第三代半导体：新能源汽车变革加速，长景气供需共振（上）

观点

本周行情概览：

本周半导体行情显著跑赢主要指数。本周申万半导体行业指数上涨5.58%，同期创业板指数上涨0.28%，上证综指上涨1.22%，深证综指上涨0.78%，中小板指上涨0.35%，万得全A上涨1.00%。半导体行业指数显著跑赢主要指数。半导体各细分板块多数有所上涨，分立器件板块涨幅居前。半导体细分板块中，分立器件板块本周上涨5.6%，IC设计板块本周上涨4.5%，封测板块本周上涨2.7%，其他板块本周上涨1.0%，半导体制造板块本周涨跌幅为零，半导体设备板块本周下跌0.2%，半导体材料板块本周下跌1.3%。

下游应用需求高起，第三代半导体在光电+高频+大功率电力电子器件领域起量

快充装置、输变电系统、轨道交通、电动汽车和充电桩等都需要大功率、高效率的电力电子器件，基于SiC、GaN的电子电力器件因其物理性能优异在相关市场备受青睐。AIoT时代，智慧化产品渗透率将迅速提升，智能家居照明的商机空间广阔。GaN在蓝光等短波长光电器件方面优势明显。5G时代驱动GaN射频器件快速发展。GaN器件工作效率和输出功率优异，成为5G时代功率放大器主要技术。

新能源汽车量价齐升，开启第三代半导体体新一轮成长趋势

新能源汽车保有量持续上升，市场处于较快发展阶段，正处于量价齐升阶段，也将成为第三代半导体关键的需求增长市场，我们预测国内新能源汽车销量将在2025年达到900万辆。

SiC模块的开关损耗和导通损耗显著低于同等IGBT模块且随着开关频率的提高，同时可以实现高速开关，有助于降低电池用量，提高续航里程，解决新能源汽车痛点。新能源汽车变革下，SiC维持高景气。

供需测算：产业链各环节产能增长，长景气供需共振

我国产线陆续开通，第三代半导体领域 6 英寸 8 英寸尺寸晶圆渐成主流 。截至 2020 年底，国内约有 8 条 SiC 制造产线，10 条正在建设 。7条 GaN on S i 产线， 4 条正在建设。供给端：我国 2020 年 SiC 导电型衬底产能 （折合 6 英寸）约18万片 ，外延22万片 Si 基 GaN 外延约28 万片。需求端：测算2025 年我国仅新能源汽车板块 就需超120万片等效 SiC 6 寸晶圆 仅快充部分就需要 67 万片GaN 相关晶圆，现有产能与未来需求差距较大，国内核心厂商加速扩产前瞻布局相关领域。

建议关注：

1）第三代半导体：三安光电/闻泰科技/立昂微/斯达半导/华润微/士兰微/纳微半导体/华虹半导体/新洁能/扬杰科技/赛微电子/捷捷微电/华微电子/时代电气/天岳先进/凤凰光学/宏微科技

2）半导体设计：圣邦股份/思瑞浦/澜起科技/晶晨股份/中颖电子/全志科技/瑞芯微/恒玄科技/兆易创新/富瀚微/韦尔股份/卓胜微/晶丰明源/芯朋微/斯达半导/新洁能/紫光国微/上海复旦

3）IDM: 闻泰科技/三安光电；

4）晶圆代工：中芯国际/华虹半导体；

5）半导体设备材料：北方华创/雅克科技/上海新阳/中微公司/精测电子/华峰测控/长川科技/有研新材/江化微；

风险提示：产业政策变化、国际贸易争端加剧、下游行业发展不及预期

1. 天风半导体每周谈：第三代半导体：新能源汽车变革加速，长景气供需共振

1.1. 下游应用迭起+能源安全+后摩尔时代驱动第三代半导体大发展

我们认为第三代半导体主要受三大核心因素驱动：

1） 下游应用迭起，第三代半导体因物理性能优异竞争力极强

2） 能源安全需求迫在眉睫，第三代半导体助力 “碳达峰 、 碳中和 ”目标的实现

3）后摩尔时代来临，第三代半导体为代表的核心材料是芯片性能的提升的基石

第三代半导体一般指禁带宽度大于2.2eV的半导体材料，也称为宽禁带半导体材料。半导体产业发展至今经历了三个阶段，第一代半导体材料以硅为代表；第二代半导体材料砷化镓也已经广泛应用；而以氮化镓和碳化硅、氧化锌、氧化铝、金刚石等宽禁带为代表的第三代半导体材料，相较前两代产品性能优势显著。

