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行业动态
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从新基建与消费电子看第三代半导体材料
发布时间 : 2021-04-01 浏览次数 : 907



一、为什么推荐投资第三代半导体材料


1、功率半导体下游细分领域带动需求爆发式增长,将带动第三代半导体材 料应用

功率半导体在电子行业中应用广泛,且技术相对成熟,目前是以硅片为衬底,带隙宽度较小,市场普遍认为,增长弹性不大,整体规模保持稳定。与之有差异的是,我们认为,未来功率半导体将呈现高性能,高增长,高集中度的发展趋势,从而带动第三代半导体材料应用需求,主要原因有以下几点:1) 下游新兴行业增量显著;2)自给率仍然偏低,替代空间巨大;3)未来集中 产品碎片化将有所改善,高端产品如 IGBT、MOSFET 产品性能和技术壁垒同步提升,下游对高端产品的依赖度会随之增加。功率半导体市场规模较大,高性能驱使下,新型半导体衬底材料渗透率有望进一步提升。

2、贸易摩擦加剧与摩尔定律见顶双重背景下,底层材料提供了弯道超车的 可能性

美方对华为制裁规模未有缩小趋势,同时加剧了多方面的技术围剿,底层材料的重要性不容忽视。美方将计划限制华为使用美国技术和软件在海外设计和制造半导体的能力来保护国家安全,华为及其被列入实体清单的分支机构生产的以下产品将受出口管理条例(EAR)的约束,具体而言包括以下两个 方面:1)华为及相关公司利用美国管制清单(CCL)上的软件和技术直接生 产的产品;2)根据华为的设计规范,在美国海外的地方利用 CCL 清单上的半导体制造设备生产的芯片等产品,此类产品在向华为及其分支机构出货时需要申请许可证。

摩尔定律在硅时代已接近效能极限,台积电已开始 2nm 探索性研发,单一增加制程精度的方式不可持续。“摩尔定律”在过去的几十年中是集成电路性能增长的黄金定律。其核心内容:价格维持不变时,集成电路上可容纳的元件数目,约每隔 18-24 个月便会增加一倍,性能也将提升一倍。根据 ITRS 的观点,传统的硅晶体管微缩至 6 纳米已达极限。以硅材料为根基的摩尔定律即将失效。若半导体仍以摩尔定律趋势发展,则需要在底层材料中形成突破。美国、欧盟、日韩等国家和地区组织已经通过制定研发项目的方式来引导产业发展。目前主要的突破手段存在于几个方面:1)底层材料突破,除氮 化镓、砷化镓外,以碳基为材料的半导体技术也在持续突破;2)以 SIP 封装为代表的高密度集成方式,一定程度上满足了性能的发展需求。

3、新基建与消费电子为国内需求打开空间

国内基站端建设投资力度扩大,国内需求将大于国外。预计 2020 年 5G 新 建基站有望达到 80w 座以上,其中大部分将以“宏基站为主,小基站为辅”的组网方式。在射频端高频高速的背景下,第三代半导体材料的渗透率将会大幅提升,2023 年 GaN RF 在基站中的市场规模将达到 5.2 亿美元,年复合 增长率达到 22.8%。未来随着 GaN 技术进步和规模化发展,GaN PA 渗透率 有望不断提升,预计到 2023 年市场渗透率将超过 85%。5G 宏基站使用的 PA(Power Amplifier,功率放大器)数量在 2019 年达到 1843.2 万个,2020 年有望达到 7372.8 万个,同比增长有望达到 4 倍。预计今年,基于 GaN 工 艺的基站 PA 占比将由去年的 50%达到 58%。

消费电子市场规模分别受益于快充渗透率与新能源汽车电子化率的提升。假设智能手机未来三年 GaN 快充渗透率为 1%、3%、5%,可穿戴需求度相对 手机端有所降低,三年的渗透率为 0.5%、1%、2%;我们预计 2020 年全球 GaN 充电器市场规模为 24.41 亿元,2022 年有望达到 87.74 亿元。在新能 源车型中,目前混动新能源汽车占新能源汽车总量的 80%以上,电机与电控 是核心元器件。GaN 可用于 48VDC/DC 以及 OBC(On Board Charger 车载 充电机)。据 Yole 的预测,2023 年该领域的市场规模将达到 2500 万美元。 新能源汽车无疑是电力电子设备市场的主要驱动力,也是不同技术路线(Si、 SiC 和 GaN)的主要争夺市场。

