一、何為第三代半導(dǎo)體

第一代半導(dǎo)體材料主要是指硅（Si）、鍺元素（Ge）半導(dǎo)體材料，是迄今為止應(yīng)用最為普遍的半導(dǎo)體材料，在集成電路、半導(dǎo)體分立器件（主要是中低壓、中低頻功率器件，IGBT可以應(yīng)用在高壓領(lǐng)域）、光伏產(chǎn)業(yè)中都得到了極為廣泛的應(yīng)用。

第二代半導(dǎo)體材料主要是指砷化鎵（GaAs）、磷化銦（InP）等化合物半導(dǎo)體材料，主要用于制作高速、高頻、大功率以及發(fā)光電子器件（LED），是制作高性能微波、毫米波器件及發(fā)光器件的優(yōu)良材料。

Si基器件在600V以上高電壓及高功率場(chǎng)合達(dá)到其性能極限；為了提升在高壓/高功率下器件的性能，第三代半導(dǎo)體材料應(yīng)運(yùn)而生。第三代半導(dǎo)體主要是碳化硅（SiC）和氮化鎵（GaN）。第二代和第三代半導(dǎo)體也稱(chēng)作化合物半導(dǎo)體，即兩種元素組成的半導(dǎo)體材料，區(qū)別于硅/鍺等單質(zhì)半導(dǎo)體。

二、SiC的主要性能優(yōu)勢(shì)

三代半導(dǎo)體材料之間的主要區(qū)別是禁帶寬度不同?，F(xiàn)代物理學(xué)描述材料導(dǎo)電特性的主流理論是能帶理論。能帶理論將晶體中電子的能級(jí)劃分為導(dǎo)帶和價(jià)帶，導(dǎo)帶底和價(jià)帶頂?shù)哪芰坎罹喾Q(chēng)為禁帶寬度，禁帶寬度的大小反映了價(jià)電子被束縛的強(qiáng)弱程度，即產(chǎn)生本征激發(fā)所需要的最小能量。價(jià)帶被電子填滿(mǎn)且導(dǎo)帶上無(wú)電子時(shí)，晶體不導(dǎo)電。當(dāng)晶體受到外界能量激發(fā)（如高壓）時(shí)，價(jià)帶電子被激發(fā)到導(dǎo)帶成為自由電子，同時(shí)在價(jià)帶上失去電子的位置形成空穴（電子和空穴合稱(chēng)“載流子”），晶體導(dǎo)電。

與第一二代半導(dǎo)體材料相比，SiC和GaN具有更寬的禁帶寬度，其禁帶寬度是第一二代半導(dǎo)體的近3倍，特別適用于5G射頻器件（GaN）和高電壓功率器件（SiC）。

圖表：不同半導(dǎo)體材料的禁帶寬度

資料來(lái)源：Cree官網(wǎng)

SiC禁帶寬度是Si的近3倍，其臨界擊穿場(chǎng)強(qiáng)是Si的7-10倍，具有更強(qiáng)的耐高壓、高功率能力；同時(shí)，由于高禁帶寬度，SiC可進(jìn)行重?fù)诫s，器件電阻更小，約為Si基器件的1/100；高禁帶寬度還使得SiC反向泄漏電流更小，能量損失更小，相同電壓和轉(zhuǎn)換頻率下，碳化硅MOSFET的能量損失約為硅基IGBT的29-60%。

此外，SiC熱導(dǎo)率更高，能在更高溫度下工作；功率密度更高，SiC器件可承受更高的功率和電壓，在承受相同的功率和電壓時(shí)，器件體積可變得更小，約為Si基器件的1/10。

資料來(lái)源：公開(kāi)資料整理

三、SiC應(yīng)用領(lǐng)域及市場(chǎng)規(guī)模

與Si主要應(yīng)用于集成電路不同，SiC主要應(yīng)用形式是功率半導(dǎo)體器件，其應(yīng)用領(lǐng)域偏向1000V以上的中高電壓范圍，具有高壓、高溫、高頻三大優(yōu)勢(shì)。

