产业｜第三代半导体材料，电子产业发展的新动力|碳化硅_新浪财经

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中国建投成员企业建投投资/建投华文

作者：魏中

本文5260字，阅读时间约14分钟

在当前全球科技竞争日趋激烈的背景下，第三代半导体材料因其在高温、高压、高频等极端环境下的卓越性能，成为了国际竞争的新焦点。近期，这一领域的发展动态和国际竞争态势愈发引人关注。美国对中国半导体产业的制裁措施不断升级，进一步加剧了全球半导体供应链的紧张局势。

同时，全球第三代半导体材料市场规模持续增长，技术和市场规模均保持高速发展，预计到2029年市场规模可达218亿美元。在中国，第三代半导体材料被明确列为国家战略科技力量的重点发展方向，国家及31省市均出台了相关政策，以支持该产业的发展。

在此背景下，本文将分析第三代半导体材料的关键技术、市场应用以及全球产业链竞争格局，同时探讨国内第三代半导体产业的竞争现状，并提出相应的投资建议。通过这篇文章，我们将一同洞察第三代半导体材料的发展趋势，把握行业发展的新机遇。

历代半导体材料

目前半导体材料已进入第三代的研发应用，每代材料之间是互补的关系而不是完全替换的关系，不同材料适用于不同应用场景，当前90%以上的半导体材料仍为第一代材料硅（Si）。

（1）第一代半导体材料：硅（Si）、锗（Ge）

第一代半导体材料以硅、锗为主。20世纪50年代，锗在半导体中占主导地位，主要应用于低压、低频、中功率晶体管以及光电探测器中，但受制于耐高温、抗辐射性能较差，到20世纪60年代后期逐渐被硅器件所取代。用硅材料制造的半导体器件，耐高温和抗辐射性能较好，且硅在自然界储量丰富，生产制备工艺成熟，可有效控制成本，因此，目前90%以上的半导体芯片仍采用硅为材料，未来很长一段时间，硅仍然会是制造芯片的主流材料。

（2）第二代半导体材料：砷化镓（GaAs）、磷化铟（InP）

20世纪90年代以来，随着移动通信的飞速发展、以光纤通信为基础的信息高速公路和互联网的兴起，以砷化镓、磷化铟为代表的第二代半导体材料开始崭露头角，半导体材料正式进入化合物时代。相较于传统硅材料，砷化镓、磷化铟带隙更宽、电子迁移率更高，更适用于制作高速、高频、大功率以及发光电子器件，主要应用于微电子和光电子领域，微波功率器件、低噪声器件、发光二极管、激光器、光探测器等器件制造。

（3）第三代半导体材料（宽禁带半导体）：碳化硅（SiC）、氮化镓（GaN）、氧化锌（ZnO）

与第一、二代半导体材料相比，以碳化硅、氮化镓为代表的第三代半导体材料具有更宽的带隙、更高的导热率、更高的抗辐射能力、更大的电子迁移率等特性，在高温、高压、高频率等环境下有着良好的表现，主要应用于新能源汽车、5G宏基站、光伏、风电、高铁等领域。然而，第三代半导体材料生长较为困难，制备成本较高，良品率低，碳化硅晶体管的价格大约是硅基晶体管的4倍；因此在大范围推广使用上仍具有较大阻力。

历代半导体材料主要性能参数

资料来源：公开资料整理

半导体材料性能参数

影响半导体材料性能最重要的两个参数为高载流子迁移率（即“电子迁移率”）和带隙，由于硅在这两个方面参数较低，无法满足部分场景应用，因此第三代半导体材料应运而生。

（1）电子迁移率

电子迁移率是描述电子在电场作用下移动能力的物理量。电子在移动时会有概率与原子碰撞，导致一部分能量从电子转移到原子，加剧了原子热运动，最终以热量的形式浪费掉这部分能量。晶体管作为开关时，材料迁移率越高，其延迟越短，开关速度也就更快，对于计算机而言其运算速度也就越快，因此半导体材料的电子迁移率越高，代表着更低的能耗、更快的运算速度。

（2）带隙（禁带宽度）

不同原子的外层电子间可以形成共价键，这些电子被称为价电子，能量范围被称为价带。价电子在获得外部能量后会摆脱原子核束缚，跃迁为自由电子，其能量范围被称为导带。导带和价带间的能量差被称为带隙，带隙越宽，电子跃迁难度越大。半导体材料带隙越宽，意味着能承受更高的电压和温度。

第三代半导体材料关键生产工艺

（1）碳化硅衬底生产工艺

碳化硅衬底是以高纯碳粉、高纯度硅粉为原料合成碳化硅粉，在特殊温场下生长的碳化硅晶锭，后续经过多道工序加工而成，约占碳化硅功率半导体器件成本的47%。其中晶锭的生长和晶锭的切割、研磨、抛光、测量工艺是最为关键的技术。

