净利率毛利率 行业报告|行业深度研究 69 资料来源:Wind、天风证券研究所 资料来源:Wind、天风证券研究所 公司2021H1实现营业收入10.28亿元,同比增长58.57%,实现归母净利润2.09亿元, 同比增长174.21%。

公司整体营收及净利润稳步上升。

器件产品的应用端光伏新能源行业、 新能源汽车行业市场景气度有显著提升,对公司生产的高端器件产品的需求持续增加, 虽然产能有较大提升,但仍难以满足市场的旺盛需求,供不应求态势明显。

公司依据市 场供需状况对半导体硅片、半导体功率器件芯片实施了涨价,直接增加了公司上半年的 经营业绩。

图114:立昂微毛利率、净利率情况 资料来源:Wind、天风证券研究所 7.6.士兰微:IGBT产品营收再创新高,SiC中试线实现通线 产品线不断丰富,IGBT产品营收再创新高。

公司建立了可持续发展的产品和技术研发体 系,其中包括以IGBT等为代表的功率半导体产品。

在工艺技术平台研发方面,公司依托 于已稳定运行的5、6、8英寸芯片生产线和正在建设的12英寸芯片生产线和先进化合物 芯片生产线,建立了新产品和新工艺技术研发团队,完成了国内领先的超薄片槽栅IGBT 工艺研发。

2020年,基于公司自主研发的V代IGBT和FRD芯片的电动汽车主电机驱动 模块,已通过部分客户测试并开始小批量供货。

2020年,公司IGBT产品(包括器件和 PIM模块)营业收入突破2.6亿元,较上年同期增长60%以上。

GaN研发持续推进,SiC中试线实现通线:2021年上半年,公司硅基GaN化合物功率半 导体器件的研发在持续推进中,公司SiC功率器件的中试线已在二季度实现通线。

未来士 兰微将在化合物功率半导体器件的研发上继续加大投入,尽快推出硅基GaN功率器件以 及完整的应用系统;同时加快SiCMOSFET功率器件的研发,尽快推出自产芯片的车用 SiC功率模块。

图115:士兰微营收(亿元)情况 图116:士兰微净利润(亿元)情况 6.7 9.32 12.2311.92 15.02 10.28 0 2 4 6 8 10 12 14 16 201620172018201920202021H1 0.66 1.06 1.81 1.28 2.022.17 0 0.5 1 1.5 2 2.5 201620172018201920202021H1 11.62% 17.09% 12.69% 14.33% 17.29% 29.98% 37.69% 37.31% 35.29% 40.97% 0.00% 5.00% 10.00% 15.00% 20.00% 25.00% 30.00% 35.00% 40.00% 45.00% 20172018201920202021Q1 净利率毛利率 行业报告|行业深度研究 70 资料来源:Wind、天风证券研究所 资料来源:Wind、天风证券研究所 士兰微上半年收入33亿元,同比增长94%。

归母净利润创历史新高达4.3亿元,同比增 加1306%。

公司营业利润和利润总额均扭亏为盈,(1)2021年上半年公司子公司士兰集 昕公司8英寸芯片生产线保持较高水平的产出,芯片产量较去年同期有较大幅度的增长, 产品综合毛利率提高至18.35%,亏损大幅度减少;(2)公司子公司士兰明芯公司LED芯 片生产线基本处于满负荷生产状态,LED芯片产量较去年同期有较大幅度的增长,产品综 合毛利率提高至6.87%,亏损大幅度减少;(3)士兰微(母公司)集成电路和分立器件产 品销量较去年同期大幅度增长,产品毛利率提高至23.94%,营业利润大幅度增长 图117:士兰微毛利率、净利率情况 资料来源:Wind、天风证券研究所 7.7.华虹半导体:IGBT在12英寸实现规模量产 华虹半导体在IGBT制造领域拥有深厚经验,技术先进、量产产品种类繁多,前瞻布局新 技术以适应增长性需求。

华虹半导体作为全球首家提供场截止型(FS, Field Stop)IGBT 量产技术的8英寸晶圆代工企业,在IGBT制造领域具有深厚经验,无论是导通压降、关 断损耗还是工作安全区、可靠性等目前均达到了国际领先水平。

