一、何為第三代半導體

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

第二代半導體材料主要是指砷化鎵（GaAs）、磷化銦（InP）等化合物半導體材料，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合達到其性能極限；為了提升在高壓/高功率下器件的性能，第三代半導體材料應運而生。第三代半導體主要是碳化硅（SiC）和氮化鎵（GaN）。第二代和第三代半導體也稱作化合物半導體，即兩種元素組成的半導體材料，區(qū)別于硅/鍺等單質半導體。

二、SiC的主要性能優(yōu)勢

三代半導體材料之間的主要區(qū)別是禁帶寬度不同?，F(xiàn)代物理學描述材料導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劃分為導帶和價帶，導帶底和價帶頂?shù)哪芰坎罹喾Q為禁帶寬度，禁帶寬度的大小反映了價電子被束縛的強弱程度，即產(chǎn)生本征激發(fā)所需要的最小能量。價帶被電子填滿且導帶上無電子時，晶體不導電。當晶體受到外界能量激發(fā)（如高壓）時，價帶電子被激發(fā)到導帶成為自由電子，同時在價帶上失去電子的位置形成空穴（電子和空穴合稱“載流子”），晶體導電。

與第一二代半導體材料相比，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：不同半導體材料的禁帶寬度

資料來源：Cree官網(wǎng)

SiC禁帶寬度是Si的近3倍，其臨界擊穿場強是Si的7-10倍，具有更強的耐高壓、高功率能力；同時，由于高禁帶寬度，SiC可進行重摻雜，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，器件體積可變得更小，約為Si基器件的1/10。

資料來源：公開資料整理

三、SiC應用領域及市場規(guī)模

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

圖表：SiC器件主要用于高壓及高頻情形

資料來源：羅姆半導體

具體而言，SiC器件被廣泛應用于新能源汽車中的主驅逆變器、DC/DC轉換器，充電系統(tǒng)中的車載充電機和充電樁，光伏/風電等新能源發(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、軍事等其他諸多領域。

圖表：SiC器件的主要應用領域

資料來源：YoleDevelopment

其中，新能源汽車有望成為SiC器件最大的應用市場。根據(jù)現(xiàn)有技術方案，每輛新能源汽車使用的功率器件價值約700美元到1000美元。隨著新能源汽車行業(yè)的發(fā)展，對功率器件需求量日益增加，成為功率半導體器件新的增長點。

新能源汽車系統(tǒng)架構中涉及到功率半導體應用的組件包括：電機驅動系統(tǒng)、車載充電系統(tǒng)（OBC）、電源轉換系統(tǒng)（車載DC/DC）和非車載充電樁。SiC功率器件應用于電機驅動系統(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。美國特斯拉公司的Model 3車型采用以24個碳化硅MOSFET為功率模塊的逆變器，是第一家在主逆變器中集成全SiC功率器件的汽車廠商；SiC器件應用于車載充電系統(tǒng)和電源轉換系統(tǒng)，能夠有效降低開關損耗、提高極限工作溫度、提升系統(tǒng)效率，目前全球已有超過20家汽車廠商在車載充電系統(tǒng)中使用SiC功率器件；SiC器件應用于新能源汽車充電樁，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功率器件市場規(guī)模約3.9億美元，受新能源汽車龐大需求的驅動，以及電力設備等領域的帶動，預計到2027年SiC功率器件的市場規(guī)模將超過100億美元，SiC襯底的市場需求也將大幅增長。

圖表：SiC功率器件市場規(guī)模預測

數(shù)據(jù)來源：IHS Markit

四、SiC產(chǎn)業(yè)鏈

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

圖表：SiC產(chǎn)業(yè)鏈

資料來源：天科合達招股說明書

以SiC晶片為襯底，通常使用化學氣相沉積（CVD）方法，在晶片上淀積一層單晶形成外延片。其中，在導電型SiC襯底上生長碳化硅外延層制得SiC外延片，可進一步制成功率器件，應用于新能源汽車、光伏發(fā)電、軌道交通、智能電網(wǎng)、航空航天等領域；在半絕緣型SiC襯底上生長GaN外延層制得碳化硅基氮化鎵（GaN-on-SiC）外延片，可進一步制成微波射頻器件，應用于5G通訊、雷達等領域。

五、SiC行業(yè)主要廠商

目前，美、歐、日廠商在全球SiC產(chǎn)業(yè)中較為領先，其中美國廠商占據(jù)主導地位。隨著中美貿(mào)易戰(zhàn)的不斷升級，半導體芯片領域成為了中美必爭之地，三代半導體也必將成為競爭的焦點所在。相對于一二代半導體，國內(nèi)廠商對SiC研究起步時間與國外廠商相差不多，技術實力差距較小，因此國內(nèi)廠商有希望追上國外廠商，完成國產(chǎn)替代。

圖表：全球SiC主要廠商分布

資料來源：Yole Development

國內(nèi)廠商中，從事SiC生產(chǎn)設備的廠商主要有北方華創(chuàng)、中微公司、晶盛機電、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、山東天岳等；從事SiC外延生長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，包括華潤微、揚杰科技、泰科天潤、綠能芯創(chuàng)、基本半導體、上海詹芯等。

圖表：SiC產(chǎn)業(yè)鏈國內(nèi)外主要廠商

資料來源：公開資料整理

六、投資建議

SiC市場規(guī)模將隨著新能源汽車及光伏發(fā)電等行業(yè)的發(fā)展而快速增長。在SiC領域，目前國內(nèi)企業(yè)均處于初創(chuàng)期或者剛剛介入。傳統(tǒng)功率器件廠商華潤微、捷捷微電、揚杰科技、斯達半導、比亞迪半導體等，從硅基MOSFET、晶閘管、二極管、IGBT等切入SiC領域，但當前SiC器件營收規(guī)模都比較小，如揚杰科技2020年上半年SiC營收僅19.28萬元左右。國內(nèi)山東天岳、泰科天潤、深圳基本半導體、綠能芯創(chuàng)等非上市公司與國內(nèi)上市公司及國外公司相比，技術實力相差不多，量產(chǎn)及銷售規(guī)模也基本處于同一起跑線，一級市場存在較大的投資機會。建議重點關注具備SiC晶片、外延及器件一體化量產(chǎn)能力的IDM模式公司。