二、功率半导体受益于下游新兴领域快速发展

1、功率半导体是电路控制的核心元器件

功率 IC 和功率分立器件占功率半导体的绝大部分。功率器件是通过控制电 子设备中电压、电流、频率以及交流(AC)直流(DC)的转换,从而达到控制元器件的功能。功率半导体属于半导体的一个细分领域,是通过变换电能的交直流、电压电流频率大小从而实现对电路控制的核心器件,可以分为功率 IC 和功率分立器件两大类。功率 IC 是将控制电路和大功率器件集成在同一块芯片上控制的集成电路,主要的应用产品是电源管理,承担变换、分配、检测电压电流频率的功能,由于在电子设备系统中每个模块所需供电电压和电流各不相同,需要电源管理芯片对不同元器件所需电能情况进行转换和调节。功率分立器件主要包括有二极管、晶体管及晶闸管,晶体管占有重要的份额,其中 MOSFET(金属氧化物半导体场效晶体管)和 IGBT(绝缘栅双极型晶体管)产品性能优越,控制能力及范围有出色的表现,近年来市场规模增长较快,结构占比不断提升。

从细分产品来看,功率半导体因其不同的性能,发挥作用也有所不同。

二极管具有单向导电性能,即给二极管阳极和阴极加上正向电压时,二极管导通。当给阳极和阴极加上反向电压时,二极管截止。因此,二极管的导通和截止,则相当于开关的接通与断开。

晶闸管。晶闸管设计用于在高电流和高电压下工作,并且通常用于 AC 电流 到 DC 电流的整流以及 AC 电流频率与幅值的调整。通常将晶闸管可以分为 可控硅整流器(通常称为晶闸管)和栅极关断晶闸管(GTO), 以上均属于 高功率器件。

MOSFET 属于晶体管的一种,与标准双极晶体管之间的基本区别在于源极漏极电流由栅极电压控制,使其工作比需要高基极电流导通的双极晶体管更节能。此外,它具有快速关闭功能及允许高频率切换,由于工作环境可以承受更高的温度,特别适用于家用电器,汽车和 PC 电源的电源设计。

IGBT 将双极晶体管的某些特性与单个器件中的 MOSFET 的特性结合在一 起。IGBT 与 MOSFET 有显着差异,制造起来更具挑战性。IGBT 器件可以 处理大电流(如双极晶体管)并受电压控制(如 MOSFET),使其适用于高 能量应用,如变速箱,重型机车,大型船舶螺旋桨等。

2、市场规模平稳增长,未来增量空间来自于新兴领域

全球市场规模平稳增长,国内市场需求有望保持高速增长。功率半导体作为电子设备中最基础的元器件,应用领域极其广泛。从市场规模来看,根据 IHS Markit 数据, 2018 年全球功率半导体市场规模约为 400 亿美元,预计到 2021 年市场规模将增长至 441 亿美元,年复合增速为 4.1%。中国是全球最大的 功率半导体消费市场,未来有望保持高速发展,根据 IHS Markit 数据,2018 年国内市场规模达到 138 亿美元,增速为 9.5%,占全球需求比例高达 35%, 预计未来中国功率半导体将继续保持较高速度增长,2021 年市场规模有望达 到 159 亿美元,年复合增速达 4.8%。从增量来源来看,由于下游新能源以及汽车电子化程度的提升,功率半导体的应用领域已从工业控制和消费电子拓展至光伏、风电、智能电网、变频家电、新能源汽车等诸多市场,下游新型领域市场的发展情况是功率半导体未来增量的重要保证。

从应用范围角度看,任何需要电能转换、电能与信号转换地方都需要功率半导体。从应用功率大小来看,可以划分为四大应用场景:

1)消费类电子产品/白色家电,功率范围 10W-100W:

功率半导体是消费电子产品中控制充电机制、功率输出和能效的核心元器件。在白色家电中,优化的感应技术以及变频需求,也使得功率半导体也是白色家电走向智能化的核心。

2)新能源汽车及数据通信,功率范围 100W-10kW:

新能源汽车的电气化占比快速提升,目前新能源汽车相比于燃油车电子零部件价值增加 5 倍以上,新增的功率半导体器件的性能和功率效率是电动汽车 运行的关键,功率元件主要用于逆变器、电源控制系统。

