揭秘第三代半导体： 哪些企业有望弯道超车
作者： 李娜 来莎莎
[ 有别于第一、二代半导体材料分别为硅(Si)、砷化镓(GaAs)，第三代材料为碳化硅(SiC)与氮化镓(GaN)，其制成芯片可被广泛用于新一代通信、电动车等热门新兴产业。 ]
[ “现在我们从第二代半导体进入第三代半导体时代，希望在一个新的时代实现领先。”华为消费者业务CEO余承东不久前表示。 ]
一则关于第三代半导体产业或将写入“十四五”规划的传闻引爆了市场。
近日有消息称，中国正在规划将大力支持发展第三代半导体产业写入“十四五”规划之中，计划在2021到2025年的五年之内，举全国之力，在教育、科研、开发、融资、应用等各个方面对第三代半导体发展提供广泛支持，以期实现产业独立自主。9月14日，第三代半导体指数收涨8.22%。
全球第三代半导体产业赛道已经开启。有别于第一、二代半导体材料分别为硅(Si)、砷化镓(GaAs)，第三代材料为碳化硅(SiC)与氮化镓(GaN)，其制成芯片可被广泛用于新一代通信、电动车等热门新兴产业。
“现在我们从第二代半导体进入第三代半导体时代，希望在一个新的时代实现领先。”华为消费者业务CEO余承东不久前曾在一场会议上表示，半导体产业应该向多方位突破，比如物理学材料学的基础研究和精密制造以及关注新材料和新工艺的紧密联动，突破制约创新的瓶颈。
第三代半导体的崛起
第一代半导体材料以硅和锗为主，是CPU处理器等集成电路主要运用的材料；第二代半导体指一部分化合物半导体，包括砷化镓（GaAs）、磷化铟（InP）等，主要特性是频率较高，目前手机所使用的关键通信芯片都采用这类材料制作。而第三代半导体材料主要是以碳化硅、氮化镓、氧化锌（ZnO）、金刚石、氮化铝（AlN）为代表的宽禁带的半导体材料。
与第一代和第二代半导体材料相比，第三代半导体材料具有更宽的禁带宽度、更高的击穿电场、更高的热导率、更大的电子饱和速度以及更高的抗辐射能力，更适合制作高温、高频、抗辐射及大功率器件。其中，碳化硅和氮化镓的研究和发展更为成熟。
相对于传统的硅材料，碳化硅的禁带宽度是硅的3倍；导热率为硅的4~5倍；击穿电压为硅的8倍；电子饱和漂移速率为硅的2倍，因此，碳化硅特别适合于制造耐高温、耐高压、耐大电流的高频大功率的器件。
根据Omdia的《2020年碳化硅和氮化镓功率半导体报告》，到2020年底，全球碳化硅和氮化镓功率半导体的销售收入预计将从2018年的5.71亿美元增至8.54亿美元。未来十年的年均增长率将维持两位数，到2029年将超过50亿美元。
根据Omdia的数据，到2020年底，SiC MOSFET预计将产生约3.2亿美元的收入，与肖特基二极管的收入相当。从2021年起，SiC MOSFET将以稍快的速度增长，成为最畅销的分立碳化硅功率器件。得益于混合动力和电动汽车，电源和光伏（PV）逆变器需求的增长，预计到2021年，SiC和GaN Power的收入将超过10亿美元。
国内外企业争相布局
当前，以碳化硅和氮化镓为代表的第三代半导体已逐渐受到国内外市场重视。
由于第三代半导体材料及其制作的各种器件的优越性，许多国家将第三代半导体材料列入国家计划。美国、欧盟均建立了相应的中心及联盟，致力于研发第三代功率半导体功率器件；2015年和2016年国家科技重大转型也对第三代半导体功率器件的研制和应用立项。碳化硅电力电子器件市场在2016年正式形成。不少半导体厂商也已率先入局。
英飞凌、ST等全球功率半导体巨头以及华润微（688396.SH）、中车时代半导体等国内功率厂商都重点布局在该领域的研究。为了发展功率半导体，华为也开启了对第三代半导体材料的布局。华为旗下的哈勃科技投资有限公司在2019年8月份投资了山东天岳先进材料科技有限公司，持股10%，而山东天岳是我国第三代半导体材料碳化硅龙头企业。
