第三代半导体行业深度研究：电力电子器件领域，碳化硅大有可为
（报告出品方/作者：中国银河证券，高峰，王子路）
核心观点：
第三代半导体：更先进的材料，更优异的产品特性。第三代半导体材料是指带隙宽度达到2.0-6.0eV的宽禁带半导体材料，包 括了碳化硅（SiC）和氮化镓（GaN），是制造高压大功率电力电子器件的突破性材料。相比硅基，SiC材料在热导率、开关频 率、电子迁移率和击穿场强均具备优势，因此SiC材料具备更高效率和功率密度。从产业链来看，衬底是价值链核心，在成本 SIC SBD器件中，衬底价值量占比达到47%。我们认为，衬底价格下降是推动碳化硅产业链发展的核心环节，衬底行业的发展也 是未来SiC产业降本增效和商业化落地的核心驱动因素。
一第三代半导体：更先进的材料，更优异的产品特性
电力电子技术是能够有效利用功率器件、应用电路和设计理论及分析方法实现对电能的高效变换和控制一 门技术。电力电子技术始于20世纪70年代，经过40余年发展，目前已成为现在工业社会非常重要的支撑产 业之一。在大量实际应用场景下，例如农业生产、国防军工、航空航天、石油冶炼、核工业和新能源产业， 大到百兆直流输电装置，小到家用电器，均能看到电力电子装置的身影。
第三代半导体材料是继以硅（Si）和砷化镓（GaAs）为代表的第一代和第二代半导体材料之后，迅速发展 起来的宽禁带半导体材料。具体是指带隙宽度达到2.0-6.0eV的宽禁带半导体材料，包括了碳化硅（SiC） 和氮化镓（GaN）,从现阶段发展来看，GaN材料更适合1000V以下电压等级，高开关频率的器件，相比之下， SiC材料及器件能用在10kV以下应用场景，更适合制作高压大功率电力电子装置，且目前SiC功率器件商业 化落地速度极快。
SiC应用场景多用于制作功率和射频器件
从SiC材料适用范围来看，碳化硅器件可广泛应用于高压、高频和大电流场景，因此十分适合光伏、新能 源车和5G通信领域。从电化学性质差异来看，SiC衬底材料可以分为导电型衬底（电阻率区间15~30mΩ·cm）和半绝缘型衬底 （电阻率高于105Ω·cm），在不同衬底片上生长GaN外延制成HEMT等微波射频器件，应用于5G通信、卫星 、雷达等领域。在导电型衬底片上生长SiC外延层，通过进一步加工制成SiC SBD，SiC MOSFET等功率器件， 应用于新能源车电驱电控、OBD和DC/DC，光伏逆变电站、轨交、电网和航空领域。
相比硅基材料，SiC材料特性优势
SiC的发现始于1824年的瑞典科学家J.J.Berzelius，但是鉴于当时硅（Si）技术的卓越发展，SiC的研究 工作没有再进一步。直到20实际90年代，Si基电力电子装置出现了性能瓶颈，再次激发了相关机构对SiC 材料的研究兴趣。由于Si和C之间的共价键比Si原子之间的要强，因此SiC材料要比Si材料具备更高的击穿电场强度、载流子 饱和漂移速率、惹到行和热稳定性。SiC具有250多种不同晶体结构，但目前能商业化落地只有4H-SiC和 6H-SiC，由于4H-SiC相比6H-SiC具备更高载流子迁移率，因此成为SiC基电力电子器件的首选。
在功率转换应用场景，SiC器件表现出绝对优势
在同电压场景下，宽禁带半导体能做到更薄和更低的电阻。相同规格的SiC基MOSFET和Si基MOSFET相比， 导通电阻降低为1/200，尺寸减小为1/10；相同规格的使用SiC基MOSFET的逆变器和使用Si基IGBT相比，总 能量损失小于1/4。在OBC充电桩场景下，SiC更高的击穿电场强度，极低的导通电阻使得SiC能在22kW快充条件下实现更少期 间数量和更高运行效率。在使用SiC材料情况下，相同功率条件下，期间个数也由22只硅基IGBT减少至14 只SiC MOSFET。
产业链现状：衬底为价值链核心，呈现供不应求局面
