1、宽禁带半导体行业深度：SiC 与 GaN 的兴起与未来 基本状况基本状况 上市公司数 行业总市值(百万元) 行业流通市值(百万元) 行业行业- -市场走势对比市场走势对比 重点公司基本状况重点公司基本状况 简称 股价 (元) EPS PE 评级 2018 2019E 2020E 2018 2019E 2020E 三安光电 12.9 0.690.37 0.47 18.70 34.86 27.45 增持 扬杰科技 14.6 0.400.60 0.76 36.50 24.53 19.31 未评级 捷捷微电 19.90.93 0.68 0.81 21.45 29.34 24.63 买入 备注 ：扬杰科
2、技采用 Wind 一致预期 投资要点投资要点 突破突破 Si 的瓶颈，的瓶颈，SiC/GaN 具备性能上的优势具备性能上的优势。Si 作为集成电路最基础的 材料，构筑了整个信息产业的最底层支撑。人类对 Si 性能的探索已经非常 成熟，然而一些固有的缺点却无法逾越，如光学性能、高压高频性能等。 与此同时所谓第三代半导体（宽禁带半导体）以其恰好弥补 Si 的不足而逐 步受到半导体行业青睐，成为继 Si 之后最有前景的半导体材料。随着 5G、 汽车等新市场出现，SiC/GaN 不可替代的优势使得相关产品的研发与应用 加速；随着制备技术的进步，SiC 与 GaN 器件与模块在成本上已经可以纳 入备选方
3、案内，需求拉动叠加成本降低， SiC/GaN 的时代即将迎来。 SiC：极限功率器件的理想极限功率器件的理想材料材料。SiC 器件相对于 Si 器件的优势主要来自 三个方面：降低电能转换过程中的能量损耗、更容易实现小型化、更耐高 温高压。SiC 最大的应用市场来自汽车，与传统解决方案相比，基于 SiC 的解决方案使系统效率更高、重量更轻及结构更加紧凑。目前 SiC 器件在 EV/HEV 上应用主要是功率控制单元（PCU） 、逆变器、DC-DC 转换器、 车载充电器等方面。全球 SiC 产业格局呈现美国、欧洲、日本三足鼎立态 势。其中美国全球独大，占全球 SiC 产量的 70%80%；欧洲拥有完
4、整的 SiC 衬底、外延、器件以及应用产业链；日本是设备和模块开发方面的领 先者。中国企业在衬底、外延和器件方面均有所布局，但是体量均较小。 GaN：5G 应用的关键材料应用的关键材料。相较于已经发展十多年的 SiC，GaN 功率器 件是后进者，它拥有类似 SiC 性能优势的宽禁带材料，但拥有更大的成本 控制潜力，在射频微波领域和电力电子领域都有广泛的应用。GaN 是射频 器件的合适材料，特别是高频应用，这在 5G 时代非常重要。电力电子方 面，GaN 功率器件因其高频高效率的特点而在消费电子充电器、新能源充 电桩、数据中心等领域有着较大的应用潜力。目前 GaN 产业仍旧以海外企 业为主，国内
5、企业在衬底外延和设计制造领域都逐渐开始涉足，其中三安 集成已经能提供成熟的 GaN RF/GaN Power 代工工艺。 投资建议投资建议。 由于 SiC 与 GaN 产业链全球来看仍处于起步阶段， 国内企业更 是大部分处于早期研发阶段，远未成熟，行业体量较小，重点关注已经在 SiC 与 GaN 研发上投入大量资源并且取得一定成果的公司。 映射到 A 股上 市公司，建议关注三安光电、扬杰科技、捷捷微电。三安光电旗下三安集 成业务是国内稀缺宽禁带半导体制造企业，布局基本对标 Cree，从 LED 芯片到 LED 应用，从 SiC 晶圆到 GaN 代工，三安光电的布局前瞻且具备 可行性，有望在宽禁
6、带领域延续其在 LED 产业的竞争力。扬杰科技与捷捷 2 2 9 3 8 0 4 8 / 4 3 3 4 8 / 2 0 1 9 1 0 2 2 1 0 : 5 7 - 2 - 行业深度行业深度研究研究 微电均是国内功率半导体企业，在 SiC 功率器件研发上已经有所布局。 风险提示风险提示。SiC 与 GaN 行业技术进步不及预期；下游需求电动汽车与 5G 推进不及预期；SiC 与 GaN 若成本下降不及预期；国内相关企业研发与销 售受国外企业挤压而不及预期。 2 2 9 3 8 0 4 8 / 4 3 3 4 8 / 2 0 1 9 1 0 2 2 1 0 : 5 7 - 3 - 行业深度行
