第三代半导体：即将爆发的明日之星

2021年是“十四五”的开局之年，作为十四五期间以及之后较长时间国内经济转型升级的关键，科技领域尤其是作为科技产业底层基础的半导体，是国内科技产业实现自主可控的重点。美国在特朗普任期内对华为、中芯国际等中国科技企业的制裁和封杀还历历在目，从美国制裁的方向看，半导体同样也是美国限制中国科技崛起的焦点。对此，国家针对半导体领域进行了专门的政策倾斜，“十四五”国家研发计划已明确第三代半导体是重要发展方向。今天我们就来聊一聊第三代半导体材料中的碳化硅（SiC）。

目前绝大多数半导体器件和集成电路都是由硅制作的，出色的性能和成本优势让硅在集成电路等领域占有绝对的优势，无论是在电力电子领域还是通信射频等领域，硅基器件（第一代半导体）在低压、低频、中功率等场景，应用也非常广泛。但随着科技的不断发展，应用领域的不断扩大，在一些高功率、高压、高频、高温等应用领域如新能源和5G通信等，硅基器件的表现逐渐达不到理想的要求，后来化合物半导体以其性能优势，在通讯射频、光通信、电力电子等领域逐步大规模民用化，前景广阔，如近年来在通信、新能源领域崭露头角的氮化镓（GaN）、碳化硅（SiC）材料，具有高频、抗辐射、耐高电压等特性，也就是通常所说的第三代半导体。

在第三代半导体中，受技术与工艺水平限制，GaN材料主要应用于宏基站通信射频领域；而SiC材料则应用在各类功率器件上，近年来随着技术工艺的成熟、制备成本的下降，在新能源领域的应用持续渗透。由此可以看出，SiC材料将是未来新能源、5G通信领域中SiC、GaN器件的重要基础。

GaN因其性能具有作为射频器件的先天优势。而由于毫米波的功率要求非常高，对于5G来说，GaN也将成为最适合PA的材料，尤其在28GHz以上的频段。GaN从军用领域逐渐向5G移动通讯基站等民用领域拓展以来，已成为基站功放器的重要新材料。近年来5G基站快速渗透，射频芯片数量提升，且未来5G基站数量相较4G将大幅提升，GaN射频器件未来前景广阔。而GaN射频器件主要在SiC衬底上制作，因此5G基站对SiC衬底也有较大需求。以我国5G基站市场为例，据拓璞产业研究院，预计2023年我国5G基站建设需求GaN晶圆约45.3万片，对应4寸半绝缘SiC衬底片需求45.3万片，衬底需求量持续增加。

SiC被认为是一种超越Si极限的功率器件材料，在新能源领域中具有相比Si器件更好的表现。有研究认为未来SiC材料将在电力电子领域大放异彩。由于其特性，英飞凌、意法半导体、Rohm等功率半导体主要供应商纷纷布局SiC功率产品，新能源相关的SiC功率器件应用也在不断落地。

新能源汽车行业是市场空间巨大的新兴市场，在全球碳中和政策的要求下，新能源车在疫情导致的整体车市衰退下仍保持销售正成长。而汽车电子系统的核心是汽车半导体，无论是安装的数量还是价值仍在不断增长之中。功率器件是新能源车半导体的核心组成，是价值量提升的关键赛道。目前国内功率半导体产业链正在日趋完善，技术也正在取得突破，同时，中国也是全球最大的功率半导体消费国，IHSMarkit预计未来中国功率半导体将继续保持较高速度增长，2021年市场规模有望达到159亿美元，2018~2021年复合增速达4.83%。此外，在功率等级相同的条件下，采用SiC器件可满足功率密度更高、设计更紧凑的需求，同时也能使电动车续航里程更长。据天科合达招股说明书，美国特斯拉公司的Model3车型便采用了以24个SiCMOSFET为功率模块的逆变器，是第一家在主逆变器中集成全SiC功率器件的汽车厂商；目前全球已有超过20家汽车厂商在车载充电系统中使用SiC功率器件；此外，SiC器件应用于新能源汽车充电桩，可以减小充电桩体积，提高充电速度。新能源车带动功率半导体市场需求快速扩容，SiC功率器件或迎替代机遇。

未来光伏发电将会是全球新能源发展的主要方向，而逆变器是光伏发电能否有效、快速渗透的关键之一。SiC功率器件，对提升光伏逆变器功率密度、进一步降低度电成本至关重要。在组串式和集中式光伏逆变器中，SiC产品预计会逐渐替代硅基器件。此外，储能、充电桩、轨道交通、智能电网等也将大规模应用功率器件。整体而言，随着器件的小型化与对效率要求提升，采用化合物半导体制成的电力电子器件可覆盖大功率、高频与全控型领域，其中SiC的出现符合未来能源效率提升的趋势。

而庞大的市场需求下是尚未真正爆发的SiC应用，SiC功率器件的成本是影响其市场推广的重要因素。相比Si器件，SiC价格往往高出数倍，主要是因为SiC衬底较为昂贵。而SiC衬底成本较高，主要因为技术起步晚、SiC衬底生长较慢，技术难度大。衬底生产的壁垒、寡头垄断的竞争格局加上近年SiC和GaN应用的快速渗透，SiC衬底产业内已面临高度供不应求的局面。全球龙头积极扩充SiC产品产能。CREE等国际一流厂商不断加强产业布局，积极扩充产能。由于SiC衬底、器件垂直一体化的模式更为高效，因此也或通过收购进行上下游整合。近年来，各大厂商纷纷尝试整合上下游，如Rohm收购了SiCrystal，ST半导体收购了Norstel。

快速发展的下游应用市场以及国际龙头垄断的竞争格局，我国终端厂商迫切寻求国产供应商。国内企业也在积极研发和探索SiC器件的产业化，已经形成相对完整的SiC产业链体系。中国企业在单晶衬底方面以4英寸为主，目前已经开发出了6英寸导电性SiC衬底和高纯半绝缘SiC衬底么，以天科合达和山东天岳为主的SiC晶片厂商发展速度较快，市占率提升明显。三安光电（北电新材）在SiC方面也在深度布局。三安光电（北电新材）在2016年12月参与管理的基金收购Norstel。其后成立福建北电新材料，主要从事第三代化合物半导体关键材料所需原材料粉料合成、长晶和衬底的加工，2020年由三安光电收购。北电新材目前采用其衬底制作芯片良率居国内前列，晶体质量和器件应用可靠性表现良好。整体而言，由于SiC行业起步晚、高度依赖工程师工艺经验积累，国内企业有望实现弯道超车，享受行业新增长点带来的成长红利。那些前瞻布局碳化硅技术的优质企业值得重点关注。综合来看，三安光电是国内第三代半导体的重要公司。