受制于碳化硅晶锭生长限制，目前碳化硅晶圆尺寸基本以6寸为主，头部企业逐步开始量产8寸，较小的晶圆尺寸，也限制了生产效率和良品率。

（2）碳化硅外延生产工艺

碳化硅外延是仅次于衬底的关键技术，约占碳化硅功率半导体器件成本的23%，外延是在碳化硅衬底表面上生产一层与衬底晶体相同的单晶薄膜，碳化硅外延与晶体生长方法相近，所有碳化硅衬底均需要外延处理。

外延工艺示意图

资料来源：投资华文整理

外延的质量受晶体和衬底加工的影响，而外延的质量又对器件性能的影响非常大。外延同样也有两个重要参数：厚度和掺杂浓度均匀性。简单可以理解为外延的厚度越厚、掺杂浓度均匀性越高，器件承受的电压也就越大，制备难度也就越高，因此高压功率器件制备难度远高于中低压功率器件，目前国内在中低压领域产品性能已接近国际先进水平，而在高压器件领域与国际先进水平仍有差距。

第三代半导体材料下游应用

根据Yole数据统计，2022年全球碳化硅、氮化镓功率半导体市场规模18.8亿美元，其中碳化硅占比87%，约为16.35亿美元，氮化镓占比13%，约为2.45亿美元。预计到2027年，全球碳化硅器件市场规模为62.97亿美元，复合增速为30.96%，汽车市场碳化硅器件复合增速为35.42%。

氮化镓在生活中主要应用于各种快充头，开关频率高、损耗低、体积小，适合做电源芯片。

氮化镓应用示例

资料来源：投资华文整理

碳化硅器件由于精准打击到了电动车的痛点，被广泛应用于电动车行业，电动车的电池输出是直流电，但是汽车电机马达是交流电驱动（直流发电机比交流发电机结构复杂，而且比交流发电机多发故障，电磁干扰很严重，因此都采用交流发电机），需要用到逆变器（将动力电池的直流电转为交流电供应电机）、OBC（车载充电机，可在直流/交流互相转换为动力充电或用电）、DC/DC（可改变直流电的电压高低，车载通常将高压直流电转为低压直流电）等设备，以上设备控制模块都需要使用大量的功率模块，此前车企主要采用的是硅基的MOS管和IGBT，由于碳化硅弥补了硅基MOS管和IGBT的缺点，提高了产品性能和功耗，而且耐热、耐高温、耐高压（意味着汽车充电速度加快）、开关和导通损耗远小于硅，功耗优势明显（提高了电动车的续航里程），因此被广泛应用于电动车，是目前碳化硅器件最重要的应用场景。

第三代半导体材料下游应用

资料来源：Yole，公开资料

全球第三代半导体产业链竞争格局

全球第三代半导体产业链布局情况

资料来源：投资华文整理

从产业链布局来看，海外龙头起步较早，在产业链各环节占主导地位，其中美国的Wolfspeed和日本的罗姆公司覆盖衬底到器件全部产业链；贰陆公司覆盖衬底+外延产业链，意法半导体、英飞凌和安德森则专注半导体器件制造。国内企业布局方面，尚未有半导体企业能进行全产业链布局，在衬底端，国内代表企业主要为天科合达、天岳先进；在外延端，代表企业为瀚天天成和东关天域；在半导体器件端，有着比亚迪、闻泰科技（维权）、三安光电、士兰微等企业。

根据Yole数据统计，2022年衬底和外延市场规模为5.54亿美元，其中衬底方面，市场前两名分别是Wolfspeed（53%）和美国贰陆公司（19%），我国本土企业起步较晚，在导电型衬底的全球市占率较低，但是在半绝缘型衬底全球市占率方面，我国的天岳先进排在Wolfspeed 和贰陆公司之后，位居第三，处于国内领先水平；外延方面，2020年Wolfspeed与昭和电工分别占据全球碳化硅导电型外延片市场52%和43%的市场份额，形成双寡头垄断。国内SiC外延厂商较少，全球市占率较低。

在碳化硅/氮化镓器件方面，根据Yole数据统计，全球碳化硅/氮化镓器件市场为18.8亿美元，其中意法半导体市场份额为37%、英飞凌为19%、Wolfspeed为16%、安森美为12%、罗姆为8%。国内从事器件生产的企业虽然数量较多，但全球市占率较低。

国内第三代半导体产业竞争格局

（1）竞争格局-碳化硅（SiC）

目前国内有数十家公司从事SiC相关业务，依据企业的技术进步、产业布局等综合方面综合判断，可将当前参与SiC的企业分为3个竞争梯队。其中，三安光电、天域半导体、比亚迪属于第一梯队，这些企业在第三代半导体材料产业上拥有较为完整的产业链，可以实行碳化硅基芯片及器件的生产制造；天岳先进、世纪金光、中国电科55所等企业处于第二梯队，这些企业在第三代半导体材料产业中的某个制造环节具备出色表现，如天岳先进具备生产8英寸碳化硅衬底的生产能力；其他参与的企业属于第三梯队。