公司拥有先进的全套 IGBT薄晶圆背面加工工艺。

华虹半导体量产的IGBT产品系列众多,电压涵盖600V至 1700V,电流从10A到400A,产品线逐渐从民生消费类跨入工业商用、新能源汽车等领 域。

除了追求高压功率器件所需的更高功率密度和更低损耗,公司正在开发片上集成传 感器的智能化IGBT工艺技术与更高可靠性的新型散热IGBT技术,以更好地服务全球市 场对IGBT产品的增长性需求。

华虹半导体是全球首家同时在8英寸与12英寸生产线量产先进型沟槽栅电场截止型 IGBT的纯晶圆代工企业.。

2019年公司在无锡顺利投产的12英寸厂在2021年上半年一 切进展顺利,产能利用率保持高位。

在保证现有产能持续稳定供应并不断扩增产能的情 况下,仍然保持服务质量的不断精进,IGBT在12英寸实现规模量产,更好地支持客户产 能需求。

公司分立器件2021上半年业绩同比增长40%,其中IGBT表现亮眼,出货量同比 增长121%。

23.75 27.42 30.2631.11 42.81 33.00 0.00 5.00 10.00 15.00 20.00 25.00 30.00 35.00 40.00 45.00 0.921.030.74 -1.07 -0.23 4.30 -2.00 -1.00 0.00 1.00 2.00 3.00 4.00 5.00 201620172018201920202021H1 3.863.752.45 -3.45 -0.53 10.79 24.67 26.7025.46 19.47 22.50 29.33 -10.00 -5.00 0.00 5.00 10.00 15.00 20.00 25.00 30.00 35.00 201620172018201920202021H1 销售净利率(%)销售毛利率(%) 行业报告|行业深度研究 71 2021年H1业绩表现亮眼。

2021年1-6月,公司实现营业收入6.59亿元,同比增长 51.55%;扣除非经常性损益后归属于母公司所有者的净利润 7622.20万元,同比增长 193.52%。

图118:公司营业总收入与同比增长情况 图119:扣非归母净利润与同比增长情况 资料来源:wind、天风证券研究所 资料来源:wind、天风证券研究所 7.8.新洁能:国内IGBT等半导体功率器件市占率排名前列 2021年H1,公司IGBT业务实现一系列进展,IGBT产品营收强劲增长。

2021年上半年, 12寸的1200VIGBT目前有五个系列的不同特性的IGBT产品量产;针对工业变频和工业 逆变的1200VIGBT功率集成模块(PIM)陆续产出,并形成批量销售;专门针对光伏储 能市场的开发的低损耗高频IGBT系列产品已经通过多家行业代表客户测试,并接到客户 批量订单。

借助于公司核心供应商华虹宏力的8+12英寸先进的特色工艺,公司上半年 IGBT取得了长足发展,目前在光伏逆变、储能逆变(UPS)、工控、电动工具马达驱动、 家电变频控制等行业都获得突破性进展,与相关行业头部企业都展开了紧密合作。

此外 公司的IGBT模块自二季度推出相关产品后,已经取得了部分客户的订单。

2021年上半 年,公司IGBT产品实现销售收入2,642.22万元,相比去年同期增长了1114.60%。

第三代半导体功率器件平台:目前1200V新能源汽车用SiCMOSFET和650VPD电源用 GaNHEMT在境内外芯片代工厂的处于流片验证阶段,进展顺利。

驱动IC产品平台:为 了更好的满足终端客户对功率器件及整体解决方案的需求,公司已立项研发用于控制和 驱动功率开关器件(MOSFET/IGBT/SiCMOSFET/GaNHEMT)的IC系列产品,目前已完 成IC研发团队的组建,并与多家芯片代工厂建立了合作关系,已开发数款IC产品,相关 产品处于客户验证阶段,预计该类产品将成为公司新的业绩增长点。

图120:新洁能营收(亿元)情况 图121:新洁能归母净利润(亿元)情况 资料来源:Wind、天风证券研究所 资料来源:Wind、天风证券研究所 新洁能上半年营业收入6.77亿元,同比增长76.21%。

