【報告來源：未來智庫】
1. 半導體材料是產業發展的基石
半導體材料是製作半導體器件和集成電路的電子材料，也是整個半導體產 業的基礎，其具備半導體性，導電能力介於導體與絕緣體之間。
1.1.第一代半導體材料
第一代半導體材料主要是指矽(Si)、鍺(Ge)半導體材料，興起於二十 世紀五十年代，帶動了以集成電路為核心的微電子產業的快速發展，被廣泛的 應用於消費電子、通信、光伏、軍事以及航空航天等多個領域。在上世紀 90 年代之前，矽材料佔據了絕對主導地位，目前大多數的半導體器件及集成電路 產品還是使用矽晶圓來製造，矽器件佔到了全球銷售的半導體產品的 95%以上。
而世界上第一隻電晶體是由鍺生產出來的，相對於矽，鍺最外層電子能級 較高，所以具備更好的導電性能，但是相對會產生更多不必要的熱量，此外矽 產品具備更低的價格以及更多的儲量，因此最終矽取代了鍺。
1.2.第二代半導體材料
第二代半導體材料是以砷化鎵(GaAs)、銻化銦(InSb)為主的化合物半 導體，其主要被用於製作高頻、高速以及大功率電子器件，在衛星通訊、移動 通訊以及光通訊等領域有較為廣泛的應用。砷化鎵和磷化銦半導體雷射器成為 光通信系統中的關鍵器件，同時砷化鎵高速器件也開拓了光纖及移動通信的新 產業。
1.3.第三代半導體材料性能優勢明顯
第三代半導體材料包括了以碳化矽(SiC)、氮化鎵(GaN)為代表的寬禁帶化合物半導體。第一二代半導體材料工藝已經逐漸接近物理極限，在微電子 領域的摩爾定律開始逐步失效，而第三代半導體是可以超越摩爾定律的。
相比於第一代及第二代半導體材料，第三代半導體材料在高溫、高耐壓以 及承受大電流等多個方面具備明顯的優勢，因而更適合於製作高溫、高頻、抗 輻射及大功率器件。
在器件的性能對比上，GaN 材料以及 SiC 材料在通態電阻以及擊穿電壓方 面都具備較大的優勢。
第三代半導體材料應用可以分為微電子以及光電子領域，具體可以細分為 電力電子器件、微波射頻、可見光通信、太陽能、半導體照明、紫外光存儲、 雷射顯示以及紫外探測器等領域，有望突破傳統半導體技術的瓶頸，與第一代、 第二代半導體技術互補，對節能減排、產業轉型升級、催生新的經濟增長點將發揮重要作用。
1.4.國家持續推出政策支持第三代半導體產業發展
國家對於第三代半導體產業發展提供了持續不斷的政策方面的支持，2016 年，國務院推出了《國務院關於印發「十三五」國家科技創新規劃的通知》， 其中首次提到要加快第三代半導體晶片技術與器件的研發;2019 年 6 月商務部 及發改委在鼓勵外商投資名單中增加了支持引進 SiC 超細粉體外商企業;2019 年 11 月工信部印發《重點新材料首批次應用示範指導目錄》，其中 GaN 單晶襯 底、功率器件用 GaN 外延片、SiC 外延片，SiC 單晶襯底等第三代半導體產品 進入目錄;2019 年 12 月國務院在《長江三角洲區域—體化發展規劃綱要》中 明確要求加快培育布局第三代半導體產業，推動製造業高質量發展。
除了行業政策推動，在財稅政策方面，第三代半導體同屬於集成電路產業， 同樣享受國家對集成電路企業所得稅優惠政策，先後包括 2019 年 5 月財政部 及稅務總局印發的《關於集成電路設計和軟體產業企業所得稅政策的公告》， 針對依法成立且符合條件的集成電路設計企業和軟體企業，在 2018 年 12 月 31 日前自獲利年度起計算優惠期，第一年至第二年免徵企業所得稅，第三年至第 五年按照 25%的法定稅率減半徵收企業所得稅，並享受至期滿為止;並在 2020 年 7 月再次推出《新時期促進集成電路產業和軟體產業高質量發展的若干政策》， 對於國家鼓勵的集成電路設計、裝備、材料、封裝、測試企業和軟體企業，自 獲利年度起，第一年至第二年免徵企業所得稅，第三年至第五年按照 25%的法 定稅率減半徵收企業所得稅。
除了國家層面的支持政策外，據 CASA 統計顯示，2019 年我國地方各級政 府共計出臺 32 項政策，進一步支持第三代半導體產業的發展，支持的方麵包 括集群培育、科研獎勵、人才培育以及項目招商等，2019 年各地通過政策將實 質性的人、財、物資源注入，推動著各地產業集聚加速。