今年关于第三代半导体的投资项目在全国不断落地。
据第一财经记者了解，2020年一季度，国内多个第三代半导体项目有新的进展。2020年3月，中国电科（山西）碳化硅材料产业基地、积塔6英寸碳化硅生产线两个项目开始投产。一季度，和通讯（徐州）第三代半导体产业基地、绿能芯创碳化硅芯片项目以及博方嘉芯氮化镓射频及功率器件项目三个项目开工；泰科天润运营总部及碳化硅器件生产基地项目、高启电子氮化镓外延片项目等多个项目实现签约。
华创证券认为，随着物联网、大数据和人工智能驱动的新计算时代的发展，对半导体器件的需求日益增长，对器件可靠性与性能指标的要求也更加严苛。第三代半导体开始逐渐受到市场的重视，国际上已形成完整的覆盖材料、器件、模块和应用等环节的产业链。
受益于材料自身优势，以及5G和新能源汽车等应用拉动，市场预估第三代半导体材料在今年就会起量。
国内企业成长
由于国内厂商对第三代半导体的研究起步时间并没有被国外厂商拉开差距，因此在这一材料技术领域中国半导体企业有“弯道超车”的可能。
以氮化镓为例，目前已逐步切入消费电子领域。自小米2月中旬发布氮化镓充电器以来，多个手机厂商持续跟进，相关概念股表现强劲。Wind数据显示，今年以来氮化镓指数整体上涨40%以上。
作为第三代半导体材料之一的氮化镓，具有热导率高、耐高温、小体积等特性。此前多运用在光电、军工以及航空航天领域，但随着手机头部公司对充电技术的不断投入，氮化镓快速切入消费市场。第一财经记者从小米供应链厂商了解到，仅在功率半导体市场，氮化镓在设备器上的出货量就从过去每年的几十万颗跃升至去年的300万颗以上，而今年在消费端的出货量有望达到2000万颗。
中泰证券表示，目前氮化镓产业仍以海外企业为主，国内企业在衬底外延和设计制造领域都逐渐开始涉足，如氮化镓衬底制造厂苏州纳维、东莞中镓；氮化镓外延制备商苏州晶湛；GaN-on-Si制造企业英诺赛科、赛微电子（300456.SZ）；氮化镓晶圆代工企业海特高新（002023.SZ）；GaNIDM（垂直整合制造工厂）三安光电（600703.SH）、闻泰科技（600745.SZ）等。据测算，仅考虑氮化镓在基站射频及快充头的应用，行业空间就在百亿美元以上，目前正处于渗透早期。
民品业务上，海特高新在5G宏基站射频氮化镓产品上取得重大技术突破，并通过可靠性测试，具备了为基站射频产品提供代工服务的能力；在电力电子方面，硅基氮化镓功率器件芯片已实现小批量量产，是国内率先进行硅基氮化镓量产的企业。根据投资者关系记录，公司2019年在光电领域实现国内第一条6英寸VCSEL产线。
三安光电是化合物半导体国产替代龙头标的，三安集成电路有限公司是三安光电下属子公司，基于氮化镓和砷化镓技术经营业务，是一家专门从事化合物半导体制造的代工厂。
而在碳化硅领域，该市场依然以日、美、欧主导。不过方正证券指出，碳化硅的研究起步时间并不晚，国内主要集中于4英寸、6英寸碳化硅衬底生产，8英寸衬底已有样品出货，汽车电动化将形成碳化硅最大的下游市场。
目前，中国是全球最大的新能源汽车市场，电动汽车产业有国产替代的肥沃土壤。我国的新能源汽车市场占全球市场的一半以上，是全球最大的新能源汽车市场。根据evsales数据，2019年全球新能源汽车销量为215万辆，中国市场销量就达到了116万辆，中国市场占全球比重达54%。而车用半导体价值量增长，碳化硅应用是未来趋势。目前xEV车中的主驱逆变器仍以IGBT+SiFRD方案为主，考虑到未来电动车需要更长的行驶里程，更短的充电时间和更高的电池容量，SiC MOSFET元件将是大势所趋，时间节点在2021年左右。碳化硅有望提高3%~5%的逆变器效率，从而降低电池成本。
