半導(dǎo)體行業(yè)經(jīng)過近六十年的發(fā)展，半導(dǎo)體材料經(jīng)歷了三次明顯的換代和發(fā)展。第一代半導(dǎo)體材料主要是指硅、鍺元素等單質(zhì)半導(dǎo)體材料；第二代半導(dǎo)體材料主要是指化合物半導(dǎo)體材料，如砷化鎵、銻化銦；第三代半導(dǎo)體材料主要分為碳化硅SiC和氮化鎵GaN，相比于第一、二代半導(dǎo)體，其具有更高的禁帶寬度、高擊穿電壓、電導(dǎo)率和熱導(dǎo)率，在高溫、高壓、高功率和高頻領(lǐng)域?qū)⑻娲皟纱雽?dǎo)體材料。
資料來源：中商產(chǎn)業(yè)研究院整理
半導(dǎo)體材料是半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)鏈上游中的重要組成部分，在集成電路、分立器件等半導(dǎo)體產(chǎn)品生產(chǎn)制造中起到關(guān)鍵性的作用。第三代半導(dǎo)體材料以氮化鎵和碳化硅、氧化鋅、氧化鋁、金剛石等為代表。目前比較成熟的有碳化硅（SiC）、氮化鎵（GaN）等。因此本文主要研究碳化硅（SiC）、氮化鎵（GaN）兩大第三代半導(dǎo)體襯底材料。
其中，碳化硅產(chǎn)業(yè)鏈環(huán)節(jié)主要有襯底片、外延片和器件環(huán)節(jié)。從事襯底片的國內(nèi)廠商主要有露笑科技、三安光電、天科合達(dá)、山東天岳等；從事碳化硅外延生長的廠商主要有瀚天天成和東莞天域等；從事碳化硅功率器件的廠商較多，包括華潤微、揚(yáng)杰科技、泰科天潤、綠能芯創(chuàng)、上海詹芯等。
氮化鎵產(chǎn)業(yè)鏈與碳化硅產(chǎn)業(yè)鏈環(huán)節(jié)無較大差別，同樣分為襯底、外延片和器件環(huán)節(jié)。盡管碳化硅被更多地作為襯底材料，但國內(nèi)仍有從事氮化鎵單晶生長的企業(yè)，主要有蘇州納維、東莞中鎵、上海鎵特和芯元基等；從事氮化鎵外延片的國內(nèi)廠商主要有三安光電、賽微電子、海陸重工、晶湛半導(dǎo)體、江蘇能華、英諾賽科等；從事氮化鎵器件的廠商主要有三安光電、聞泰科技、賽微電子、聚燦光電、乾照光電等。
在第三代半導(dǎo)體材料產(chǎn)業(yè)鏈制造以及應(yīng)用環(huán)節(jié)上，SiC可以制造高耐壓、大功率電力電子器件如MOSFET、IGBT、SBD等，用于智能電網(wǎng)、新能源汽車等行業(yè)。與硅元器件相比，GaN具有高臨界磁場、高電子飽和速度與極高的電子遷移率的特點，是超高頻器件的極佳選擇，適用于5G通信、微波射頻等領(lǐng)域的應(yīng)用。
一、第三代半導(dǎo)體材料產(chǎn)業(yè)鏈之碳化硅
近年來，以碳化硅為代表的第三代半導(dǎo)體材料在禁帶寬度、擊穿電場強(qiáng)度、飽和電子漂移速率、熱導(dǎo)率以及抗輻射等關(guān)鍵參數(shù)方面具有顯著優(yōu)勢，進(jìn)一步滿足了現(xiàn)代工業(yè)對高功率、高電壓、高頻率的需求。以碳化硅為襯底制成的功率器件相比硅基功率器件具有優(yōu)越的電氣性能，具體如下：
正是由于碳化硅器件具備的上述優(yōu)越性能，可以滿足電力電子技術(shù)對高溫、高功率、高壓、高頻及抗輻射等惡劣工作條件的新要求，從而成為半導(dǎo)體材料領(lǐng)域最具前景的材料之一。
