第三代半导体时代来临，一文看懂半导体战略红利

原标题：第三代半导体时代来临，一文看懂半导体战略红利

近年，「第三代半导体」在多个领域崭露头角，以SiC（碳化硅）、GaN（氮化镓）为主的第三代化合物半导体已然成为产业端、投资界及各地政府的宠儿，这得益于其自身优秀的物理特性及产业端的快速拉动。

华映资本作为中国最早专注于TMT、数字内容的私募股权基金之一，长期关注硬科技及企业服务领域的投资机会，看好第三代半导体产业链核心环节、代表性企业的发展前景。

本期华映洞察，将围绕第三代半导体材料的优异特性、市场前景、应用领域、行业现状，一起揭开「第三代半导体」的神秘面纱，共探投资机遇。

投资机遇

多个下游产业集中爆发，40-50%的应用市场将在中国，下游的爆发导致上游晶圆供不应求；性能及成本即将达到产业化甜蜜点，产品进入高速导入期；

不同于传统硅基IC的晶圆及芯片制造，第三代半导体材料及器件生产投资周期短，投资金额小，对高端设备依赖相对较弱，固定资产投资不大，更依赖于工艺和人，适合VC投资；

国内起步较晚，国家“十四五”政策大力支持，自主可控需求明确；国产替代空间巨大，尚未形成行业寡头。

看好的方向

6-8寸衬底、外延附加值高，占器件成本75%以上，工艺难度大，掌握核心技术的人才稀缺；

存在巨大的市场机会，国内企业处于同一起跑线，寡头格局并未形成。

看好的项目基因

倾向于有多年的第三代半导体从业经验的团队，具备国际化能力（20年+)；

上游材料或器件2年可以投产、产能过万片；

6-8寸衬底/外延量产经验或核心技术、扩径技术、一定的设备研发能力；

产品（样品）性能优异（良率、缺陷密度等），生产工艺水平处于国际前列。

关心的核心指标

生产成本及良率：涉及衬底/外延生长时间、生长温度、生长速度、每炉耗电量、每炉切片数量、硬度等；

参数指标：缺陷密度、TTV（总厚度偏差），BOW（弯曲度），WRAP（翘曲度），表面粗糙度，微管密度、电阻率，空洞及裂纹；

重点关注客户样品测试报告、产品一致性、客户评价、订单情况、客户数量和质量，送样/产品进展。

1. 第三代半导体材料物理特性优势突出

半导体指常温下导电与性能介于导体与绝缘体之间的材料。从应用普及的进程来划分，可分为第一代半导体材料、第二代半导体材料、第三代半导体材料等。第一代半导体材料包括Si（硅）、Ge（锗）等，Si以优异性能、低廉价格及成熟的工艺，在大规模集成电路领域地位不可撼动；第二代半导体材料包括GaAs（砷化镓）、InP（磷化铟）等，GaAs主要运用于大功率发光电子器件和射频器件；第三代导体材料包括SiC、GaN等，GaN主要运用于光电器件和微波射频器件，SiC主要运用于功率器件。

网络公开数据，华映资本整理

三代半导体作为宽禁带半导体材料，具备诸多优异的物理特性。以SiC为例，相比传统的Si半导体材料，SiC拥有3倍的禁带宽度、3倍的热导率、近10倍的击穿场强、以及2倍的电子饱和漂移速率。其器件体积小、超高切换频率、超高电压工作、高温下器件稳定性高是制造高压、高温、抗辐照功率半导体器件的优良半导体材料，也是目前综合性能最好、产业化程度最高、技术最成熟的第三代半导体材料。

行业公开数据，华映资本整理

击穿电场高→耐高压、导通电阻低→小型化、可靠性强。理论上，相同耐压的器件，SiC的单位面积的漂移层阻抗可以降低到Si的1/300。

高电子饱和漂移速度→高频开关损耗小→提高转换效率。

禁带宽度大、导热系数高→耐高温→可在高温环境下稳定工作，减小散热设备面积。未来车企或将能够把两套水冷系统合二为一甚至直接采用风冷系统，这将大大降低HEV驱动系统的成本，同时空出更多的车身空间以装配更多的电子元器件。