在十三五期間，科技部通過「國家重點研發技術」支持了超過 30 項第三 代半導體相關的研發項目，通過對基礎前沿技術的研究，對產業發展起到了持 續助推的作用。
2019 年針對第三代半導體的產業投資金額逐年提升，根據 CASA 統計，2019 年投資金額共計 265.8 億元，整體相比 2018 年投資金額上升 54.53%，其中 SiC 項目金額 220.8 億元，佔比 83.07%，GaN 項目金額 45 億元。
1.5.國內外第三代半導體產業鏈日益完善
第三代半導體產業鏈與一般半導體產業鏈模式相類似，一般分為襯底、外 延生長、設計、製造以及封裝這五個流程，同樣也存在 IDM 模式，實現了設計 製造的一體化。
從氮化鎵產業鏈公司來看，國外公司在技術實力以及產能上保持較大的領 先。GaN 龍頭企業以 IDM 模式為主，其中 Qorvo 擁有自身的晶圓代工廠以及封 測廠，在國防以及 5G 射頻晶片領域具備較大優勢，在 2017 年 Qorvo 最早推出39Ghz 雙通道 GaNFET，並在 2018 年推出業內最強 GaN-on-SiC 電晶體;Infineon 則是專注於功率半導體領域，主要產品集中在 6 英寸 GaN 產線上，8 英寸產線 也在準備當中，公司是市場上唯一可以提供氮化鎵等全系列功率產品的公司。 國內廠商包括蘇州能華、華功半導體以及英諾賽科等，其中英諾賽科建成中國首條 8 英寸矽基氮化鎵外延與晶片大規模量產生產線，公司產品在氮化鎵快充領域具備國際領先的技術實力。
GaN 襯底市場主要由日本住友電工、三菱化學也以及新越化學主導，其市場份額佔到 90%以上，可以成熟提供 4 英寸以及 6 英寸 GaN 襯底，國內廠商包 括蘇州納維以及東莞中鎵，目前已經實現 2 英寸氮化鎵襯底產品量產，對於 4 英寸氮化鎵仍處於研發及試生產階段，與國際領先廠商技術還存在一定差距。
市場上主流的 GaN 外延片供應商包括日本 NTTAT，其可以提供用於大功率 集成電路及高頻率通信領域的高品質氮化鎵外延片;比利時公司 EpiGaN 可提 供 4、6 英寸氮化鎵外延晶圓，廣泛用於 5G 通訊、高效電力電子、射頻功率、 傳感器等領域，目前公司已經率先實現了 8 英寸矽基氮化鎵晶圓量產，生產工 藝處於行業先進水平。國內廠商包括晶湛半導體、蘇州能華以及華功半導體等， 其中晶湛已經建成了年產 1 萬片 6 英寸氮化鎵外延片生產線，在全球擁有超過 150 家著名半導體客戶，技術實力已經向國際領先水平靠近。
從事 GaN 晶片設計廠商包括 EPC、GaN Sys 以及 Navitas 等公司，其主要 是面向功率器件設計，安譜隆以及 RFHIC 主要面向射頻相關領域，其中安譜隆 在 2018 年被中國資本以 18 億歐元收購，極大提升了我國在 GaN 器件設計領域 的實力。
為設計公司提供晶圓代工的廠商包括穩懋、TSMC、富士通、世界先進、Cree 等，國內海威華芯、三安集成等新興代工廠也具備 GaN 晶圓代工能力。
SiC 產業鏈同樣以 IDM 模式為主，主要的市場份額被 Infineon、Cree、羅姆以及意法半導體佔據。Cree 子公司 Wolfspeed 覆蓋了 SiC 全產業鏈生產能力， 在市場上佔據了主導地位，在 SiC 器件領域市場份額達到了 62%;Infineon 在 SiC 領域的功率器件同樣也具備較多的技術積累，於 1992 年開始 SiC 領域研發，2001 年推出全球首個商業化 SiC 二極體，2006 年推出全球首個採用 SiC 組件 的商用電源模塊，目前已經發展至第五代。與國際巨頭相比，國內 IDM 廠商泰 科天潤、瑞能半導體以及華潤微還有較大差距。
SiC 襯底龍頭為美國 Cree，佔據了市場約 40%的份額，此外還包括道康寧、 II-VI 以及 Rohm 等公司，市場份額超過 90%。國內廠商包括山東天嶽、天科合 達以及河北同光等，其中天科合達具備數十年的銷售經歷，在 2019 年銷售金 額已經達到了 1.55 億元，淨利潤為三千萬，業績持續上升;其次是山東天嶽， 其在 2020 年也得到了華為的入股支持，未來有較大的增長空間。