功率半导体保证数据中心不间断供电以及电压稳定方面具有重要作用,主要用于整流,电池充电和 DC/AC 逆变。UPS 是 IDC 的必需设备,极大程度增加了服务器系统中功率半导体元件的使用,未来氮化镓的使用和能量比例计算将继续增加数据中心中功率半导体使用的广度。

3)可再生能源及交通运输,功率范围 10kW-1000kW:

可再生能源发电也需要高功率半导体,因为可再生能源不规则,需要高的发电效率才能实现经济可持续发展。以每兆瓦时为基础,风电场需要比传统燃煤电站多 30 倍的功率半导体价值量。

使用 IGBT 的变速驱动器越来越多地取代工业应用中的传统电机,因为它们可以显着提高能效。功率半导体对于工厂的进一步自动化也至关重要,“工业4.0”的革命在很大程度上取决于增加的功率和传感器半导体内容,以驱动工 厂的机器人技术。

4)智能电网和储能,功率范围 1000kW 以上:

可再生能源(特别是风能和太阳能)的消纳对于智能电网的稳定性带来了巨大的挑战,电能的难以存储也为储能带来了更大的难度。有效的能量存储对于向可再生能源对总发电的更高贡献的转变至关重要,并且需要再次有效地转换电能,即功率半导体。

3、国内是最大的消费市场,自给率不足 20%

功率 IC 与功率分立器件市场份额占比接近各半, IGBT、MOSFET 在分立器 件中占比较大。在全球功率半导体市场,功率 IC 和功率分立器件几乎平分了 整个市场份额。根据 Yole、IHS、Gartner 数据汇总分析,2018 年,功率 IC 和功率器件全球市场份额分别为 54%和 46%。其中,在功率分立器件市场中, MOSFET 和 IGBT 占比较大,分别为 17%和 15%,功率二极管/整流桥占比 稍低,为 12%。

在中国功率半导体市场,电源管理 IC、MOSFET 和 IGBT 合计占据了 95% 的市场份额。其中,电源管理 IC 市占率高达 61%,占比最大,MOSFET 和 IGBT 市场份额分别为 20%和 14%。得益于下游消费电子、新能源汽车、通 讯行业近几年的快速发展,电源管理 IC 市场保持稳健增长,截止 2018 年, 中国电源管理 IC 市场规模已达 84.3 亿美元。同时,未来伴随新能源汽车行 业的快速发展,MOSFET 和 IGBT 也将迎来广阔的成长空间。

中国为全球最大的消费国和进口国,随下游新兴领域发展加快,国产替代空间明显。由于功率半导体下游应用广泛,市场普遍认为行业增速弹性不大,整体规模保持稳定。与之有差异的是,我们认为,未来功率半导体将呈现高性能,高增长,高集中度的发展趋势,主要原因有以下几点:1)下游新兴行业增量显著:下游以汽车电子为代表的新兴应用增速进一步加快,除去传统电子控制系统外,电驱、电控、电池三大件对于功率半导体的需求量爆发式增长,假设 2025 年新能源汽车市场规模达到 150 亿元,按照汽车电子化 率 30%测算,仅在新能源汽车中的电子元器件增量为 50 亿元;2)自给率仍 然偏低,替代空间巨大:国内需求增加的同时,自给率不足 20%,从国内外 产业链的对比来看,假设自给率达到 50%,国内至少仍有 50 亿美元的市场 空间增量;3)未来集中度会进一步提升,产品碎片化将有所改善:由于产 品种类繁多,总体较为碎片化,但部分高端产品如 IGBT、MOSFET 产品性能和技术壁垒同步提升,下游对高端产品的依赖度会随之增加,细分领域集中度提升是必然趋势。

三、第三代半导体材料是功率半导体跃进的基石

1、第三代半导体材料对性能提升有明显优势

第三代半导体材料以碳化硅、氮化镓为代表,极具性能优势。第三代半导体材料是指带隙宽度明显大于 Si 的宽禁带半导体材料,主要包括 SiC、GaN、 金刚石等,因其禁带宽度大于或等于 2.3 电子伏特,又被称为宽禁带半导体材料。和第一代、第二代半导体材料相比,第三代半导体材料具有高热导率、高击穿场强、高饱和电子漂移速率和高键合能等优点,可以满足现代电子技术对高温、高功率、高压、高频以及高辐射等恶劣条件的新要求。第三代半导体材料在航空、航天、光存储等领域有着重要应用前景,在宽带通讯、太阳能、汽车制造、半导体照明、智能电网等众多战略行业可以降低 50%以上 的能量损失,最高可以使装备体积减小 75%以上,是半导体产业进一步跃进 的基石。