2. 第三代半导体应用前景广阔，拥抱巨大增量市场

新能源汽车领域

在功率等级相同的条件下，采用SiC器件可将电驱、电控等体积小型化，满足功率密度更高、设计更紧凑的需求，同时也能使电动车续航里程更长。

据罗兰贝格估算，预计2025年一台纯电动车中电子系统成本约为7030美元，较2019年的一台燃油车的3145美元大增3885美元。据StrategyAnalytics数据显示，纯电动汽车中功率半导体占汽车半导体总成本比重约为55%，远超传统能源汽车的21%。

特斯拉的Model3车型采用了以24个SiC-MOSFET为功率模块的逆变器，是第一家在主逆变器中集成全SiC功率器件的汽车厂商；目前全球已有超过20家汽车厂商在车载充电系统中使用SiC功率器件；此外，SiC器件应用于新能源汽车充电桩，可以减小充电桩体积，提高充电速度。

行业公开数据，华映资本整理

光伏领域

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SiC-MOSFET或SiC-MOSFET与SiC-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，延长器件使用寿命、降低生产成本。

中国目前是最大的光伏组件生产国，占全球产能72.3%。2026年全球太阳能光伏支架系统市场规模达到160亿美金。

另外，SiC在充电桩、大功率电器、轨道交通领域均有巨大应用前景。2023年，全球SiC功率器件市场规模将达到15亿美金 ，2019-2023年CAGR=21.8% 。

网络公开数据，华映资本整理

GaN方面，在射频和电力电子均有较大发展潜力。

GaN 器件有Si基和SiC基两种。GaN-on-Si主要应用于电力电子领域，用作高功率开关。GaN-on-SiC 主要应用于射频领域，主要得益于SiC的高导热率以及低RFloss，适用于功率较大的宏基站。

据Yole分析，预计2025年GaN射频器件在通信基建上的市场将达7.31亿美元，2019~2025年复合增速达14.88%，2025年整体市场规模达20亿美元，2019~2025年复合增速达12%。以我国5G基站市场为例，2020年我国5G基站达80万个，2023年预计小基站+微基站数量达到1.32亿个。

据拓璞产业研究院分析，预计2023年，我国5G基站建设需求GaN晶圆约45.3万片，对应4寸半绝缘SiC衬底片需求45.3万片，衬底和外延需求量持续增加。此外在快充领域，OPPO和小米等均发布GaN充电头，快充领域有望进入指数级爆发期，2023年市场规模将达到60亿美金。

网络公开数据，华映资本整理

3. 第三代半导体正当进入商业化爆发前夕

需求端

如上文所述，三代半导体材料适合诸多场景的使用，并且在这些场景中，中国几乎都是全球单一的最大市场国。其中，SiC功率器件因其耐高压，耐高温，低能耗，小型化的特点，可以广泛的应用于电动/混动汽车、充电桩/充电站、高铁轨交、光伏逆变器中。

GaN功率器件凭其高频率、低损耗、低成本的特点，可以广泛使用于智能终端快充、数据中心、车规级充电场景中。GaN微波器件因其高频率、高功率、高效率可以广泛地应用于宏基站/小微基站、智能终端、军用雷达、卫星通讯等领域。

供给端

近年来随着工艺的进步及下游市场的拉动，三代半导体已经初步具备产业化的基础，价格亦达到了量产“甜蜜点”。

全球范围内，衬底和外延由4寸向6寸线转移，Cree已有8寸样品出货，未来5年将达到量产标准。三代半导体器件价格近年来持续下降，2023-2024年，SiC模块价格有望达到硅基器件价格的3倍以内，已具备产能快速爆发的必要条件。

网络公开数据，华映资本整理

国家政策明确，重点解决“卡脖子“问题，政府参与扮演投资人角色

近年来，在国家及地方政府层面，多次出台行业扶持政策，重点发展第三代半导体产业，解决半导体行业“卡脖子“问题。在火热的市场环境下，各地政府也积极参与到三代半导体项目的投资建设当中。

因三代半导体投资规模相对较低，产业链上游的材料及生产环节不再集中于一二线城市，而是全国遍地开花。根据《火热的投资环境以及政策保障下，我国SIC产业已完成基本布局》一文的整理数据显示，2018-2020年，我国仅SiC项目政府投资达到32个，计划投资金额超过700亿。