在外延片環節，主要份額被 Cree、道康寧、Rohm 等佔據，國內瀚天天成 也具備 3 英寸、4 英寸及 6 英寸碳化矽外延片的生產能力，是國內排名第一的 碳化矽外延片生產商，全球客戶超過 100 家。
由於採用 IDM 模式具備較好的成本優勢，SiC 晶片設計企業數量較少，國外主要包括 USCi、Bruckewell 等，國內主要是瞻芯電子、蘇州鍇威特以及基 本半導體。代工廠商國內包括三安集成，其他地區包括 SUNY Poly、離子束、 X-fab 等公司。
2. 全球第三代半導體市場蓬勃發展
2.1.SiC 及 GaN 在應用領域上優勢互補
GaN 和 SiC 在材料性能上各有優劣，因此在應用領域上各有側重和互補。 SiC 與 GaN 相比，針對 SiC 材料的研究時間更長，相對技術成熟度更高，其在 導熱率上具備更多的優勢，因此在高功率應用，比如高鐵、輸變電、新能源汽 車以及工業控制等領域佔據主要地位;GaN 材料的優勢在於擁有更高的電子遷 移率，因此會比 SiC 和 Si 有更高的開關速度，在高頻率領域具備優勢，例如 微波射頻以及數據中心等應用場景。
2.2.GaN 在射頻及快充領域表現亮眼
根據 Yole 統計數據，2018 年 GaN 整體市場規模為 6.45 億美元，其中無線 通訊應用規模為 3.04 億美元，軍事應用規模為 2.7 億美元，未來在電信基礎 設施以及國防兩大應用的推動下，預計到 2024 年，GaN 市場規模將增長至 20.01 億美元，年複合增長率為 21%，其中無線通訊應用規模將達到 7.52 億美元，同 比增長 147.43%，射頻相關應用規模從 200 萬美元大幅增長至 1.04 億元，增長 近 50 倍。
通訊基站作為 GaN 增長推動重要的下遊之一，根據 Qorvo 測算，全球 4G 及 5G 基站潛在市場在 2022 年預計將達到 16 億美元。
5G 射頻系統由於要使用到高頻載波聚合以及高頻帶等多種新技術，整體系 統複雜度大幅提高，因此使用 GaN 等新技術將大幅縮減系統功耗，下圖中左側 為鍺化矽基 MIMO 天線，其由 1024 個元件構成，裸片面積為 4096 平方毫米，輻射功率為 65dBm，如果採用 GaN 材料來製作，整體元件數量將減少至 192 個， 裸片面積僅為 250 平方毫米，仍能保持輻射功率不變，雖然價格有一定程度的 提高，但是功耗降低了 40%，成本可以降低 80%。
市場上 GaN 器件製造工藝分為 GaN-on-SiC、GaN-on-Si 以及 GaN-on-Diamond，其中前兩種較為主流。由於 GaN-on-SiC 在效率、散熱性以 及尺寸等方面具備優勢，因此佔據了市場上較多的市場份額。根據 Yole 預測， 未來隨著 GaN-on-Si 的技術成熟，並在智慧型手機中大規模應用，有望帶動 GaN-on-Si 市場規模的大幅提升，並在 2030 年左右超過 GaN-on-SiC。
快速充電領域也將是 GaN 未來重要的增長點。充電器經歷了小型化以及高 功率發展趨勢，從早期的重達 300g-700g 的充電器，到目前已經減輕至 100g 以內，充電功率也提高至 100w 以上，整體體積出現了非常明顯的減小。GaN 快 充在現有的快充技術的基礎上，通過將核心器件更換至 GaN，使得手機快速充 電器可以做到大功率、小體積。
快充功率近年來呈現持續上升的態勢，目前最高的充電功率已經超過了 100W，並隨著充電功率的提升，對 GaN 器件的偏好也將逐步提升，在 100W 以 上的充電功率，GaN 材料將佔據絕對的領先地位。在快充領域國內廠商小米、 OPPO 以及 VIVO 走在了行業前端，未來隨著技術的逐步成熟，其他手機廠商也 將快速跟進，根據 yole 對相關數據的預測，在正常情況下，到 2024 年整體快 充市場規模將達到 3.5 億美元，在樂觀假設下，整體市場規模將超過 7.5 億美 元。