国内SiC企业梯队

资料来源：投资华文整理

在衬底市场方面，国内企业主要量产产品尺寸集中在4英寸及6英寸，8英寸处于研发阶段。SiC衬底厂商包括天科合达、天岳先进、烁科晶体、同光股份、三安集成、南砂晶圆、东尼电子（维权）、晶盛机电等产能稳步释放；合盛新材、乾晶半导体等新进入者也在积极跟进。

在外延市场方面，国内市场外延环节多以单环节为主，企业数量虽然不多但规划产能较大。国内纯外延产业化比较成熟的企业有东莞天域和瀚天天成，其已研制成功6英寸碳化硅外延片，且基本实现商业化。同时，中电化合物、普兴电子、南京百识等也在稳步扩产。

在生产设备方面，截至2023年底，中国碳化硅外延设备市场主要由五家厂商占据，依次为北方华创（19.3%）、晶盛机电（19.1%）、LPE（19%）、纳设智能（17.8%）以及中国电科第48研究所（12.5%），CR5合计占据超85%市场份额，其中北方华创、晶盛机电、纳设智能处于本土领先地位。

在碳化硅器件方面，国内市场格局仍由海外巨头主导，以意法半导体、英飞凌、科锐、罗姆半导体等为代表的企业占据了大部分市场份额。国内主导企业有三安集成、比亚迪半导体、芯联集成、积塔半导体、长飞先进、中电科55所、时代电气、泰科天润、华润微、士兰微等。2024年以来，泰科天润、扬杰科技、天科合达、同光股份、东尼电子、连城数控、重庆三安等企业相继签约碳化硅功率器件/模块项目，国内碳化硅企业市场占有率正快速提升。

（2）竞争格局-氮化镓（GaN）

目前国内相关企业和机构约有30家。其中半绝缘SiC衬底供应商主要有天岳先进、烁科晶体、同光股份等；外延、芯片和器件企业有英诺赛科、三安光电、格恩半导体、广西飓芯等。

在半绝缘型衬底方面，国内市场高度集中，Wolfspeed、贰陆公司、天岳先进三家企业市场占比高达85%。由于新能源汽车的销量不断增加，导电型衬底市场需求强劲，天岳先进、烁科晶体正在将产品生产重点从半绝缘转向导电型。

在GaN射频器件方面，国内头部企业为英诺赛科，其拥有全球最大的8英寸硅基氮化镓晶圆制造产能。根据集邦咨询数据显示，以2022年的营收排名，英诺赛科市占率16%，排名第三，仅次于Power Integrations（20%）和Navitas（17%），除此之外，国内的江苏能华、润芯微、镓未来、安世半导体等企业营收也都在千万级别。

投资建议

采用第三代半导体材料的功率器件市场将持续增长。根据Canalys预测，2024年全球新能源汽车市场将增长27%，达到1,750万辆。中国汽车工业协会同样预测，2024年我国新能源汽车销量将达到1,500万辆。此外全球光伏储能装机量尽管增速放缓,但在未来几年内仍旧保持增长，以及随着消费电子市场恢复增长都将带动第三代半导体产业的快速发展。

随着国际龙头6寸产能全面释放，8寸供给逐步提升，以及“SiC+GaN”双业务模式的并行发展，国际龙头的技术研发、生产制造、市场拓展等竞争优势将进一步凸显。国内方面，尽管SiC衬底企业已经进入国际供应链，且具有一定的市场占有率，但产品品质仍待提升；在器件端，国内产品仍以中低压器件为主，主要应用于光伏储能、消费电子等市场，在新能源汽车领域，国产芯片仍在起步阶段，未来国产替代空间广阔。因此建议关注如下：

（1）关注具有6寸及以上碳化硅衬底生产能力的企业

目前国内主要是4寸碳化硅衬底，6寸相比国外尚未大批量生产。从良品率、成本来看，6寸及以上具有更好的优势，但生产技术难度也进一步提升，因此建议关注具有6寸及以上碳化硅衬底生产能力的企业。

（2）关注具有中高压硅外延生产能力的企业

导电型外延片主要用于电动车领域，95%以上的市场份额被美日垄断，国产企业具有广阔的替代空间，其中外延厚度越厚，制备难度越高，器件可承受的电压越高，目前国内在高压器件领域落后明显，因此建议关注具有中高压硅外延生产能力的企业。

（3）关注具有高压功率器件设计能力的企业

目前国内在中低压功率器件应用领域较为成熟，但是在高压功率器件领域落后较大，由于碳化硅的外延的厚度和掺杂浓度均匀性，主要取决于器件的设计，因此可关注具有高压功率器件设计能力的企业。

（4）关注具有第四代超宽禁带半导体材料研发的企业

我国在第三代半导体材料起步较晚，落后于海外企业，且第三代半导体材料缺陷是硅基的数百倍，工艺制备难度极大，良品率、产量短期内难以提高，但在第四代半导体材料的研发方面，我国起步与海外相近，并且取得了丰硕成果，未来具备弯道超车的可能性，可关注具有第四代超宽禁带半导体材料研发的企业。

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