近两年的投资热潮，也使得该领域的企业普遍估值偏高，产生了泡沫，一些项目在未来3-5年很可能难以落地，行业将迎来一次洗牌。

数据来源：网络公开数据，华映资本整理

4. 产业链上游材料工艺难提升工艺扩产正当时

产业链环节中，上游主要是原材料如碳粉，硅粉，化合物半导体粉体及相关辅料，根据其纯度不同价格有一定差异，对于衬底厂商来说，为降低成本大部分采用自研粉体，同时也会有一定的比例对外采购。

设备主要分为材料生产设备及前端工艺加工设备。前段工艺加工设备大部分与传统硅生产线相同，如高温离子注入机、碳膜溅射仪、量产型高温退火炉等。在上游衬底、外延的材料制备上，由于碳化硅具有硬度高、高温环境生长且缓慢等特性，需要一些特殊的生产设备。

衬底生长环节大部分以实现国产化，核心设备为长晶炉，因其工艺的特殊性，部分衬底厂商会自研炉子，也有个别企业同时对外销售。外延设备、切磨抛设备及测试设备目前仍以进口日本、欧洲、美国设备为主。

下图为碳化硅器件从原材料粉体到制备成熟的器件模组的生产流程，最终器件成本方面，因其材料制备工艺难度大、良率低，衬底占器件价格高达50%，外延占比25%左右。面对下游行业需求的爆发，提升工艺及良率，扩大晶圆产能是行业当务之急。近年来，国内代表性衬底企业山东天岳、天科合达，外延厂商翰天天成、东莞天域实现了快速发展，也涌现一批后起之秀，如苏州超芯星、百识电子等。

数据来源：网络公开数据，华映资本整理

5. 海外及中国台湾碳化硅产业链全景

全球格局分析：欧美日起步早、中国发展速度快、美国全球独大，80%碳化硅来自美国

美国：保持全球独大，拥有Cree、II-VI、Dow Corning、Transphorm等世界顶尖企业，占有全球碳化硅70~80%产量；

欧洲：拥有完整的碳化硅衬底、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；

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;

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;

中国：发展较快，近年已经进入产业化和收益阶段，正在快速追赶国际巨头；

上市公司方面，有三安光电，北方华创等企业，大部分为未上市企业，但最近3年发展迅速，其中衬底企业山东天岳、天科合达已在上市申报阶段。

企业成立的时间上，普遍晚于欧美日巨头15-20年以上，在衬底、外延工艺方面处于落后位置。国内主要技术源头：中科院、山东大学、中电科体系、清华、及海外企业归国创业人才等。

产业形态分析：SiC厂商以全产业链的IDM巨头为主、IDM占器件90%以上

化合物半导体芯片性能与材料、结构设计和制造工艺之间的关联性较强，且三代半导体设计难度不如数字电路复杂，因此很多企业采用IDM模式。

例如Rohm和CREE整合了SiC从衬底到模组的全产业链环节；Mitsubishi Electric和Fuji Electric整合了芯片到终端应用系统。

全球大部分器件及应用市场份额被IDM厂商Infineon、CREE、Rohm、意法半导体等少数企业瓜分。

2020年CREE占据衬底市场约52%份额、器件市场约21%份额;CREE和Infineon、Rohm共占器件市场的63%。CREE占据碳化硅基GaN超过24%市场份额。

数据来源：网络公开数据，华映资本整理

海外及台湾地区SiC产业链主要玩家及龙头企业

数据来源：方正证券研报、网络公开数据

数据来源：网络公开数据，华映资本整理，统计数据截至2021年5月

CREE-全球三代半导体全产业链龙头企业

科锐(CREE)成立于1987年，是美国上市公司(1993年，纳斯达克:CREE)，为全球LED外延、芯片、封装、LED照明解决方案、化合物半导体材料、功率器件 和射频于一体的著名制造商和行业领先者。

在氮化镓(GaN)和碳化硅(SiC)等方面独一无二的材料技术与先进的白光技术，拥有1300多项美国专利、2900多项国际专利和389项中国专利；在SiC领域拥有绝对的领导地位，在2018年SiC晶片市场占比超过62%；收购整合wolfspeed后基于 SiC 衬底的 GaN 具有较强技术优势，超20%市场份额全球第一。

罗姆-日本三代半导体领军企业

日本ROHM是碳化硅MOSFET分立器件和模组领域第二大公司，提供650V~1700V范围内各种产品；在商业化碳化硅生产后仅七年时间，ROHM推出了沟槽式碳化硅MOSFET，成为全球第一家量产此类产品的厂商。