在成品SIC SBD器件占比中，衬底、外延和前段开发公司占比47%、23%和19%，主要原因系长晶缓慢且良率 偏低，同时鉴于材质等物理特性原因，切割破损率高进一步推高器件整体成本。目前导电型SiC衬底以n型 衬底为主，外延GaN基LED等光电子器件、SiC基电力电子器件等，半绝缘SiC衬底主要用于外延制造GaN高 功率射频器件。我们认为未来SiC衬底价格下降是推动碳化硅产业链发展的核心环节，衬底行业的发展也是未来SiC产业降 本增效和商业化落地的核心驱动因素。
二市场空间仍待开发，产业链成熟度逐步提升
SiC行业正处于加速成长期，市场规模快速增长
第三代半导体行业加速发展，新能源产业链为增长驱动核心竞争力。尽管第三代半导体发现时间很早，但 受制于成本和产业链不成熟等因素并未实现大规模商业化落地，2019年，以GaN-on-SiC等射频器件的推广， 对设备开发，衬底和外延技术的推动形成了正向反馈。同时Wolfspeed已完成8英寸SiC衬底片的流片，6英 寸产业链大规模商业化落地已逐步成型。 同时SiC功率器件广泛用于新能源汽车、光伏、轨道交通等领域，未来市场增速能够得到保证。同时国内 市场也有多家企业布局SiC产业，未来市场竞争格局将持续深化。
市场空间：预计27年市场空间将超过60亿美元
预计27年市场空间将超过60亿美元。根据Yole测算，仅碳化硅器件中的功率器件的市场规模将从2021年的 10.90亿美金增长至2027年的62.97亿美金，复合年增长率约34%。从细分行业来看，新能源产业链和充电基础设施将为增长最快领域。
需求：新能源车领域将是SiC器件需求最大领域
SiC器件主要应用在车载充电器、DC/DC转换器和主驱逆变器上。在2017年之前车载充电器主要以SiC SBD 为主，而在2017年后SiC SBD和SiC MOSFET的方案已经成熟。在2018年，DC/DC转换器也由Si MOSFET逐渐 变成以SiC MOSFET为主。 特斯拉（Tesla）在2018年，将Model 3车型的主驱动逆变器中已经使用了SiC MOSFET，将Si IGBT替换为 SiC器件后，新能源汽车逆变器效率可以大幅提升，相同续航下对电池容量需求降低，以及实现系统冷却 体积和重量的优化，有效降低SiC器件本身带来的成本增加。
三海外厂商为主导，国内企业正加速追赶
行业竞争：海外已突破8英寸节点，国内呈现后发优势
衬底市场海外走向8英寸，在导电型衬底仍有提升空间。目前国际主流企业 WolfSpeed、II-VI 和 ST意法均已进入8英寸样品的研发。国内企业还处于4、6英寸衬底导入阶段，借鉴海外市场成熟经验， 购买相关设备和专利。 在全球半绝缘衬底材料领域，天岳先进市场份额以达到30%，进入全球前三；在导电型SiC市场仍然以 海外市场主导，国内单一企业市场占有率均不足1%，仍有较大市场空间。
第三代半导体有望在国家支持下快速发展
第三代半导体有望在国家支持下快速发展。我国的“中国制造2025”计划中明确提出要大力发展第三代半 导体产业。2015年5月，中国建立第三代半导体材料及应用联合创新基地，抢占第三代半导体战略新高地， 对推动我国第三代半导体材料及器件研发和相关产业发展具有重要意义。我们预计，未来几年在5G及新能 源车快速推广和渗透的背景下，第三代半导体将迎来较快增长，相关领域将迎来来更大力度、更有针对性 的支持。
四渗透率提升市场空间打开，短期分歧不改长期趋势
分歧：长期系统成本降低VS短期单一器件成本
目前车厂主驱逆变由IGBT模块切换成SiC的首要障碍是成本。从逆变器角度来说，当前碳化硅逆变器本身 模块价格是硅基的2-3倍，英飞凌HPD 1000-1500元，SiC模块4500元。若采用双电机驱动，单车成本上市 幅度就要增加6000-7000元，同时SiC功率模块不匹配的CTE(热膨胀系数)容易使各层相互分离,引发器件失 效，因此需要合适的封装和系统集成创新方案。 尽管在整体集成上，PCB板用料减少、散热器件减少等会降低成本，但是目前应用SiC晶圆价格仍保持每年 5%-10%左右下降，短期单一器件价格仍存下降空间。