近年來碳化硅晶片作為襯底材料的應(yīng)用逐步成熟并進(jìn)入產(chǎn)業(yè)化階段，以碳化硅晶片為襯底，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)電型碳化硅襯底上生長碳化硅外延層制得碳化硅外延片，可進(jìn)一步制成功率器件，應(yīng)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(lǐng)域；在半絕緣型碳化硅襯底上生長氮化鎵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。
碳化硅晶片經(jīng)外延生長后主要用于制造功率器件、射頻器件等分立器件。可廣泛應(yīng)用于新能源汽車、5G通訊、光伏發(fā)電、軌道交通、智能電網(wǎng)、航空航天等現(xiàn)代工業(yè)領(lǐng)域，在我國“新基建”的各主要領(lǐng)域中發(fā)揮重要作用。
（一）功率器件
碳化硅功率器件被廣泛應(yīng)用于新能源汽車中的主驅(qū)逆變器、DC/DC轉(zhuǎn)換器、充電系統(tǒng)中的車載充電機(jī)和充電樁等，光伏、風(fēng)電等領(lǐng)域。受益新能源汽車的放量，碳化硅功率器件市場將快速增長。根據(jù)Yole數(shù)據(jù)，2018年和2024年碳化硅功率器件市場規(guī)模分別約4億和50億美元，復(fù)合增速約51%，按照該復(fù)合增速，2027年碳化硅功率器件市場規(guī)模約172億美元。
碳化硅材料市場規(guī)模預(yù)測
資料來源：Cree官網(wǎng)、光大證券
功率器件是電力電子行業(yè)的重要基礎(chǔ)元器件之一，廣泛應(yīng)用于電力設(shè)備的電能轉(zhuǎn)化和電路控制等領(lǐng)域。作為用電裝備和系統(tǒng)中的核心，功率器件的作用是實現(xiàn)對電能的處理、轉(zhuǎn)換和控制，管理著全球超過50%的電能資源，廣泛用于智能電網(wǎng)、新能源汽車、軌道交通、可再生能源開發(fā)、工業(yè)電機(jī)、數(shù)據(jù)中心、家用電器、移動電子設(shè)備等國家經(jīng)濟(jì)與國民生活的方方面面，是工業(yè)體系中不可或缺的核心半導(dǎo)體產(chǎn)品。碳化硅功率器件以其優(yōu)異的耐高壓、耐高溫、低損耗等性能，能夠有效滿足電力電子系統(tǒng)的高效率、小型化和輕量化要求，在新能源汽車、光伏發(fā)電、軌道交通、智能電網(wǎng)等領(lǐng)域具有明顯優(yōu)勢。
資料來源：YoleDevelopmen
1、碳化硅功率器件在電動車領(lǐng)域應(yīng)用
碳化硅功率器件定位于1KW-500KW之間，工作頻率在10KHz-100MHz之間的場景，特別適用于對于能量效率和空間尺寸要求較高的應(yīng)用，如電動汽車充電機(jī)、充電樁、光伏逆變器、高鐵、智能電網(wǎng)、工業(yè)級電源等領(lǐng)域，可逐漸取代硅基MOSFET和IGBT。
資料來源：國泰君安、中商產(chǎn)業(yè)研究院整理
2、碳化硅功率器件在光伏領(lǐng)域應(yīng)用
根據(jù)天科合達(dá)招股書顯示，在光伏發(fā)電應(yīng)用中，基于硅基器件的傳統(tǒng)逆變器成本約占系統(tǒng)10%左右，卻是系統(tǒng)能量損耗的主要來源之一。使用碳化硅MOSFET或碳化硅MOSFET與碳化硅SBD結(jié)合的功率模塊的光伏逆變器，轉(zhuǎn)換效率可從96%提升至99%以上，能量損耗降低50%以上，設(shè)備循環(huán)壽命提升50倍，從而能夠縮小系統(tǒng)體積、增加功率密度、延長器件使用壽命、降低生產(chǎn)成本。高效、高功率密度、高可靠和低成本是光伏逆變器的未來發(fā)展趨勢。在組串式和集中式光伏逆變器中，碳化硅產(chǎn)品預(yù)計會逐漸替代硅基器件。