我们认为在下游应用+能源安全+后摩尔时代三者推动下，第三代半导体将迎来大发展。

1）下游应用迭起，第三代半导体因物理性能优异竞争力极强

第三代半导体主要在三个领域有强大的市场的竞争力：

第一是新能源汽车等带动第三代半导体在大功率电力电子器件起量。快充装置、输变电系统、轨道交通、电动汽车和充电桩等都需要大功率、高效率的电力电子器件。无疑宽禁带半导体，尤其是碳化硅、氮化镓具有比其他半导体材料更为明显的优势。

第二是AIoT时代驱动的光电器件大发展。在AIoT时代，智慧化产品渗透率更加迅速提升，智能家居照明市场将迎来机遇。第三代半导体尤其在短波长光电器件方面有很明显的优势。例如蓝光，现在所有的半导体照明已经采用了氮化镓。在紫光、紫外光甚至在黄光、绿光等方面都可以直接用氮化物半导体作为材料。

第三是5G时代驱动GaN射频器件快速发展。相比于砷化镓和硅等半导体材料，在微波毫米波段的第三代半导体器件工作效率和输出功率明显高，适合做射频功率器件。民用射频器件主要用在移动通信方面，包括现在的4G、5G和未来的6G通信。例如，国内新装的4G和5G移动通信的基站几乎全用氮化镓器件。尤其是5G基站采用MIMO收发体制，每个基站64路收发，耗电量是4G基站的3倍以上，而且基站的密集度还要高于4G基站，不用高效率的氮化镓器件几乎是不可能的。未来6G通信频率更高、基站数更多，GaN将更加突出。

2)能源安全需求迫在眉睫，第三代半导体助力 “碳达峰 、 碳中和 ”目标的实现

第三代半导体助力 “碳达峰 、 碳中和 ”目标的实现。第三代半导体材料和技术对于建成可循环的高效、高可靠性的能源网络起到至关重要的作用，可助力实现光伏、风电（电能生产），直流特高压输电（电能传输），新能源汽车、工业电源、机车牵引、消费电源（电能使用）等领域 的电能高效转换，推动能源绿色低碳发展。

当前能源技术革命已经从电力高端装备的发展逐步向由材料革命的发展来带动和引领，第三代半导体有望成为绿色经济的中流砥柱。习近平总书记提出了“四个革命、一个合作 ”的能源安全战略，承诺中国在 2030年前实现碳达峰，2060年前实现碳中和。国家电网“碳达峰、碳中和 ”行动方案提出了“两个 50%”的目标，2050年清洁能源占电能生产的比例将超过 50%，电能在终端能源消费中的占比将超过 50%。实现“碳达峰、碳中和”关键在于加快推进能源开发清洁替代和能源消费电能替代，实现能源生产清洁主导、能源使用电能主导。

3）后摩尔时代来临，第三代半导体为代表的核心材料是芯片性能的提升的基石

后摩尔时代来临，本土半导体板块迎来加速追赶黄金期。摩尔定律（Moore’s Law）先进工艺驱动芯片持续微缩的同时也导致了所需成本指数级增长、开发周期拉长、良率下降，盈利风险明显升高。随着28nm推进到20nm节点，单个晶体管的成本不降反升，性能提升也逐渐趋缓，这标志着后摩尔时代来临。为此芯片行业需要去寻找新的技术去支撑芯片继续前进，这意味着摩尔定律形成的多年先发优势或不再受用，后发者如果能够提前识别并做出前瞻性布局，完全存在换道超车的可能性。

材料工艺是芯片研发的主旋律。第三代半导体为主的新材料是芯片制造工艺中的核心挑战，是芯片性能的提升的基石。以SiC、GaN为代表的宽禁带半导体材料，拥有高的击穿电场强度、高的工作温度、低的器件导通电阻、高的电子密度等优势，目前宽禁带半导体主要在射频器件、大功率电力电子器件、光电器件三个领域有强大的市场的竞争力。同时，在化合物半导体与硅器件高度结合，在硅衬底上生长化合物，是后摩尔时代的一个非常有意义、非常有发展潜力的领域。

1.2. 第三代半导体企业布局情况：产线陆续开通，产能不断增加

产线陆续开通，大尺寸晶圆渐成主流 。衬底方面： 2020年烁科晶体 SiC衬底项目投产，同时天科合达、 同光晶体 、南砂晶圆等几大衬底生产商均在扩张 6英寸衬底产能。器件方面：SiC产线从 4英寸向6英寸发展。据 CASA Research不完全统计， 2020年国内投产 3条 6英寸 SiC晶圆产线，截至 2020年底，国内至少已有 8条 6英寸 SiC晶圆制造产线（包括中试线），另有约 10条 SiC生产线正在建设。