归母净利润1.74亿元,同比增加 215.29%。

2021上半年,(1)受到疫情影响、电子元器件国产化加快、新兴应用领域兴起 等因素的持续影响,功率半导体行业景气度日趋升高。

(2)围绕市场需求、客户需求以 及行业发展趋势,公司积极进行研发升级与产品技术迭代;(3)持续开发与维护供应链 8.21 9.459.469.75 6.59 11.61%15.02% 0.15% 3.08% 51.55% 0.00% 10.00% 20.00% 30.00% 40.00% 50.00% 60.00% 0.00 2.00 4.00 6.00 8.00 10.00 12.00 营业总收入(亿元)同比(%) 1.41 1.75 1.44 0.880.76 16.75% 24.05% -17.49%-39.19% 193.52% -100.00% 0.00% 100.00% 200.00% 300.00% 0.00 0.50 1.00 1.50 2.00 20172018201920202021H1 归母扣非净利润(亿元)同比(%) 4.22 5.04 7.16 7.73 9.55 6.77 0 2 4 6 8 10 12 201620172018201920202021H1 0.36 0.52 1.41 0.98 1.39 1.74 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4 1.6 1.8 2 201620172018201920202021H1 行业报告|行业深度研究 72 资源,争取更多的产能支持;(4)优化市场结构、客户结构及产品结构,开拓新兴市场 与开发重点客户,最终实现经营规模和经济效益的较好增长。

图122:新洁能毛利率、净利率情况 资料来源:Wind、天风证券研究所 7.9.扬杰科技:瞄准SiC行业发展趋势,加强SiC功率器件等研发力度 瞄准第三代半导体材料行业发展趋势,在碳化硅功率器件等产品研发方面加大力度,以 进一步满足公司后续战略发展需求,现已成功开发并向市场推出碳化硅模块及650V碳化 硅SBD全系列产品,1200V系列碳化硅SBD及碳化硅MOS已取得关键性进展,为实现 半导体功率器件全系列产品的一站式供应奠定坚实的基础。

图123:扬杰科技营收(亿元)情况 图124:扬杰科技归母净利润(亿元)情况 资料来源:Wind、天风证券研究所 资料来源:Wind、天风证券研究所 公司2021H1实现归母净利润3.44亿元,同比增长138.57%。

公司整体营收及净利润稳 步上升。

同时公司前期在研发上的大力投入逐步释放效益,新产品业绩突出。

MOS、小 信号、IGBT及模块等产品的业绩同比增长均在100%以上。

图125:扬杰科技毛利率、净利率情况 18.89 24.69 31.63 20.73 25.37 36.93 8.54 10.3 19.76 12.71 14.59 25.77 0 5 10 15 20 25 30 35 40 201620172018201920202021H1 销售毛利率(%)销售净利率(%) 11.9 14.7 18.52 20.07 26.17 20.8 0 5 10 15 20 25 30 201620172018201920202021H1 2.02 2.67 1.87 2.25 3.78 3.44 0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4 201620172018201920202021H1 行业报告|行业深度研究 73 资料来源:Wind、天风证券研究所 7.10.赛微电子:掌握业绩领先SiC、GaN外延技术,GaN业务产能爬升 迅猛 以研发为基础,赛微电子掌握业界领先的8英寸硅基GaN外延与6英寸碳化硅基GaN 外延生产技术,由小规模试产转向量产。