數(shù)據(jù)來源：CASA、中商產(chǎn)業(yè)研究院整理
3、碳化硅功率器件在軌道交通應(yīng)用
軌道交通車輛呈現(xiàn)多樣化發(fā)展，從運(yùn)行狀態(tài)上可分為干線機(jī)車、城市軌道車輛、高速列車，其中城市軌道車輛和高速列車是軌道交通未來發(fā)展的主要動力。軌道交通車輛中大量應(yīng)用功率半導(dǎo)體器件，其牽引變流器、輔助變流器、主輔一體變流器、電力電子變壓器、電源充電機(jī)都有使用碳化硅器件的需求。其中，牽引變流器是機(jī)車大功率交流傳動系統(tǒng)的核心裝備，將碳化硅器件應(yīng)用于軌道交通牽引變流器，能極大發(fā)揮碳化硅器件高溫、高頻和低損耗特性，提高牽引變流器裝置效率，符合軌道交通大容量、輕量化和節(jié)能型牽引變流裝置的應(yīng)用需求，提升系統(tǒng)的整體效能。2012年，包含碳化硅SBD的混合碳化硅功率模塊在東京地鐵銀座線37列車輛中商業(yè)化應(yīng)用，實現(xiàn)了列車牽引系統(tǒng)節(jié)能效果的明顯提升、電動機(jī)能量損耗的大幅下降和冷卻單元的小型化；2014年，日本小田急電鐵新型通勤車輛配備了三菱電機(jī)3300V/1500A全碳化硅功率模塊逆變器，開關(guān)損耗降低55%、體積和重量減少65%，電能損耗降低20%至36%。
數(shù)據(jù)來源：CASA、天科合達(dá)招股書
�。ǘ┥漕l器件
微波射頻器件是實現(xiàn)信號發(fā)送和接收的基礎(chǔ)部件，是無線通訊的核心，主要包括射頻開關(guān)、LNA、功率放大器、濾波器等器件，其中，功率放大器是放大射頻信號的器件，直接決定移動終端和基站的無線通信距離、信號質(zhì)量等關(guān)鍵參數(shù)。5G通訊高頻、高速、高功率的特點對功率放大器的高頻、高速以及功率性能有更高要求。以碳化硅為襯底的氮化鎵射頻器件同時具備了碳化硅的高導(dǎo)熱性能和氮化鎵在高頻段下大功率射頻輸出的優(yōu)勢，突破了砷化鎵和硅基LDMOS器件的固有缺陷，能夠滿足5G通訊對高頻性能和高功率處理能力的要求，碳化硅基氮化鎵射頻器件已逐步成為5G功率放大器尤其宏基站功率放大器的主流技術(shù)路線。
隨著全球5G通訊技術(shù)的發(fā)展和推廣，5G基站建設(shè)將為射頻器件帶來新的增長動力。據(jù)YoleDevelopment預(yù)測，2025年全球射頻器件市場將超過250億美元，其中射頻功率放大器市場規(guī)模將從2018年的60億美元增長到2025年的104億美元，而氮化鎵射頻器件在功率放大器中的滲透率將持續(xù)提高。隨著5G市場對碳化硅基氮化鎵器件需求的增長，半絕緣型碳化硅晶片的需求量也將大幅增長。
數(shù)據(jù)來源：YoleDevelopment、天科合達(dá)招股書
二、第三代半導(dǎo)體材料產(chǎn)業(yè)鏈之氮化鎵