圖表：SiC器件主要用于高壓及高頻情形

資料來(lái)源：羅姆半導(dǎo)體

具體而言，SiC器件被廣泛應(yīng)用于新能源汽車(chē)中的主驅(qū)逆變器、DC/DC轉(zhuǎn)換器，充電系統(tǒng)中的車(chē)載充電機(jī)和充電樁，光伏/風(fēng)電等新能源發(fā)電系統(tǒng)的逆變器，以及軌道交通、智能電網(wǎng)、UPS不間斷電源、航天、軍事等其他諸多領(lǐng)域。

圖表：SiC器件的主要應(yīng)用領(lǐng)域

資料來(lái)源：YoleDevelopment

其中，新能源汽車(chē)有望成為SiC器件最大的應(yīng)用市場(chǎng)。根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)方案，每輛新能源汽車(chē)使用的功率器件價(jià)值約700美元到1000美元。隨著新能源汽車(chē)行業(yè)的發(fā)展，對(duì)功率器件需求量日益增加，成為功率半導(dǎo)體器件新的增長(zhǎng)點(diǎn)。

新能源汽車(chē)系統(tǒng)架構(gòu)中涉及到功率半導(dǎo)體應(yīng)用的組件包括：電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、車(chē)載充電系統(tǒng)（OBC）、電源轉(zhuǎn)換系統(tǒng)（車(chē)載DC/DC）和非車(chē)載充電樁。SiC功率器件應(yīng)用于電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中的主逆變器，能夠顯著降低電力電子系統(tǒng)的體積、重量和成本，提高功率密度。美國(guó)特斯拉公司的Model 3車(chē)型采用以24個(gè)碳化硅MOSFET為功率模塊的逆變器，是第一家在主逆變器中集成全SiC功率器件的汽車(chē)廠商；SiC器件應(yīng)用于車(chē)載充電系統(tǒng)和電源轉(zhuǎn)換系統(tǒng)，能夠有效降低開(kāi)關(guān)損耗、提高極限工作溫度、提升系統(tǒng)效率，目前全球已有超過(guò)20家汽車(chē)廠商在車(chē)載充電系統(tǒng)中使用SiC功率器件；SiC器件應(yīng)用于新能源汽車(chē)充電樁，可以減小充電樁體積，提高充電速度。

根據(jù)HIS Markit數(shù)據(jù)，2018年SiC功率器件市場(chǎng)規(guī)模約3.9億美元，受新能源汽車(chē)龐大需求的驅(qū)動(dòng)，以及電力設(shè)備等領(lǐng)域的帶動(dòng)，預(yù)計(jì)到2027年SiC功率器件的市場(chǎng)規(guī)模將超過(guò)100億美元，SiC襯底的市場(chǎng)需求也將大幅增長(zhǎng)。

圖表：SiC功率器件市場(chǎng)規(guī)模預(yù)測(cè)

數(shù)據(jù)來(lái)源：IHS Markit

四、SiC產(chǎn)業(yè)鏈

第三代半導(dǎo)體材料中，GaN生長(zhǎng)速率慢，反應(yīng)副產(chǎn)物多，生產(chǎn)工藝復(fù)雜，大尺寸單晶生長(zhǎng)困難，生長(zhǎng)尺寸主要為2英寸和4英寸，暫無(wú)法實(shí)現(xiàn)規(guī)?；瘧?yīng)用。另一方面，第三代半導(dǎo)體應(yīng)用場(chǎng)景通常為高溫、高壓、大功率場(chǎng)景，器件需要較好的耐高溫和散熱能力，SiC熱導(dǎo)率是氮化鎵的約3倍，具有更強(qiáng)的導(dǎo)熱能力，器件壽命更長(zhǎng)，可靠性更高，所需散熱系統(tǒng)更小。因此，第三代半導(dǎo)體普遍采用SiC作為襯底材料，在高壓和高可靠性領(lǐng)域選擇SiC外延，高頻領(lǐng)域則選擇GaN外延。