赛微电子自主掌握了GaN外延材料生长的工艺 诀窍并积累了丰富的GaN功率及微波器件设计经验。

目前,公司已经就GaN外延材料产 品签订了千万级销售合同,并根据商业条款安排生产及交付。

截至目前,公司GaN外延 晶圆和功率器件的订单金额合计已超过3,000万元人民币。

赛微电子通过投资设立全资子公司和参股联营等方式,在与地方政府积极合作的基础上, 推动产能建设和产业链布局。

公司半年报表明,在GaN外延片方面,公司已经建成6-8 英寸的GaN外延材料制造项目(一期)的产能为10000片/年。

目前在生产中遇到的困难 主要来自产能供应端受限,存在产能瓶颈问题。

一方面,公司通过签订批量流片合同以 缓解产能瓶颈问题,另一方面,公司GaN业务子公司聚能创芯参股投资设立青州聚能国 际。

目标在2021年内建成GaN产线并做好投产准备,以尽快推动产能建设,完善IDM 布局。

赛微电子与政府达成密切合作,以推动其相关产业布局的实现,助力公司进一步完善 GaN业务的全产业链IDM布局。

赛微电子与青州市人民政府于2020年4月签订的《合 作协议》中,青州市政府承诺于青州经济开发区提供租赁厂房,支持新产线建设等等, 并提供税费优惠。

项目一期建成后将形成6-8英寸晶圆月产5000片的生产能力,二期建 成后产量将达12,000片/月。

项目预计2021年底前做好投产前准备,2022年上半年投入 生产,一期产能投产达效后预计可新增年销售收入5亿元。

2021年上半年,公司实现营收3.95亿元,同比增长9.74%;归母净利润0.72亿元,同 比增长515.57%。

图126:赛微电子营收(亿元)情况 图127:赛微电子归母净利润(亿元)情况 资料来源:Wind、天风证券研究所 资料来源:Wind、天风证券研究所 35.3635.58 31.36 29.8 34.2734.06 1718.2 10.1810.98 14.6 17.7 0 5 10 15 20 25 30 35 40 201620172018201920202021H1 销售毛利率(%)销售净利率(%) 3.37 6.01 7.127.18 7.65 3.95 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 201620172018201920202021H1 0.59 0.48 0.89 1.15 2.01 0.72 0 0.5 1 1.5 2 2.5 201620172018201920202021H1 行业报告|行业深度研究 74 赛微电子上半年营业收入收入3.95亿元,同比增长9.74%。

归母净利润0.72亿元,同比 增加515.57%。

主要业绩驱动因素为MEMS业务。

公司子公司瑞典Silex是全球领先的纯 MEMS代工企业且产能持续扩充,子公司赛莱克斯北京已建成规模化MEMS代工能力并 正式投产。

图128:赛微电子毛利率、净利率情况 资料来源:Wind、天风证券研究所 7.11.捷捷微电:与研究所合作研发第三代半导体相关技术 公司已与中科院微电子研究所、西安电子科大合作研发以SiC、GaN为代表第三代半导 体材料的半导体器件,具有耐高压、耐高温、高速和高效等优点,可大幅降低电能变换 中的能量损失,大幅减小和减轻电力电子变换装置,是当前新型电力电子器件的研发主 流,其相关技术与产品在工业传动、军工、铁路、智能电网柔性输变电、消费电子、无 线电力传输等领域,以及智能汽车及充电桩、太阳能发电、风力发电等新能源领域具有 广阔的市场,宽禁带电力电子器件产品将是未来电力电子技术的重要价值增长点。

图129:捷捷微电营收(亿元)情况 图130:捷捷微电归母净利润(亿元)情况 资料来源:Wind、天风证券研究所 资料来源:Wind、天风证券研究所 捷捷微电上半年营业收入8.52亿元,同比增长109.03%。

归母净利润2.4亿元,同比增 加105.21%。

2021年上半年,公司拥有的核心技术与研发能力、产品质量控制能力以及 全行业覆盖的市场与销售体系仍是公司立足行业领先地位的核心竞争力。

图131:捷捷微电毛利率、净利率情况 43.14 36.43 40.73 44.2145.48 46.51 19.82 9.68 13.2114.67 24.5 11.85 0 10 20 30 40 50 201620172018201920202021H1 销售毛利率(%)销售净利率(%) 3.32 4.31 5.37 6.74 10.11 8.52 0 2 4 6 8 10 12 201620172018201920202021H1 1.16 1.44 1.66 1.9 2.83 2.4 0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 201620172018201920202021H1 行业报告|行业深度研究 75 资料来源:Wind、天风证券研究所 7.12.华微电子:积极布局第三代半导体器件技术 公司正在积极布局以SiC和GaN为代表的第三代半导体器件技术,重点推进SiCSBD产 品和650VGaN的开发。

作为首家国内功率半导体器件领域上市公司,华微公司坚持生 产一代、储备一代、研发一代的技术开发战略,早已积极布局以SiC和GaN为代表的第 三代半导体器件的研发、制造。

目前SiC产品已经可以提供二极管产品、GaN器件可以 提供快充使用的FET。

华微电子表示,下一步,将进一步发挥公司的IDM模式的优势, 集中精力研究三代半导体的关键技术和应用技术,完善相关生产线开发和制造能力,为 消费类、工业类和汽车电子领域提供优异的三代半导体电力电子器件。

图132:华微电子营收(亿元)情况 图133:华微电子归母净利润(亿元)情况 资料来源:Wind、天风证券研究所 资料来源:Wind、天风证券研究所 2021年上半年公司实现营业收入9.92亿元,同比增长23.45%;实现归属于上市公司股 东的净利润0.27亿元,同比上升43.59%。