长期衬底价格下降，SiC器件接受度和渗透率迎提升
衬底制备技术成熟度带动良率提升、SiC厂商扩产带来的供给量上升、产线向大尺寸晶圆转移，三大因素 导致单SiC衬底片价格呈下降趋势。根据CASA预测，预计到未来5年，SiC衬底价格以每年5%-10%下降。 随着SiC衬底价格下降，下游客户对SiC器件带来的性能提升接受度提升，价格敏感度下降，导致SiC器件 渗透率高速提升。根据Yole数据预测，预计到2025年，全球功率器件中，SiC器件渗透率将达到11.6%，突 破10%，预计到2027年，渗透率突破15%。
分歧：制造环节仍需打破壁垒
SiC材料特性会面临工艺难题和产业化难题。碳化硅的瓶颈主要在工艺上，芯片制造需要使用到碳膜溅射 机、高温退火炉、高温离子注入机等专用设备。 例如，SiC无扩散，渗杂需要高能注入，一般注入能量在300keV，甚至需要打二阶到700keV以上，这会造 成工艺制造成本高、流片效率低，SiC芯片制造过程中需高温注入，且还要高温化退火工艺。其次，栅氧 工艺需要面对碳原子的反应，会形成碳相关杂质，需要高温氧化工艺，皇冠级难度，由于硅产业无法借鉴， 工艺摸索、设备配套较局限，高温炉子易受污染，长期稳定性差。
分歧：IDM商业模式VS战略合作
硅基半导体已经形成了高度垂直分工的产业运作模式。但与硅基半导体产业不同，SiC 产业目前来看，主 要是以IDM模式为主。SiC产业目前以IDM模式为主的主要原因：1) 设备相比硅晶圆制造较为便宜，产线资 本投入门槛相对较低；2) 受益于成熟的半导体工艺，SiC 器件设计相对不复杂；3) 掌握上下游整合能力 可以加速产品迭代周期，有效控制成本以及产品良率。 目前包括Wolfspeed、ST意法、罗姆均采用了IDM模式，国内三安光电、泰克天润、基本半导体等也在努力 布局全产业链，持续完善垂直整合能力，强化竞争力。
报告节选：
（本文仅供参考，不代表我们的任何投资建议。如需使用相关信息，请参阅报告原文。）
精选报告来源：【未来智库】系统发生错误
东芝仅存的“半导体”梦——电力半导体的庐山真面目
2018年6月东芝出售“核心”半导体储存器业务，即“东芝储存器”。当时其还占据着大半东芝盈利来源，反对声也不少，只是随着数据中心或手机等的储存器需求下滑，东芝2019年1～3月的收益情况已经出现了284亿日元的巨额亏损。另一方面，东芝仅存的部分半导体业务也开始面临崩溃。
距东京羽田机场大概1小时的路程，从小松机场出发则需要30分钟的车程，那时你能看到一处占地面积约为23万名方米，聚集了最先进工厂的地方，这里就是东芝制造离散元件半导体的本部，加贺东芝电子（石川县能美市），一家已经多年采取24小时工作模式的工厂。
车用电力半导体的推进
东芝旗下最为畅销的是一批名为电力半导体的产品，即起交流和直流、节电、切换开关作用的半导体，它不像LSI（大型集成电路）那样有各种半导体组成的复杂功能，也没有大容量的记忆储存。若将其比作人体的一部分的话，LSI的储存器或CPU就是人的大脑，而电力半导体就是协助人体运动的肌肉，距离心脏最近的地方。
电力半导体中也有推进汽车运作的车用半导体，为响应环境规制，混合机型（HV）、电动汽车（EV）等的使用也在不断普及，其搭载的变流器的需求也越来越大。由于电动汽车中使用的发动机并不是常见的引擎，又十分耗电。若能在其中搭载电力半导体，它便能根据情况将引擎转数调至最合适的状态，从而达到省电的效果。
世界调查企业高德纳预测，自2017年至2022年世界半导体市场年平均增长率为5.1%。相较于上下起伏不定的储存器，包括电力半导体在内的半导体市场（除储存器）均处于蒸蒸日上的状态。