氮化鎵作為第三代半導(dǎo)體材料，有更高的禁帶寬度，是迄今理論上電光、光電轉(zhuǎn)換效率最高的材料體系，下游應(yīng)用包括微波射頻器件(通信基站等)，電力電子器件(電源等)，光電器件(LED照明等)。不過，第三代半導(dǎo)體材料中，受技術(shù)與工藝水平限制，氮化鎵材料作為襯底實現(xiàn)規(guī)�；瘧�(yīng)用仍面臨挑戰(zhàn)，其應(yīng)用主要是以藍(lán)寶石、硅晶片或碳化硅晶片為襯底，通過外延生長氮化鎵以制造氮化鎵器件。
根據(jù)該期刊論文援引Yole的預(yù)測，2020年末，GaN射頻器件市場規(guī)模將達(dá)到7.5億美元，年均復(fù)合增長率20%。目前氮化鎵器件已應(yīng)用于5G通信基站射頻收發(fā)單元、消費(fèi)類電子快速充電器、電動汽車充電機(jī)OBC等領(lǐng)域。
資料來源：國泰君安
�。ㄒ唬㎜ED領(lǐng)域
其中LED領(lǐng)域占比達(dá)70%。隨著LED芯片技術(shù)和制程持續(xù)更新迭代，LED照明產(chǎn)品的發(fā)光效率、技術(shù)性能、產(chǎn)品品質(zhì)、成本經(jīng)濟(jì)性不斷大幅提升；再加上產(chǎn)業(yè)鏈相關(guān)企業(yè)和投資不斷增多，LED光源制造和配套產(chǎn)業(yè)的生產(chǎn)制造技術(shù)不斷升級，終端產(chǎn)品規(guī)�；a(chǎn)的成本經(jīng)濟(jì)性進(jìn)一步提高，目前LED照明產(chǎn)品已成為家居照明、戶外照明、工業(yè)照明、商業(yè)照明、景觀亮化、背光顯示等應(yīng)用領(lǐng)域的主流應(yīng)用，LED照明產(chǎn)品替代傳統(tǒng)照明產(chǎn)品的市場滲透率不斷提升，市場需求持續(xù)增長。
根據(jù)國家半導(dǎo)體照明工程研發(fā)及產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟（CSA）的統(tǒng)計，中國LED照明產(chǎn)品國內(nèi)市場滲透率（LED照明產(chǎn)品國內(nèi)銷售數(shù)量/照明產(chǎn)品國內(nèi)總銷售數(shù)量）由2012年的3.3%快速提升至2018年的70%，遠(yuǎn)超全球平均水平。
數(shù)據(jù)來源：國家半導(dǎo)體照明工程研發(fā)及產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟（CSA）、中商產(chǎn)業(yè)研究院整理
中國是LED照明產(chǎn)品最大的生產(chǎn)制造國，隨著國內(nèi)LED照明市場滲透率快速攀升至七成以上，LED照明已基本成為照明應(yīng)用的剛需，國內(nèi)的LED照明市場規(guī)模呈現(xiàn)出較全球平均水平更快的增長勢頭。根據(jù)高工產(chǎn)研LED研究所（GGII）的統(tǒng)計，中國LED照明市場產(chǎn)值規(guī)模由2015年的2596億元增長到2018年的4155億元，年均復(fù)合增長率達(dá)到16.97%，增速高于全球平均水平。預(yù)計到2021年，中國LED照明市場產(chǎn)值有望達(dá)到5900億元，2019-2021年仍有望能保持超過12%的年均復(fù)合增長水平。
（二）5G基站領(lǐng)域