2021年上半年,公司紧紧抓住国产化替代契 机,充分发挥自身产品、技术优势,加大产品研发投入和市场推广力度,实现了公司产 品在中高端市场的规模化应用。

图134:华微电子毛利率、净利率情况 54.7955.88 48.86 45.1246.7 49.02 35.1133.46 30.82 28.1427.9328.08 0 10 20 30 40 50 60 201620172018201920202021H1 销售毛利率(%)销售净利率(%) 13.96 16.3517.0916.5617.19 9.92 0.00 2.00 4.00 6.00 8.00 10.00 12.00 14.00 16.00 18.00 20.00 0.41 0.95 1.06 0.65 0.34 0.27 0.00 0.20 0.40 0.60 0.80 1.00 1.20 201620172018201920202021H1 行业报告|行业深度研究 76 资料来源:Wind、天风证券研究所 7.13.时代电气:IGBT技术达国际先进水平,应用于轨道交通和电网 突破IGBT关键核心技术,打破轨道交通和特高压输电关键器件由国外企业垄断的局面。

公司一直以来致力于功率半导体技术的自主研究,目前已成长为我国功率半导体领域集 器件开发、生产与应用于一体的代表企业,主要产品覆盖双极器件、IGBT和SiC等。

在功率半导体器件领域,公司建有6英寸双极器件、8英寸IGBT和6英寸碳化硅的产 业化基地,拥有芯片、模块、组件及应用的全套自主技术。

公司生产的全系列高可靠性 IGBT产品打破了轨道交通核心器件和特高压输电工程关键器件由国外企业垄断的局面, 目前正在解决我国新能源汽车核心器件自主化问题。

IGBT技术达到国家先进水平,产品广泛应用于轨道交通、电网和新能源汽车行业。

公司 在IGBT领域的技术经湖南省科技厅及组织的专家评审团评估,成果总体技术达到国际 领先水平。

在轨道交通行业,公司的高压IGBT产品大量应用于我国轨道交通核心器件 领域;在输配电行业,公司生产的3300V等系列IGBT批量应用于柔性直流输电、百兆 级大容量电力系统,为我国柔性输配电工程的建设提供核心技术保障;在新能源汽车行 业,公司最新一代产品已向国内多家龙头汽车整车厂送样测试验证,有助于构建我国新 能源汽车核心器件自主技术及产业化体系。

部分SiCSBD、MOSFET产品已得到应用。

公司建有6英寸双极器件、8英寸IGBT 和6英寸碳化硅的产业化基地,拥有芯片、模块、组件及应用的全套自主技术,除双极 器件和IGBT器件在输配电、轨道交通、新能源等领域得到广泛应用外,公司的“高性 能SiCSBD、MOSFET电力电子器件产品研制与应用验证”项目已通过科技成果鉴定, 实现了高性能SiCSBD五个代表品种和SiCMOSFET三个代表品种,部分产品已得到 应用。

2021年上半年公司实现营业收入52.98亿元,同比下降4.88%;实现归属于上市公司 股东的净利润6.95亿元,同比上升1.03%。

图135:时代电气营收(亿元)情况 图136:时代电气归母净利润(亿元)情况 资料来源:Wind、天风证券研究所 资料来源:Wind、天风证券研究所 19.59 20.70 22.72 20.51 19.05 21.54 2.63 5.806.26 3.69 1.952.68 0.00 5.00 10.00 15.00 20.00 25.00 201620172018201920202021H1 销售毛利率(%)销售净利率(%) 151.44156.58 163.04160.34 52.98 0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 20172018201920202021H1 25.2326.12 26.59 24.75 6.95 0 5 10 15 20 25 30 20172018201920202021H1 行业报告|行业深度研究 77 7.14.天岳先进:国内领先第三代半导体碳化硅衬底材料制造商 天岳先进主要从事宽禁带半导体(第三代半导体)碳化硅衬底材料的研发、生产和销售, 产品可应用于微波电子、电力电子等领域。