加贺东芝电子的社长德永英生说道：“车用产品需要的不仅仅是对品质的绝对重视。还需要长期稳定的供给。我们公司对于这样需求的能力可是很强的。”“接下来我们会降低储存器的价格，提高功率半导体的价格。”
5月份，记者到访加贺东芝，当时工厂的第2制造楼正在生产着车用型直径为200毫米（8英寸）的半导体芯片。硅芯片的表面覆盖着酸化膜，熔接前曝光光掩模，为有效隔绝一切微小尘埃或杂物，该流程均在无尘环境下进行。
无尘房进深126米，宽72米，宛若一个巨大的足球场，身穿白衣的工作人员们在里面来来回回地走着。车间作业的种类多达5000种，现在其模式是由最新的RFID（无线自动识别）列表等自动识别读取产品信息，即使是新手也很难出现人为失误。
预计今后还会扩大设备，预计相比2017年2020年的功电力导体的生产能力提高5成。关于未来的打算，（德永社长说）“虽有余地，但还没确定下来建新工厂的事”，但往后会将工厂建设纳入规划中的。
中国、韩国加入电力半导体受限
相对于产量大的储存器来说，电力半导体则是多品种少生产，中国、韩国的制造商在加入电力半导体业务时也因此受限，向电力半导体伸手的还有富士电器和三菱电器，但其二者的业绩却是顺风顺水的还有同德国因菲尼奥等的竞争；日本企业已经形成了超强的“最后的半导体领域”，东芝今后的发展更是前途无量。
4月东芝的会长兼CEO（经营管理最高责任人）车谷畅阳直接到访增设中的无尘房，并不断鼓励职员们，为他们加油。在今年1月的周刊东洋经济中，车谷会长说道：“走半导体这条路是没错的，往后也会继续走下去，也希望能就此占据技术首位，扩宽领域。”在东芝的新中期经营计划“东芝Next计划”中，其也将成为协助东芝成长的支柱之一。
然而，东芝需要面临的问题也是不少的。东芝仅存的半导体中系统LSI正处于危机之中。2017年出现赤字；2018年也没能研发出面向数据中心等的新品，又因中国市场减速的影响，依旧赤字；2019年裁员350人耗资64亿日元。虽以黑字为奋斗目标，但前进方向还是一片迷茫。
加贺东芝的德永社长补充道：“我们出品的离散元件和半导体、系统LSI等都是为了每位用户精心耗时耗资打造的，可结果却不理想，其负面影响也可想而知。”
丰田自动驾驶系统也将采用东芝旗下LSI系统
原本是强化系统LSI中的图像辨识装置“Visconti”，有了高精度的图像辨识技术，便又向实现自动驾驶前进了一步，还能让其材料内容得以保密。也因此得到了DENSO的高度评价，丰田汽车也决定将其引进自动驾驶相关的系统中。
最新的“Visconti4”已经被用于相机的摄影处理，自动汽车在行驶期间对车线、车辆、行人、标识、自行车、相向驶来车辆的打灯等的识别中。还有刹车和调整车速的功能。预计2019年9月发布首次搭载AI（人工智能）的“Visconti5”的样品。
预计2019年东芝的半导体业务销售额将达到3430亿日元（相比前期减少3%），营业利润为300亿日元（前期为2亿日元）。关于共同结算的比例分别占主要业务的1成、2成。如今，东芝储存器是否还能力挽狂澜在仅存的半导体产品中抢回主导地位呢？让我们拭目以待吧！1
相关问答
以下说法正确的是()A. 半导体 具有良好的导电性能B.超导体是一...[最佳回答]A、半导体的导电性能比导体的导电性能要差,不符合题意;B、超导材料是一种电阻为零的材料,不符合题意;C、纳米技术是小尺度范围内的科学技术,不符合...
节后最热门的板块是哪一个?鸿蒙， 半导体 ，券商， 电力 ，白酒?抛弃白酒,远离白酒!!任何白酒,都是“夕阳产业”!!……因为,任何白酒,“用途与作用”都是:直接导致“昏沉、摧毁免疫力、不孕症、七种癌症、伤残与死亡…...抛...
电力半导体 器件IGBT有哪些特点?IGBT的主要优点有:1、IGBT在正常工作时,导通电阻较低,增大了器件的电流容量。2、IGBT的输出电流和跨导都大于相同尺寸的功率MOSFET。3、较宽的低掺杂漂移区...
