十问十答:什么是第三代半导体?

来源: 国信证券
第三代半导体是5G时代的主要材料,在中国有其应用市场,且设备要求相对较低,投资额小,在资本的推动下可以全国遍地开花,未来很大可能会诞生几家国内的第三代半导体公司。

一、什么是第三代半导体?

第三代是指半导体材料的变化,从第一代、第二代过渡到第三代。

第一代半导体材料是以硅(Si)和锗(Ge)为代表,目前大部分半导体是基于硅基的。

第二代半导体材料是以砷化镓(GaAs)、磷化镓(GaP)为代表,是4G时代的大部分通信设备的材料。

第三代半导体材料以氮化镓(GaN)、碳化硅(SiC)、氧化锌(ZnO)、金刚石为四大代表,是5G时代的主要材料。

二、第三代半导体的性能优势?

禁带宽度大、击穿电场强度高、包和电子迁移率高、热导电率大、介电常数小、抗辐射能力强。

通俗的讲,第三代半导体性能优势:耐高压、耐高温、大功率、抗辐射、导电性能强、工作速度快、工作损耗低。

 三、第三代半导体主要用途?

从材料分类看,第三代半导体材料主要有四类,主要用途如下:

1. 一是III 族氮化物,典型代表GaN,在军事领域GaN基微波功率器用于雷达、电子对抗、导弹和无线通信通;在民用商业领域用于基站、卫星通信、有线电视、手机充电器等小家电。

2. 二是SiC,民用领域电动汽车、消费电子、新能源、轨道交通等领域的直流、交流输变电、温度检测控制等。例如三菱电机在逆变器用用碳化硅开发出世界最小马达。2015年丰田汽车用碳化硅MOSFET的凯美瑞试验车,逆变器开关损耗降低30%。军用领域用于喷气发动机、坦克发动机、舰艇发动机、风洞、航天器外壳的温度、压力测试等。

3.三是宽禁带氧化物,典型代表氧化锌ZnO,用于压力传感器、记忆存储器、柔性电子器件,目前技术和应用不成熟,主要产品有发光二极管、激光、纳米发电机、纳米线晶体管、紫外探测器等。

4. 四是金刚石,用于光电子、生物医学、航空航天、核能等领域的大功率红外激光器探测器,技术和应用还在开发中。

从应用领域看,第三代半导体主要有三个应用方向:光电子、电力电子、微波射频。

1.光电子——激光显示、环境监测、紫外光源、半导体照明、可见光通信、医疗健康。

2.电力电子——工业机电、新能源并网、轨道交通、电动汽车、智能电网、消费电子。

3.微波射频——遥感、雷达、卫星通讯、移动基站。

四、第三代半导体市场规模?

根据Omdia的《 2020年SiC和GaN功率半导体报告》,到2020年底,全球SiC和GaN功率半导体的销售收入预计8.54亿美元。未来十年的年均两位数增长率,到2029年将超过50亿美元

根据Yole数据,到2024年SiC功率半导体市场规模将增长至20亿美元,其中,汽车市场占SiC功率半导体市场比重到2024年预计将达50%。

五、第三代半导体投资额度?

因为第三代半导体工艺产线对工艺尺寸要求不高,从而对设备要求低,所以第三代半导体工厂的投资额度大约只有第一代硅基半导体的五分之一。

例如在江西九江2019年3月签约落地的泰科天润6寸、年产能6万片/年的碳化硅电力电子器件生产线总投资额只有10亿元

2019年12月在浙江宁波落地的华大半导体宽禁带项目,总投资10.5亿元,计划年产能8万片4~6英寸碳化硅沉底及外延片、碳化硅基氮化镓外延片。

六、为什么说第三代半导体是中国大陆半导体的希望?

第一,第三代半导体相比较第一代第二代半导体处于发展初期,国内和国际巨头基本处于同一起跑线。

第二,中国有第三代半导体的应用市场,我们可以根据市场定义产品,而不是像以前跟着国际巨头做国产化替代。

第三,第三代半导体难点不在设备、不在逻辑电路设计,而在于工艺,工艺开发具有偶然性,相比较逻辑芯片难度降低。

第四,对设备要求相对较低,投资额小,国内可以有很多玩家。在资本的推动下,可以全国遍地开花,最终走出来几家第三代半导体公司的概率很大。

七、碳化硅产业的全球竞争格局?