目前,公司主要产品包括半绝缘型和导电型 碳化硅衬底。

公司已掌握涵盖了设备设计、热场设计、粉料合成、晶体生长、衬底加工 等环节的核心技术,自主研发了不同尺寸半绝缘型及导电型碳化硅衬底制备技术。

截至 2020年末,公司拥有授权专利286项,其中境内发明专利66项,境外发明专利1项。

通过数千次的研发及工程化试验,公司核心技术不断创新,所制产品已达到国内领先、 国际先进水平。

2018-2020年,公司主营业务收入金额及占比持续提高,分别为 8,502.15万元、 18,635.93万元和34,919.17万元,2019年及2020年分别较上年度增长119.19%和 87.38%,主要由于公司半导体级碳化硅衬底销量和收入持续增长。

图137:公司营业收入与同比增长状况 资料来源:wind、天风证券研究所 7.15.凤凰光学:拟收购国盛电子和普兴电子,布局SiC外延材料 凤凰光学宣布将收购两家SiC外延相关企业。

公告称公司拟筹划以发行A股股份的方式, 100%购买南京国盛电子有限公司和河北普兴电子科技股份有限公司股权。

普兴电子是国内最大的硅基外延材料供应商,碳化硅外延材料已具备量产能力。

2018年 普兴电子就搭建了碳化硅外延生产和测试平台,2019年率先在河北省实现6英寸碳化硅 外延片产业化,2020年开发了快速碳化硅外延生长工艺,单台设备产能提高20%以上。

2021年8月,普兴电子正在建设“6英寸碳化硅外延以及8英寸硅外延生产基地”,总建 筑面积约为63915.23 ㎡,投资总额1.8亿元,项目已由河北石家庄鹿泉经开区批准建设。

招标信息显示,普兴的6英寸碳化硅外延片批量生产线年产能为6万片。

国盛电子是中电材料的控股子公司,国内优秀的硅外延、碳化硅外延生产服务供应商, 主营产品包括碳化硅外延片(4英寸至6英寸)。

9月27日,中电材料的“外延材料产业 基地项目”签约落户江宁开发区,而实施单位正是国盛电子。

该项目占地面积约10万平 方米,分两期实施,其中一期将建设成立第三代化合物(SiC等)外延材料基地。

7.16.宏微科技:自主设计研发IGBT芯片,参与制定国家相关标准 自主设计研发IGBT芯片,参与制定国家相关标准。

宏微科技主要从事以IGBT、FRED为 主的功率半导体芯片、单管、模块和电源模组的设计、研发、生产和销售, IGBT、 FRED单管和模块的核心是IGBT芯片和FRED芯片,公司拥有自主研发设计市场主流 IGBT和FRED芯片的能力。

公司积极组织或参与国家IGBT相关标准的制定,以及承担国 家和省部级科技重大项目等。

公司作为主要起草单位之一,制定了已实施的1项国家标 准和10项团体标准,以及已发布即将实施的2项国家标准和尚未发布的5项IGBT相关 行业标准。

2021H1营收与归母净利润快速增长,彰显较强盈利能力。

2021年1-6月,公司实现营 业收入2.34亿元,同比增长65.54%;归属于母公司股东净利润为3,178.76万元,较上年 1.36 2.69 4.25 97.28% 58.18% 0.00% 20.00% 40.00% 60.00% 80.00% 100.00% 120.00% 0.00 1.00 2.00 3.00 4.00 5.00 201820192020 营业总收入(万元)同比(%) 行业报告|行业深度研究 78 同期增加2,116.39万元,增长199.21%;扣除非经常性损益后归属于母公司所有者的净利 润2,265.28万元,较上年同期增加1,405.87万元,增长163.59%。

