第三代半导体行业系列报告之一：第三代半导体大势所趋，国内厂商全产业链布局

证券研究报告 作者：刘凯 执业证书编号：S0930517100002 2020年09月08日 第三代半导体大势所趋，国内厂商全产业链布局 ——第三代半导体系列报告之一 请务必参阅正文之后的重要声明 第三代半导体大势所趋，碳化硅更适合作为衬底材料：第三代半导体材料主要分为碳化硅SiC和氮化镓GaN，相比于第一、二代半导体，其具有更高的禁带宽度、高击穿电压、电导率和热导率，在高温、高压、高功率和高频领域将替代前两代半导体材料。氮化镓因缺乏大尺寸单晶，第三代半导体材料的主要形式为碳化硅基碳化硅外延器件、碳化硅基氮化镓外延器件，碳化硅应用更为广泛。 新能源汽车为碳化硅材料带来巨大增量，国际大厂纷纷布局。新能源汽车为碳化硅的最重要下游领域，主要应用包括主驱逆变器、DC/DC转换器、充电系统中的车载充电机和充电桩等，根据Yole数据，碳化硅功率器件市场规模将从2018年的4亿美金增加到2024年的50亿美金，复合增速约51%。碳化硅衬底材料市场规模将从2018年的1.21亿美金增长到2024年的11亿美金，复合增速达44%。目前CREE等国际大厂和国内企业纷纷大力布局碳化硅。 国内厂商在第三代半导体进行全产业链布局，自主可控能力较强。国内厂商布局第三代半导体的设备、衬底、外延和器件全产业链环节，包括难度最大的衬底长晶环节，自动化程度较高的外延环节和应用于下游市场的器件环节，第三代半导体全产业链布局，可完全自主可控。 投资建议。建议关注：设备厂商：露笑科技、三安光电、晶盛机电；衬底厂商：露笑科技、三安光电、天科合达、山东天岳等；外延厂商：瀚天天成和东莞天域等；器件厂商：三安光电、华润微、斯达半导、扬杰科技等 风险分析：碳化硅良率提升不及预期；疫情缓和不及预期； 核心观点 2 上海合晟mRtPtRwOvNbRbP6MmOqQmOrRjMnNwPfQoOyQ9PoPsMNZsPxPxNqQzQ1、第三代半导体大势所趋 2、第三代半导体产业链厂商总结 4、风险分析 3、建议关注 请务必参阅正文之后的重要声明 第三代半导体大势所趋  性能优良，广泛应用于新能源汽车、射频、工控等领域  市场增速快，国际大厂纷纷布局 4 请务必参阅正文之后的重要声明 三代半导体特性对比 资料来源：光大证券研究所  相对于第一代（硅基）半导体，第三代半导体（碳化硅等）禁带宽度大，电导率高、热导率高。硅基因为结构简单，自然界储备量大，制备相对容易，被广泛应用半导体的各个领域，其中以处理信息的集成电路最为主要。在高压、高功率、高频的分立器件领域，硅因其窄带隙，较低热导率和较低击穿电压限制了其在该领域的应用，因而发展出宽禁带、耐高压、高热导率、高频的第二/三代半导体。 什么是第三代半导体？ 5 -硅Si -锗Ge 第一代半导体 -砷化镓GaAs -磷化铟InP 第二代半导体 -碳化硅SiC -氮化镓GaN 第三代半导体 主要应用： 集成电路、部分功率分立器件（中低压，中低频等，硅基IGBT可应用在高压领域） 制备工艺成熟、成本低廉、自然界储备量大，应用广泛 主要应用： 微电子和光电子领域、微波功率器件、低噪声器件、发光二级管、激光器、光探测器等 生长工艺较成熟、较好的电子迁移率，带隙等材料特性 资源稀缺，有毒性，污染环境 主要应用： 新能源汽车、5G宏基站、光伏、风电、高铁等领域（高温、高压、高频率、高电导率） 高电导率、高热导率、耐高温、耐高压，目前生长困难、成本较高，良率提升后可大量使用 请务必参阅正文之后的重要声明 第三代半导体禁带宽度大于硅和砷化镓的禁带宽度 资料来源：CREE官网  三代半导体材料之间的主要区别是禁带宽度。