2020 年 2 月 13 日，小米發布了 65W 氮化鎵充電器，據小米執行長雷 軍介紹，該款充電器具有小巧、高效、發熱低等特點，對一塊 4500mAH 的超大 電池從 0%充電至 100%僅需 45 分鐘，小米就此也成為了第一家將氮化鎵 USB PD快充單獨零售的品牌手機企業，並且 149 元的零售價更是創下行業新低，引發 業內人士高度關注。小米 GaN 充電器 Type-C 65W 內置智能識別晶片，可以兼 容市面上主流智慧型手機、Type-C 接口的筆記本電腦及其它電子設備。
目前 GaN 快充電源主要採用的是 650V 氮化鎵功率晶片(GaNFET)代替傳 統 MOSFET 作為功率開關，由於製造工藝上具有較大的難度，現階段全球具備 成熟 GaN 充電器的廠商十分有限，主要包括美國 PI、納微半導體以及中國的英 諾賽科。
根據充電頭網統計，目前市場上已經出現了數十款各品牌的 GaN 快充充電 器，包括 Anker、Baseus、MI、OPPO 等知名品牌，價格基本上在 200 元左右， 未來隨著氮化鎵快充開始滲透手機和筆記本等電子設備的配件市場，市場容量 有望迅速擴大。
2.3.SiC 重點應用於電動汽車領域
根據 Yole 相關報告，SiC 器件市場規模在 2018 年為 4.3 億美元左右，到 2019 年增長至 5.64 億美元，未來仍將保持穩步增長，預計在 2025 年整體市場 規模將達到 32 億美元左右，年均複合增長率保持在 30%以上。
從 SiC 下遊應用佔比來看，目前電動汽車領域佔據了主要市場，未來隨著 SiC 車用逆變器的大規模採用，汽車市場佔比還將持續上升，成為 SiC 市場增 長的主要推動力。SiC 用在車用逆變器上，能夠大幅度降低逆變器尺寸和重量， 做到輕量化與節能。在相同功率等級下，全 SiC 模塊的封裝尺寸顯著小於矽模 塊，同時也可以使開關損耗降低 75%(晶片溫度為 150°C)。在相同封裝下， 全 SiC 模塊具備更高的電流輸出能力，支持逆變器達到更高功率。
單獨看車用 SiC 市場，2018 年至 2019 年電動汽車市場對碳化矽逆變器的 態度出現了極大的轉變，特斯拉在行業內率先使用 SiC 技術，Model 3 採用了 意法半導體和英飛凌的 SiC 逆變器，是第一家在主逆變器中集成全 SiC 功率模 塊的車企，其他廠商也開始考慮碳化矽產品的使用問題，繼特斯拉之後，比亞 迪也在 2019 年小批量的使用了碳化矽逆變器，其中比亞迪漢 EV，是國內首款 應用自主研發 SiC 模塊的電動汽車，這不僅是自主應用第三代半導體材料的開 始，更是 SiC 進入中高端量產車的開端。
據 Cree 測算，SiC 逆變器能夠提升 5-10%的續航，節省 400-800 美元的電 池成本，與新增 200 美元的 SiC 器件成本抵消後，能夠實現至少 200 美元的單 車成本下降。據羅姆測算，預計到 2026 年幾乎所有搭載 800V 動力電池的車型 都將採用 SiC 方案。
此外，車載 OBC 和 DC/DC，已經開始採用 SiC 器件，將 PFC 電路中二極體 切換為了 SiC SBD，或者將 OBC 的 DC/DC 電路 MOSFET 管改為 SiC MOSFET。全 SiC 方案也有望從 2021 年開始量產。
在 2018 年，車用 SiC 市場規模為 4.2 億美元左右，佔到整體市場份額的 27%，預計到 2024 年，車用 SiC 模塊市場規模將增長至 19.3 億美元，佔到 SiC 市場份額的一半左右，年均複合增長率高達 29%。
整體來看，雖然第三代半導體發展速度很快，但是目前依舊處於早期的產 品導入階段，根據中國電子技術標準化研究院以及 yole 數據顯示，2019 年， 第三代半導體 SiC 以及 GaN 的滲透率合計約為 1.77%，預計到 2023 年可以提升 至 4.75%左右。
2.4.我國第三代半導體市場趨勢向上
