第三代半導體材料在禁帶寬度、熱導率、介電常數、電子漂移速度方面的特性使其適合製作高頻、高功率、高溫、抗輻射、高密度集成電路;其在禁帶寬度方面的特性使其適合製作發光器件或光探測器等。其中碳化矽材料在功率半導體和器件工藝較為熱門,氮化鎵材料外延生長和光電子比重較大。第三代半導體相關專利申請自2000年以來快速增長,美國早期領銜全球專利增長,近些年我國的申請量快速增長,超越美國。
國家戰略新興產業政策中多次提到以碳化矽、氮化鎵為代表的第三代半導體器件,隨著國內多家企業開始重視該領域,積極布局相關項目,我國的第三代半導體材料及器件有望實現較快發展。
市場空間有多大?
天風證券認為,碳化矽功率器件具有高頻、 高效、 高溫、 高壓等優勢,是下一代功率器件的發展方向。受高效電源、電動汽車等行業的需求驅動,碳化矽功率器件未來市場容量將以超過30%的年複合增長率發展,預計2027年市場容量達到120億美元。
專家認為,碳化矽器件目前在價格上是矽器件的1.5-2倍左右,有望在2023-2025年左右形成競爭格局。未來5-10年,如果氮化鎵在電壓性能和可靠性能上能進一步的提升,那麼在電動汽車動力系統領域會和碳化矽形成一定的競爭。
國泰君安認為,從全產業鏈角度,以5年的維度來看,第三代半導體器件和系統的成本(包括後期運行期間的能耗節省),比矽基器件和系統將會具備性價比優勢,從而快速地推動行業的發展。單從材料本身的成本來講,碳化矽氮化鎵不太可能和矽片形成競爭。
興業證券認為,光伏、半導體成長性明確,先進碳基材料滲透率有望提升。隨著5G和物聯網等應用快速發展,對矽晶圓整體需求快速提升,全球新一輪半導體資本開支啟動,自主可控有望打開關鍵設備、材料端的國產替代空間。光伏和半導體產業矽片大尺寸化趨勢明確,對強度、純度、導熱係數等指標提出了更高的要求,傳統石墨材料安全性、經濟性不足,先進碳基複合材料有望逐步對其替代,滲透率提升,成為光伏、半導體產業晶矽製造熱場系統部件主流材料。
招商證券認為,氮化鎵(GaN)是第三代半導體材料的典型代表,法國研究機構Yole預測,到2023年氮化鎵射頻器件的市場規模將達到13億美元,複合增速為22.9%。隨著第三代半導體材料的崛起,基於新材料的IGBT也將站上歷史舞臺。IGBT主要應用領域之一的新能源汽車也已經打開市場,未來空間巨大。碳化矽基IGBT將加速發展,建議關注第三代半導體材料與IGBT產業鏈。碳化矽(SiC)因其在高溫、高壓、高頻等條件下的優異性能,在交流和直流轉換器等電源轉換裝置中得以大量應用。目前,我國碳化矽(SiC)在高端市場領域,如智能電網、新能源汽車、軍用電子系統等尚處於發展初期。根據IHS預測,到2025年,全球碳化矽功率半導體的市場規模有望達到30億美元。
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