半导体材料经历了三次明显的换代和发展。第一代半导体材料是 Si、Ge 等单质半导体材料,由于其具有出色的性能和成本优势,目前仍然是集成电路等半导体器件主要使用的材料;第二代半导体材料以 GaAs 和 InP 等材料为 代表。第二代半导体材料在物理结构上具有直接带隙的特点,相对于 Si 材料具有光电性能佳、工作频率高、抗高温、抗辐射等优势,可以应用于光电器件和射频器件;第三代半导体材料以 GaN 和 SiC 等材料为代表。1969 年实 现了 GaN 单晶薄膜的制备。1994 年中村修二研发了第一支高亮度的 GaN 基蓝光 LED。1891 年,SiC 晶体被人工合成。1955 年,飞利浦实验室的 Lely 发明 SiC 的升华生长法(或物理气相传输法,即 PVT 法),后来经过改进后的 PVT 法成为 SiC 单晶制备的主要方法。

材料分子结构导致先天性能优势。第三代半导体材料相对于 Si 材料具有:禁带宽度更大、电子饱和飘移速度较高等特点,制作出的半导体器件拥有光电性能优异、高速、高频、大功率、耐高温和高辐射等特征,具备应用于光电器件、微波器件和电力电子器件的先天性能优势。

2、产业应用集中在衬底、射频器件,2025 年渗透率将达到 50%以上

GaN 衬底技术难度较大,光电子领域中较为成熟。目前,SiC 衬底技术相对 简单,主要制备过程大致分为两步:第一步 SiC 粉料在单晶炉中经过高温升 华之后在单晶炉中形成 SiC 晶锭;第二步通过对 SiC 晶锭进行粗加工、切割、 研磨、抛光,得到透明或半透明、无损伤层、低粗糙度的 SiC 晶片(即 SiC 衬底)。GaN 衬底的生长主要采用 HVPE(氢化物气相外延)法,制备技术 仍有待提升,行业产量较低,导致 GaN 衬底的缺陷密度和价格较高,目前只 有激光器等少数器件采用 GaN 同质衬底;GaN 电力电子器件的衬底主要采 用 Si 衬底,部分企业采用蓝宝石衬底,GaN 同质衬底的器件在研发中;GaN射频器件主要是 SiC 高纯半绝缘衬底,少数企业采用 Si 做衬底;GaN 光电 子器件是 GaN 材料最成熟的领域,基 于蓝宝石、SiC 和 Si 衬底的蓝宝石 LED 产业已经进入成熟阶段。

高技术门槛导致第三代半导体材料市场以日美欧寡头垄占,国内企业在 SiC 衬底方面以 4 英寸为主。目前,国内已经开发出了 6 英寸导电性 SiC 衬底和 高纯半绝缘 SiC 衬底,山东天岳公司、北京天科合达公司和河北同光晶体公司分别与山东大学、中科院物理所和中科院半导体所进行技术合作与转化,在 SiC 单晶衬底技术上形成自主技术体系。国内目前已实现 4 英寸衬底的量 产;同时山东天岳、天科合达、河北同光、中科节能均已完成 6 英寸衬底的 研发;中电科装备已成功研制出 6 英寸半绝缘衬底。在 GaN 衬底方面,国 内企业已经可以小批量生产 2 英寸衬底,具备 4 英寸衬底生产能力,并开发 出 6 英寸衬底样品。目前已实现产业化的企业包括苏州纳米所的苏州纳维科技公司和北京大学的东莞市中镓半导体科技公司,其中苏州纳维目前已推出4 英寸衬底产品,并且正在开展 6 英寸衬底片研发。

先进半导体材料已上升至国家战略层面,2025 年目标渗透率超过 50%。底 层材料与技术是半导体发展的基础科学,在 2025 中国制造中,分别对第三 代半导体单晶衬底、光电子器件/模块、电力电子器件/模块、射频器件/模块 等细分领域做出了目标规划。在任务目标中提到 2025 实现在 5G 通信、高效 能源管理中的国产化率达到 50%;在新能源汽车、消费电子中实现规模应用, 在通用照明市场渗透率达到 80%以上。