现代物理学描述材料导电特性的主流理论是能带理论，能带理论认为晶体中电子的能级可划分为导带和价带，价带被电子填满且导带上无电子时，晶体不导电。当晶体受到外界能量激发（如高压），电子被激发到导带，晶体导电，此时晶体被击穿，器件失效，禁带宽度代表了器件的耐高压能力。第三代半导体的禁带宽度是第一代和第二代半导体禁带宽度的近3倍，具有更强的耐高压、高功率能力。 什么是第三代半导体？ 6 请务必参阅正文之后的重要声明 第三代半导体材料能量密度高于硅和砷化镓能量密度 资料来源：CREE官网  第三代半导体材料能量密度更高。以氮化镓为例，其形成的HEMT器件结构中，其能量密度约为5-8W/mm，远高于硅基MOS器件和砷化镓射频器件的0.5-1W/mm的能量密度，器件可承受更高的功率和电压，在承受相同的功率和电压时，器件体积可变得更小。 什么是第三代半导体？ 7 请务必参阅正文之后的重要声明 三代半导体材料性能对比 资料来源：天科合达招股书、光大证券研究所  半导体芯片结构分为衬底、外延和器件结构。衬底通常起支撑作用，外延为器件所需的特定薄膜，器件结构即利用光刻刻蚀等工序加工出具有一定电路图形的拓扑结构。  碳化硅热导率高于氮化镓。第三代半导体的应用场景通常为高温、高压、高功率场景，器件需要具有较好的耐高温和散热能力，以保证器件的工作寿命。碳化硅的热导率是氮化镓热导率的约3倍，具有更强的导热能力，器件寿命更长，可靠性更高，系统所需的散热系统更小。  氮化镓单晶生长困难。氮化镓因为生长速率慢，反应副产物多，生产工艺复杂，大尺寸单晶生长困难，目前氮化镓单晶生长尺寸在2英寸和4英寸，相比碳化硅难度更高。因此第三代半导体目前普遍采用碳化硅作为衬底材料，在高压和高可靠性领域选择碳化硅外延，在高频领域选择氮化镓外延。 碳化硅更适合作为衬底材料 8 项目 Si GaAs 4H-SiC GaN 禁带宽度（eV） 1.12 1.43 3.2 3.4 饱和电子漂移速率（cm/s） 1.0×107 1.0×107 2.0×107 2.5×107 热导率（W•cm-1•K-1） 1.5 0.54 4 1.3 击穿电场强度（MV/cm） 0.3 0.4 3.5 3.3 请务必参阅正文之后的重要声明 碳化硅MOSFET器件体积更小 资料来源：CREE官网  碳化硅衬底器件体积更小。由于碳化硅具有较高的禁带宽度，碳化硅功率器件可承受较高的电压和功率，其器件体积可变得更小，约为硅基器件的1/10。  碳化硅器件电阻更小。同样由于碳化硅较高的禁带宽度，碳化硅器件可进行重掺杂，碳化硅器件的电阻将变得更低，约为硅基器件的1/100。 碳化硅衬底器件体积小 9 请务必参阅正文之后的重要声明 碳化硅器件能量损失更小 资料来源：CREE官网  碳化硅衬底材料能量损失更小。在相同的电压和转换频率下，400V电压时，碳化硅MOSFET逆变器的能量损失约为硅基IGBT能量损失的29%-60%之间；800V时，碳化硅MOSFET逆变器的能量损失约为硅基IGBT能量损失的30%-50%之间。碳化硅器件的能量损失更小。 碳化硅衬底材料能量损失小 10 请务必参阅正文之后的重要声明 碳化硅MOSFET电动车续航里程更长 资料来源：CREE官网  相较于硅基IGBT，碳化硅MOSFET电动车的续航里程更长。对于EPA 城市路况，碳化硅MOSFET相较于硅基IGBT，将节省77%的能量损耗；对于EPA 高速路况，碳化硅MOSFET相较于硅基I