目前采用氮化鎵的微波射頻器件主要用于軍事領(lǐng)域、4G/5G通訊基站等，由于涉及軍事安全，國外對高性能氮化鎵器件實行對華禁運(yùn)。因此，發(fā)展自主氮化鎵射頻功放產(chǎn)業(yè)，有助于打破國外壟斷，實現(xiàn)自主可控。2020年8月17日，在“點亮深圳，5G智慧之城”發(fā)布會上，深圳市市長陳如桂正式宣布深圳市實現(xiàn)5G獨(dú)立組網(wǎng)全覆蓋，深圳率先進(jìn)入5G時代。截至8月14日，深圳已建成46480個5G基站，截至7月26日，深圳已建成5G基站4.5萬個，提前一個月完成深圳此前8月底前完成4.5個5G基站建設(shè)的目標(biāo)。目前，深圳5G產(chǎn)業(yè)規(guī)模、5G基站和終端出貨量全球第一。
從全國各省市最新公布的5G基站建設(shè)計劃來看，據(jù)不完全統(tǒng)計，此前已有29個省市公布了2020年5G基站建設(shè)計劃。廣東5G大提速，2020年建設(shè)6萬座5G基站。從廣東省政府新聞辦舉行第49場疫情防控新聞發(fā)布會,省工業(yè)和信息化廳副廳長楊鵬飛表示，2020年將全面加速5G網(wǎng)絡(luò)建設(shè)，爭取年內(nèi)建設(shè)6萬座5G基站，全省5G用戶數(shù)量達(dá)到2000萬。預(yù)計2020年，以5G基站和數(shù)據(jù)中心為代表的新型信息基礎(chǔ)設(shè)施投資會超過500億元。以下是全國各省市2020年5G基站建設(shè)計劃情況：
數(shù)據(jù)來源：中商產(chǎn)業(yè)研究院整理
�。ㄈ┕夥I(lǐng)域
GaN和SiC器件進(jìn)入光伏市場，將為小型系統(tǒng)帶來更大的競爭優(yōu)勢，主要包括：更低的均化電力成本，提升通過租賃和電力購買協(xié)議而銷售的電能利潤。此外，這些器件還能改善性能和可靠性。據(jù)北極星太陽能光伏網(wǎng)援引研究機(jī)構(gòu)LuxResearch報告顯示，受太陽能模組的下游需求驅(qū)動，寬禁帶半導(dǎo)體――即碳化硅(SiC)和氮化鎵(GaN)將引領(lǐng)太陽能逆變器隔離器市場在2020年達(dá)到14億美元。
近年來，全球光伏新增裝機(jī)容量規(guī)模持續(xù)增加。盡管中國受“531光伏新政”影響，2018年和2019年國內(nèi)的光伏新增裝機(jī)容量下滑，但得益于印度、墨西哥等新興光伏市場的快速發(fā)展，以及歐洲市場復(fù)蘇。隨著光伏技術(shù)提升，光伏發(fā)電成本不斷降低，未來光伏發(fā)電具有廣闊的增長空間。光伏支架作為光伏電站的關(guān)鍵設(shè)備之一，將隨著全球光伏電站新增裝機(jī)容量的增長而增長。2020年1-2季度全國新增光伏發(fā)電裝機(jī)1152萬千瓦。
數(shù)據(jù)來源：國家能源局、中商產(chǎn)業(yè)研究院整理
三、第三代半導(dǎo)體材料相關(guān)產(chǎn)業(yè)概念股名單一覽
中商產(chǎn)業(yè)研究院特整理第三代半導(dǎo)體材料碳化硅以及氮化鎵概念股相關(guān)企業(yè)名單如下：
注：以上信息僅供參考，如有遺漏與不足，歡迎指正！
更多資料請參考中商產(chǎn)業(yè)研究院發(fā)布的《中國第三代半導(dǎo)體材料產(chǎn)業(yè)市場前景及投資機(jī)會研究報告》，同時中商產(chǎn)業(yè)研究院還提供產(chǎn)業(yè)大數(shù)據(jù)、產(chǎn)業(yè)情報、產(chǎn)業(yè)研究報告、產(chǎn)業(yè)規(guī)劃、園區(qū)規(guī)劃、十四五規(guī)劃、產(chǎn)業(yè)招商引資等服務(wù)。