3、底层材料突破是摩尔定律延续的关键

摩尔定律在硅时代 6nm 已接近效能极限。“摩尔定律”在过去的几十年中是集成电路性能增长的黄金定律。其核心内容:价格维持不变时,集成电路上可容纳的元件数目,约每隔 18-24 个月便会增加一倍,性能也将提升一倍。 根据 ITRS 的观点,传统的硅晶体管微缩至 6 纳米已达极限。以硅材料为根基的摩尔定律即将失效。若半导体仍以摩尔定律趋势发展,则需要在底层材料中形成突破。美国、欧盟、日韩等国家和地区组织已经通过制定研发项目的方式来引导产业发展。

超越摩尔定律,新材料是突破路径之一。目前市面上超过 99%的集成电路都 是以第一代元素半导体材料之一,硅(Si)、锗(Ge)材料在 20 世纪 50 年代有过高光时刻,广泛应用于低压、低频、中功率晶体管以及光电探测器中,但到了 60 年代后期因耐高温和抗辐射性能较差,工艺更难、成本更高逐渐被 硅材料取代。第三代宽禁带半导体材料(SiC、GaN 等),因其禁带宽度(Eg) 大于或等于 2.3 电子伏特(eV)而得名。第三代半导体材料具有优越的性能和能带结构,广泛用于射频器件、光电器件、功率器件等制造,具有很大的发展潜力。目前第三代半导体材料已逐渐渗透 5G、新能源汽车、绿色照明等 新兴领域,被认为是半导体行业的重要发展方向。

美欧等经济体持续加大化合物半导体投入。2018 年,美国、欧盟等国家和组 织启动了超过 15 个研发项目。其中,美国的研发支持力度最大。2018 年美 国能源部(DOE)、国防先期研究计划局(DARPA)、和国家航空航天局 (NASA)和电力美国(Power America)等机构纷纷制定第三代半导体相关的 研究项目,支持总资金超过 4 亿美元,涉及光电子、射频和电力电子等方向,以期保持美国在第三代半导体领域全球领先的地位。此外,欧盟先后启动了“硅基高效毫米波欧洲系统集成平台(SERENA)”项目和“ 5GGaN2”项目, 以抢占 5G 发展先机。

四、新基建视角:5G 射频端需求带动 GaN 爆发式增长

1、宏基站射频元器件数量大增,GaN 渗透率有望持续提升

5G 宏基站将加速 GaN 取代 LDMOS 市场份额。5G 商用宏基站将以 64 通道 的大规模阵列天线为主,单基站 PA(射频功率放大器)需求量接近 200 个, 目前基站用功率放大器主要为 LDMOS(横向扩散金属氧化物半导体)技术,但 是 LDMOS 技术适用于低频段,在高频领域存在局限性。5G 基站 GaN 射频 PA 将成为主流技术,对 LDMOS 的市场份额有一定的挤压,GaAs 器件份额 变化不大。GaN 能较好的适用于大规模 MIMO(多输入多输出 Multi Input Multi Output)通道,根据 Yole 的预计,2023 年 GaN RF 在基站中的市场规 模将达到 5.2 亿美元,年复合增长率达到 22.8%。未来随着 GaN 技术进步和 规模化发展,GaN PA 渗透率有望不断提升,预计到 2023 年市场渗透率将超 过 85%。

射频器件数量成倍上升成为后续主要增长动力。2018 年基站领域 GaN 射频 器件规模为 1.5 亿美元,占 GaN 射频器件市场的 33%的份额。5G 时代基站 领域的射频器件将以 GaN 器件为主,随着 5G 通信的实施,2020 年市场规模会出现明显增长。并且,为了充分利用空间资源,提高频谱效率和功率效率,大规模多输入多输出(Massive MIMO)技术应运而生,通过在基站侧安装几百上千根天线,实现大量天线同时收发数据,为此将带动功率放大器等射频模块的需求,使得 GaN 射频器件的规模不断增长。

含有 GaN 的基站 PA 有望实现爆发式增长。目前我国 5G 宏基站使用的 PA (Power Amplifier,功率放大器)数量在 2019 年达到 1843.2 万个,2020 年有望达到 7372.8 万个,同比增长有望达到 4 倍。预计今年,基于 GaN 工 艺的基站 PA 占比将由去年的 50%达到 58%。在此背景下,以华为为代表的 通信设备厂商加大基站 PA 的自研力度和采购数量,未来市场规模有望进一 步扩大。对于华为巨大的基站和手机 PA 用量来说,依然以外购为主,而在 当下贸易限制的大背景下,正在加大来自中国本土的 PA 供应量,国内 GaN 领域公司望受益。


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