1.美国保持全球独大,拥有科锐、道康宁、II-VI、Dow Corning、Transphorm等世界顶尖企业,占有全球碳化硅70~80%产量。

2. 欧洲拥有完整的碳化硅沉底、外延、器件、应用产业链,独有高端光刻机制造技术、拥有英飞凌、意法半导体、Siltronic、IQE等优势制造商。

3. 韩国重点研发和生产高纯度SiC粉末、高质量SiC外延材料以及硅基SiC和GaN功率器件。

4. 日本技术力量雄厚,产业链完整,是设备和模块开发的领先者,拥有松下、罗姆半导体、住友电气、三菱化工、瑞萨、富士电机等知名厂商。

5. 中国发展较快,已经进入广泛产业化和收益阶段,逐渐具备与国际巨头齐头并进和换道超车的基础条件。主要企业有: 中电科、天科合达、泰科天润、山东天岳、东莞天域、深圳基本半导体、上海瞻芯电子、三安集成等。

八、碳化硅的国内区域发展情况

1.长三角地区占63%份额,主要以GaN材料为主,侧重电力电子和微波射频领域。

2. 京津冀地区占6%,研发实力全国最强,并且具有较强的SiC研究基础和产业链基础。

3. 闽三角地区占5%,拥有以三安光电为代表的第三代半导体龙头企业,有效代工上游材料企业发展。

4. 珠三角地区占2%,在半导体照明领域全国领先,是我国第三代半导体产业的南方基地,拥有“宽禁带半导体材料、功率器件及应用技术创新中心”。

5. 中西部地区占14%,科研实力、军工应用产业链较全,已经涌现出一些第三代半导体企业。

九、第三代半导体相关上市公司?

a) 华润微电子:

1.氮化镓——在研项目“硅基氮化镓功率器件设计及工艺技术研发”,预计总投入2.43亿元,已经投入1082万元。目标是完成650V硅基氮化镓器件的研发,建立相应的材料生产、产品设计、晶圆制造和封装测试能力,产品应用于智能手机充电器、电动汽车充电器、电脑适配器等领域。

2.碳化硅——拥有国内首条6英寸商用SiC晶圆生产线正式量产,2020年7月4日,上海慕尼黑电子展期间,华润微电子功率器件事业群正式向市场投入1200V和650V工业级SiC肖特基二极管系列产品,产品可广泛应用于太阳能、UPS、充电桩、储能和车载电源等领域。另外,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。

b)三安光电:

1.氮化镓业务:由全资子公司三安集成运营,2020H1收入3.75亿元,同比增长680.48%。砷化镓射频出货客户累计将近100家、氮化镓射频产品重要客户产能正逐步爬坡。

2.碳化硅业务:公司在长沙设立子公司湖南三安从事碳化硅等化合物第三代半导体的研发及产业化项目,项目正处于建设阶段。

c) 士兰微:

1.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(2020半年报)。

2.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SiC功率器件产线的建设。(2019年年报)。

3.参股61.18%杭州士兰明芯片科技公司,2020上半年收入1.14亿元,净利润亏损3809万元,主业经营范围为设计、制造:发光半导体器件、化合物半导体器件以及半导体照明设备;销售自产产品;货物进出口。

d) 扬杰科技:

1.面向未来功率器件的中高端领域,储备硅基氮化镓技术和人才。完成了高压碳化硅产品的开发设计(2019年年报)。

2.公司产品包含碳化硅SBD、碳化硅JBS等(2020上半年报)。

 十、怎么去选择投资标的?

首先,从事第三代化合物半导体最好的商业模式是IDM模式,推荐关注士兰微、扬杰科技。

其次,从工艺看,最受益的是半导体代工厂,推荐关注华润微电子。

最后,由于第三代半导体处于发展初期,很多优秀公司暂未上市。相关上市公司大多数处于研发阶段,或者产品处于推广初期,对上市公司收入贡献很小。目前二级市场适合从概念股的角度选择投资标的。

风险提示

第三代半导体产业发展不及预期,相关上市公司概念炒作。

本文作者:何立中,来源:国信证券,原文标题《【国信半导体】第三代半导体“十问十答”(专题24)》

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