從國內市場來看，第三代半導體主要應用領域為消費電子、工業以及新能 源汽車領域，佔比分別為 28%、26%以及 11%，消費電子領域中快充為產品打開 了新的應用空間;工業領域中，新一代半導體器件可以顯著降低開關損耗並提 高開關頻率，極大提高能量轉換效率，達到節能減排的目的;在新能源汽車領 域，特斯拉率先在汽車逆變器模組上採用了 SiC 材料，指明了未來產業的發展 方向，各大整車廠也開始跟進，推動力第三代半導體器件在汽車領域的發展。
根據 CASA 統計，2016 年至 2019 年我國第三代半導體產業值呈現持續提高 的態勢。2019 年，我國 SiC 和 GaN 下遊產業包括電力電子以及微波產值共計達 到了 64 億元，同比增長了 53.07%，近三年的複合增長率高達 260%。
在電力電子領域，隨著產業技術的成熟，SiC 及 GaN 器件相較於 Si 器件的 性能優勢愈發明顯，第三代功率器件的滲透率逐步提升，應用領域越發廣泛， 除了傳統的光伏逆變以及新能源汽車領域，消費電子以及數據中心等商業電源 市場也成為新的增長點。根據 CASA 預測，到 2024 年我國第三代半導體電力電 子器件市場規模將達到 200 億元左右，年均複合增速超過 40%。
3. 重點關注公司
3.1.華潤微
公司是國內領先的功率半導體製造廠商，具備從晶片設計、製造及封測的 全產業鏈能力，公司瞄準第三代半導體產業機遇，積極布局，目前已經建立了 全國首條 6 英寸 SiC 商用生產線，規劃產能 1000 片/月，主要應用領域包括太 陽能逆變器、通訊電源、伺服器及儲能設備等。
今年公司於慕尼黑上海電子展上召開了 SiC 新品發布會，向市場正式發布 了 1200V 及 650V 工業級的肖特基二極體產品，同時也宣布公司 6 英寸 SiC 產 線正式量產，可以充分滿足市場需求，未來公司將視市場情況，利用現有設備 擴充產能。
除了自建晶圓產線外，公司還積極拓展碳化矽產業鏈，公司和廈門瀚天天 成達成了增資擴股協議後，持有了瀚天天成 3.2418%的股權。瀚天天成成立於 2011 年，是一家集研發、生產和銷售碳化矽外延晶圓為一體的高新技術企業， 公司通過引進全球最新的碳化矽生產線及高端檢測設備，可以提供產業化 3 英 寸、4 英寸及 6 英寸碳化矽外延片，是國第一的碳化矽外延片生產商，全球客 戶超過 100 家。
公司產品包括肖特基二極體，MOSFET，JEFT，BJT，IGBT，晶閘管，GTO 等， 適用於太陽能風能逆變器、電動汽車以及其他新能源領域，可以滿足 600V 至 6500V 碳化矽電力電子器件的電壓範圍的要求。
3.2.三安光電
公司瞄準了化合物半導體的巨大潛力，設立了三安集成電路有限公司，並 將其定位為化合物半導體研發製造和服務公司，並於 2014 年開始建設 6 萬片/ 年的 GaN 外延片的生產線，在 2017 年宣布公司 HBT 工藝通過了重點客戶產品 認證，2018 年 12 月推出國內第一家 6 英寸 SiC 晶圓代工製程，且全部工藝鑑 定試驗已經完成。
公司可以提供製程 0.5μm 的 GaN 晶圓代工業務，最高電壓可以達到 650V， 目標服務於消費電子和工業應用，如適配器，伺服器 smp，無線電源，車載充 電器等領域;未來還將提供 200V 及 100V 適用於與 POE 直流轉換、HD 音頻、LED前照燈以及電機變頻器等領域的晶圓代工服務。
在 SiC 代工技術方面，目前可以提供 650/1200V SiC JBS 器件代工服務， 主要應用領域包括 DC/AC 逆變器、功率因數校正電路、開關電源等領域;未來 還將推出 SiC MOSFET 代工服務，可以應用於新能源以及電動汽車領域。
主要的代工產品包括碳化矽肖特基二極體，氮化鎵場效應電晶體等。
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（報告觀點屬於原作者，僅供參考。作者：東方財富證券，危鵬華）
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