圖表：SiC產(chǎn)業(yè)鏈

資料來(lái)源：天科合達(dá)招股說(shuō)明書(shū)

以SiC晶片為襯底，通常使用化學(xué)氣相沉積（CVD）方法，在晶片上淀積一層單晶形成外延片。其中，在導(dǎo)電型SiC襯底上生長(zhǎng)碳化硅外延層制得SiC外延片，可進(jìn)一步制成功率器件，應(yīng)用于新能源汽車(chē)、光伏發(fā)電、軌道交通、智能電網(wǎng)、航空航天等領(lǐng)域；在半絕緣型SiC襯底上生長(zhǎng)GaN外延層制得碳化硅基氮化鎵（GaN-on-SiC）外延片，可進(jìn)一步制成微波射頻器件，應(yīng)用于5G通訊、雷達(dá)等領(lǐng)域。

五、SiC行業(yè)主要廠商

目前，美、歐、日廠商在全球SiC產(chǎn)業(yè)中較為領(lǐng)先，其中美國(guó)廠商占據(jù)主導(dǎo)地位。隨著中美貿(mào)易戰(zhàn)的不斷升級(jí)，半導(dǎo)體芯片領(lǐng)域成為了中美必爭(zhēng)之地，三代半導(dǎo)體也必將成為競(jìng)爭(zhēng)的焦點(diǎn)所在。相對(duì)于一二代半導(dǎo)體，國(guó)內(nèi)廠商對(duì)SiC研究起步時(shí)間與國(guó)外廠商相差不多，技術(shù)實(shí)力差距較小，因此國(guó)內(nèi)廠商有希望追上國(guó)外廠商，完成國(guó)產(chǎn)替代。

圖表：全球SiC主要廠商分布

資料來(lái)源：Yole Development

國(guó)內(nèi)廠商中，從事SiC生產(chǎn)設(shè)備的廠商主要有北方華創(chuàng)、中微公司、晶盛機(jī)電、露笑科技等；從事襯底片的廠商主要有露笑科技、三安光電、天科合達(dá)、山東天岳等；從事SiC外延生長(zhǎng)的廠商主要有瀚天天成和東莞天域等；從事SiC功率器件的廠商較多，包括華潤(rùn)微、揚(yáng)杰科技、泰科天潤(rùn)、綠能芯創(chuàng)、基本半導(dǎo)體、上海詹芯等。

圖表：SiC產(chǎn)業(yè)鏈國(guó)內(nèi)外主要廠商

資料來(lái)源：公開(kāi)資料整理

六、投資建議

SiC市場(chǎng)規(guī)模將隨著新能源汽車(chē)及光伏發(fā)電等行業(yè)的發(fā)展而快速增長(zhǎng)。在SiC領(lǐng)域，目前國(guó)內(nèi)企業(yè)均處于初創(chuàng)期或者剛剛介入。傳統(tǒng)功率器件廠商華潤(rùn)微、捷捷微電、揚(yáng)杰科技、斯達(dá)半導(dǎo)、比亞迪半導(dǎo)體等，從硅基MOSFET、晶閘管、二極管、IGBT等切入SiC領(lǐng)域，但當(dāng)前SiC器件營(yíng)收規(guī)模都比較小，如揚(yáng)杰科技2020年上半年SiC營(yíng)收僅19.28萬(wàn)元左右。國(guó)內(nèi)山東天岳、泰科天潤(rùn)、深圳基本半導(dǎo)體、綠能芯創(chuàng)等非上市公司與國(guó)內(nèi)上市公司及國(guó)外公司相比，技術(shù)實(shí)力相差不多，量產(chǎn)及銷(xiāo)售規(guī)模也基本處于同一起跑線，一級(jí)市場(chǎng)存在較大的投資機(jī)會(huì)。建議重點(diǎn)關(guān)注具備SiC晶片、外延及器件一體化量產(chǎn)能力的IDM模式公司。