GaN电力电子产线方面， 已有 7条 GaN-on-Si晶圆制造产线，另有约4条GaN电力电子产线正在建设。GaN射频产线方面，2020年有 5条4英寸GaN-on-SiC生产线，约有 5条 GaN射频产线正在建设。值得注意的是，大尺寸产线对材料技术和生产技术的要求更高，与国际相比，国内大尺寸晶圆制造技术尚未完全成熟，成本高昂、良率较低。企业要根据自身情况，综合考虑技术、成本、生产效率等多方面因素，选取最优的工艺路线。

产能统计：

据 CASA Research数据显示， SiC电力电子方面 SiC导电型衬底折算 4英寸产能约为 40万片 /年， SiC-on-SiC外延片折算 6英寸产能约为 22万片 /年， SiC-on-SiC器件 /模块（ 4/6英寸兼容）产能约 26万片 /年。GaN电力电子方面 GaN-on-Si外延片折算 6英寸产能约为 28万片 /年， GaN-on-Si器件 /模块折算 6英寸产能约为 22万片 /年。GaN微波射频方面 SiC半绝缘衬底折算 4英寸产能约为 18万片 /年， GaN-on-SiC外延片折算 4英寸产能约为 20万片 /年， GaN-on-SiC器件 /模块折算 4英寸产能约为 16万片 /年。

我国第三代半导体主要公司布局情况：

1.3. 碳化硅晶圆需求测算：SiC在新能源汽车中6寸硅片用量预计2025年将超过120万片

目前业界于电动车较积极导入SiC的主要装置和部件有主驱逆变器、车载充电器、车外充电器，SiC功率元件发挥如下优势：

1） 极佳的内在特质：高效率，降低能量损耗；高转换频率，增加能量强度；可在更高的温度下运行，提升长期可靠性。

2）性能改进和小型化：从Si-IGBT 模组到SiC MOSFET 模组，体积缩小了50%，效率提升了2%，器件的使用寿命得到延长。

3）有助于降低电动车用户的使用成本：提升效率以达到节电目的，在相同输出功率下可增加续航里程、提升充电速度。

纯电动汽车: 8寸晶圆可以满足13辆车的SiC需求; 6寸晶圆可以满足7辆车的SiC需求

8inch wafer= 324.29平方厘米，假设良率为50%，BEV各部件需要的SiC晶圆面积：1）逆变器=10平方厘米；2）OBC=1.8平方厘米；3）DC/DC=0.9平方厘米，那么1张8寸晶圆可以满足13辆车的SiC需求。6inch wafer= 176.7平方厘米, 假设良率为50%，那么1张6寸晶圆可以满足7辆车的SiC需求。

油电混合车: 8寸晶圆可以满足17辆车的SiC需求; 6寸晶圆可以满足9辆车的SiC需求

8inch wafer= 324.29平方厘米，假设良率为50%，BEV各部件需要的SiC晶圆面积：1）逆变器=8平方厘米；2）OBC=0.9平方厘米；3）DC/DC=0.5平方厘米，那么1张8寸晶圆可以满足17辆车的SiC需求。6inch wafer= 176.7平方厘米, 假设良率为50%，那么1张6寸晶圆可以满足9辆车的SiC需求。

国内SiC商业化衬底以 4英寸为主，逐步向 6英寸过渡，微管密度小于 1个 /cm2，实现 95%的衬底可用面积，位错约在 1×103/cm2较上年有所进步。

我国新能源汽车SiC需求测算：

纯电动汽车占新能源汽车比重为81%，以此数据假设，我国2021-2025年新能源汽车相关8英寸SiC晶圆需求为25.4万片、32.6万片、41.9万片、53.9万片、69.2万片， 6英寸SiC晶圆需求我国为45.1万片、58.0万片、74.5万片、95.8万片、123.1万片。

1.4. 氮化镓晶圆需求测算：GaN在PD快充领域中6寸硅片用量预计2025年将达67.4万片

GaN电力电子器件市场规模在国内外都将保持较高增速，带来需求高速增长。根据CASA Research的数据，未来PD快充GaN电力电子器件市场将迎来3-4年的黄金发展时期，2020 年国内 PD 快充 GaN 电力电子器件市场规模约 1.5 亿元，预计到 2025 年市场规模将超过 40 亿元，年均复合增长率高达97%。

更多详见：第三代半导体：新能源汽车变革加速，长景气供需共振（下）