II-IV-美国三代半导体衬底+外延代表性企业

II-VI Deutschland公司属于II-VI集团，于1971年在美国宾夕法尼亚州创立，生产红外和 CO2激光光学元件和材料，也是全球较大的激光镜片制造商。

6. 国内(大陆)碳化硅产业链全景

国内行业现状及趋势分析：起步晚，布局快，但面临诸多挑战

器件国产化率极低：我国功率半导体市场国产化程度低，其中IGBT约90%依靠进口。SiC、GaN在电力电子领域渗透率约1.5~1.9%，SiC、GaN电力电子同样 90%以上依赖于进口，主要为 CREE、英飞凌、Rohm，国产的功率器件目前仅在SiC二极管有量产销售突破。

产能严重不足，成本高居不下：全求范围内，面对下游应用多个行业的爆发，产能严重不足，需成倍的扩产。

6-8寸扩径正当时：目前国内衬底主要为2-4英寸，未来3~5年，6英寸碳化硅衬底严重匮乏，4寸线3-5年逐渐淘汰。目前国内批量出国6寸晶圆的企业寥寥无几。以天科合达为例，2019年其6寸年出货1500片不到，4寸出货在3万多片。目前全球可以稳定提供6英寸碳化硅衬底的只有美国的CREE，II-VI和瑞典的Norstel。

6英寸在较长时间成为主流，8寸因器件厂商投入产出比不高且前端工艺产能极为紧张，过度会比较慢，但长期看大尺寸是趋势。

良率低，一致性差，工艺亟待改良：国内衬底企业生产良率尚不及CREE等国际大厂，经济效益有待提升，产品的一致性问题是难以攻克的短板，进入主流供应链需要时间，工艺急需改良。

衬底和外延出货量低，特别是外延出货量更低，据悉近年来年出货量不到万片。大部分依赖进口，主要为英国、韩国、日本、美国等企业。目前国内瀚天天成和天域半导体均可供应4-6英寸外延片，月出货量具体未知，中电科13所、55所亦均有内部供应的外延片生产部门。

芯片设计与制造方面：国内600-3300VSiC-SBD已开始批量应用，有企业研发出 1200V/50ASiC-MOSFET；泰科天润已建成国内第一条SiC器件生产线，SBD产品覆盖 600V-3300V的电压范围；中车时代电气的6英寸SiC生产线也于2018年1月首批芯片试制成功。

技术趋势：大尺寸、低缺陷、低电阻率、高导热率。四代半导体(氧化镓、金刚石等，离产业化较远)。

国内产业发展较晚，目前产业链上下游代表性企业发展速度快，已初具规模

数据来源：方正证券研报、网络公开数据

数据来源：网络公开数据，华映资本整理，统计数据截至2021年5月

天科合达-国内碳化硅衬底代表性企业

天科合达成立于2006年， SiC晶片、SiC晶体、莫桑钻、SiC单晶生长 炉、切磨抛代加工、清洗反抛自主研发设计的SiC单晶生长设备，可用于4到6寸导电及半绝缘型碳化硅单晶的生长制备。

华映资本长期关注科技及企业服务领域投资机会，深入挖掘在细分领域具备平台性价值，或有机会成为行业基础设施的赋能型企业。我们看到第三代半导体行业上游材料工艺的提升及下游应用市场的爆发双轮驱动下，第三代半导体将引领多个行业实现产业升级和变革，有望催生各产业链环节的独角兽企业。我们将持续关注该领域投资机会，以资本带动产业发展，助力加快改善我国半导体关键技术领域卡脖子的现状。

「本文作者」华映资本投资总监朱彤，长期关注新一代信息技术、先进制造、硬科技及企业服务领域的投资机会。

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名词解释

参考资料

硬科技复兴联盟《第三代半导体SiC行业研究报告》

知乎专栏《碳化硅SIC材料研究现状与行业应用》

电子发烧友网《碳化硅（SiC）功率器件发展现状》

电子发烧友网《火热的投资环境以及政策保障下，我国SIC产业已完成基本布局》

电子发烧友网《三种碳化硅的主要制备方法》

方正证券《第三代半导体之SiC研究框架》

方正证券《第三代半导体之GaN研究框架》

天科合达招股说明书、山东天岳招股说明书、海外上市公司年报、老虎证券、方正证券、粤开策略、东兴证券研报、知乎、wind等

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