图138:公司营收和同比增长情况 资料来源:wind、天风证券研究所 8.投资建议 投资建议:看好前瞻布局+高质量研发第三代半导体的优质龙头企业,推荐三安光电/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 三安光电:化合物半导体业务多轮驱动,加速替代海外供应商 闻泰科技:持续高质量研发,新型化合物半导体迎来广阔空间 斯达半导:加码布局SiC功率芯片,加速国产替代提升核心竞争力 华润微:旗下国内首条6英寸商用SiC晶圆生产线线量产 立昂微: GaN芯片产能爬坡,规模化生产正当时 士兰微:IGBT产品营收再创新高,SiC中试线实现通线 纳微半导体:GaN功率芯片设计领军者,推动下一代氮化镓技术发展 华虹半导体:IGBT在12英寸实现规模量产 新洁能:国内IGBT等半导体功率器件市占率排名前列 扬杰科技:瞄准SiC行业发展趋势,加强SiC功率器件等研发力度 赛微电子:掌握业绩领先SiC、GaN外延技术,GaN业务产能爬升迅猛 捷捷微电:与研究所合作研发第三代半导体相关技术 华微电子:积极布局第三代半导体器件技术 时代电气:IGBT技术达国际先进水平,应用于轨道交通和电网 天岳先进:国内领先第三代半导体碳化硅衬底材料制造商 凤凰光学:拟收购国盛电子和普兴电子,布局SiC外延材料 宏微科技:自主设计研发IGBT芯片,参与制定国家相关标准 9.风险提示 2.09 2.622.60 3.32 2.34 8.76% 27.64% -1.06% 27.69% 65.54% -0.50 0.00 0.50 1.00 1.50 2.00 2.50 3.00 3.50 20172018201920202021H1 营业总收入(亿元)同比(%) 行业报告|行业深度研究 79 产业政策变化风险 第三代半导体属于国家重点鼓励、扶持的战略性新兴产业。

为实现我国第三代半导体产业的快速发 展,我国政府近年来出台了一系列产业扶持政策,以推动包括碳化硅晶体与晶片制造在内的第三代 半导体产业链的发展。

若未来国家相关产业政策支持力度减弱,将经营业绩和后续发展产生一定不 利影响。

国际贸易争端加剧风险 近年来,伴随着全球产业格局的深度调整,贸易保护主义风潮不断加剧,以美国为代表的西方发达 国家开始推动中高端制造业回流,对全球半导体产业的发展带来较大不确定性。

如果相关国(地区) 对中国贸易争端进一步加剧,对第三代半导体相关产品限制进出口或提高关税,将对公司的产品销 售、原材料采购和设备采购造成不利影响,从而影响生产经营和业务扩张。

下游行业发展不及预期导致的需求风险 随着全球第三代半导体的快速发展,近年来国内第三代半导体材料和器件需求旺盛。

下游厂商对碳 化硅器件的投资不断加大,也相应持续扩大产能,晶片供给能力不断提升。

未来如下游器件研发或 市场应用不及预期,将影响行业对碳化硅衬底材料的需求,可能面临产品售价下降、库存上升等风 险,将对盈利能力产生不利影响。

行业报告|行业深度研究 80 分析师声明 本报告署名分析师在此声明:我们具有中国证券业协会授予的证券投资咨询执业资格或相当的专业胜任能力,本报告所表述的 所有观点均准确地反映了我们对标的证券和发行人的个人看法。

我们所得报酬的任何部分不曾与,不与,也将不会与本报告中 的具体投资建议或观点有直接或间接联系。

一般声明 除非另有规定,本报告中的所有材料版权均属天风证券股份有限公司(已获中国证监会许可的证券投资咨询业务资格)及其附 属机构(以下统称“天风证券”)。

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本报告是机密的,仅供我们的客户使用,天风证券不因收件人收到本报告而视其为天风证券的客户。

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投资评级声明 类别说明 评级体系 股票投资评级 自报告日后的6个月内,相对同期沪 深300指数的涨跌幅 行业投资评级 自报告日后的6个月内,相对同期沪 深300指数的涨跌幅 买入 预期股价相对收益20%以上 增持 预期股价相对收益10%-20% 持有 预期股价相对收益-10%-10% 卖出 预期股价相对收益-10%以下 强于大市 预期行业指数涨幅5%以上 中性 预期行业指数涨幅-5%-5% 弱于大市 预期行业指数涨幅-5%以下 天风证券研究 北京武汉上海深圳 北京市西城区佟麟阁路36号 邮编:100031 邮箱:research@tfzq.com 湖北武汉市武昌区中南路99 号保利广场A座37楼 邮编:430071 电话:(8627)-87618889 传真:(8627)-87618863 邮箱:research@tfzq.com 上海市浦东新区兰花路333 号333世纪大厦20楼 邮编:201204 电话:(8621)-68815388 传真:(8621)-68812910 邮箱:research@tfzq.com 深圳市福田区益田路5033号 平安金融中心71楼 邮编:518000 电话:(86755)-23915663 传真:(86755)-82571995 邮箱:research@tfzq.com

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