7、业深度研究研究 内容目录内容目录 硅的瓶颈与宽禁带半导体的兴起硅的瓶颈与宽禁带半导体的兴起 . - - 6 6 - - SiSi 材料的历史与瓶颈材料的历史与瓶颈 . - - 6 6 - - SiC/GaNSiC/GaN：稳定爬升的光明期：稳定爬升的光明期 . - - 7 7 - - SiCSiC：极限功率器件的理想材料：极限功率器件的理想材料 . - - 8 8 - - SiCSiC：极限功率器件的理想的材料：极限功率器件的理想的材料 . - - 8 8 - - SiCSiC 产业链产业链：欧美占据关键位置：欧美占据关键位置 . - - 10 10 - - SiCSiC 市场：汽车是最大驱动
8、力市场：汽车是最大驱动力 . - - 12 12 - - 重要重要 SiCSiC 企业梳理企业梳理 . - - 14 14 - - GaNGaN：5G5G 应用的关键材料应用的关键材料 . - - 19 19 - - GaNGaN：承上启下的宽禁带半导体材料：承上启下的宽禁带半导体材料 . - - 19 19 - - GaNGaN 在电力电子领域与微波射频领域均有优势在电力电子领域与微波射频领域均有优势 . - - 21 21 - - GaNGaN 产业链：海产业链：海外企业为主，国内企业逐步涉足外企业为主，国内企业逐步涉足 . - - 22 22 - - GaNGaN 市场：射频是主战场，市
9、场：射频是主战场，5G5G 是重要机遇是重要机遇 . - - 24 24 - - 重要重要 GaNGaN 企业梳理企业梳理 . - - 26 26 - - 投资建议投资建议 . - - 29 29 - - 风险提示风险提示 . - - 30 30 - - 2 2 9 3 8 0 4 8 / 4 3 3 4 8 / 2 0 1 9 1 0 2 2 1 0 : 5 7 - 4 - 行业深度行业深度研究研究 图 1：硅材料面临诸多性能限制 . - 6 - 图 2：半导体材料特性对比. - 6 - 图 3：半导体材料与器件发展史 . - 6 - 图 4：SiC、GaN 与 Si 性能差异 . - 7
10、- 图 5：SiC、GaN 与 Si 各有优势领域 . - 7 - 图 6：SiC 与 GaN 处于稳步爬升的光明期 . - 8 - 图 7：三种不同的 SiC 结构. - 8 - 图 8：SiC 晶圆 . - 8 - 图 9：SiC 功率器件的发展历史 . - 9 - 图 10：SiC 能大大降低功率转换中的开关损耗 . - 9 - 图 11：SiC 更容易实现模块的小型化、更耐高温 . - 9 - 图 12：SiC 器件生产流程 . - 10 - 图 13：SiC 产业链及主要工序 . - 10 - 图 14：SiC 产业链各环节公司 . - 11 - 图 15：SiC 产业以欧美日为主
11、. - 12 - 图 16：SiC 器件应用领域广泛 . - 12 - 图 17：2022 年 SiC 在电动车市场规模达到 24 亿美金 . - 12 - 图 18：SiC 器件在四个关键领域提升电动汽车的系统效率 . - 13 - 图 19：采用 SiC 的 PCU 尺寸大大减小 . - 13 - 图 20：罗姆的 SiC 赛车用逆变器明显降低重量及尺寸 . - 13 - 图 21：超过 20 家汽车制造商在车载充电器中采用 SiC . - 14 - 图 22：Cree 在 SiC 功率器件有近 30 年历史 . - 15 - 图 23：采用 SiC 的 PCU 尺寸大大减小 . - 15
12、 - 图 24：罗姆的 SiC 赛车用逆变器明显降低重量及尺寸 . - 15 - 图 25：Wolfspeed 推出 GaN-on-SiC 代工服务 . - 16 - 图 26：Wolfspeed 营收大幅增长（百万美元） . - 16 - 图 27：Wolfspeed 毛利率处于较高水平 . - 16 - 图 28：Wolfspeed 预计到 2022 年收入翻两番达到 8.5 亿美元 . - 17 - 图 29：Infineon 从 1992 年即开始 SiC 研发 . - 17 - 图 30：Cold Split 技术流程 . - 18 - 图 31：ROHM SiC 发展时间表 . -
13、 18 - 图 32：ROHM SiC 产品路线规划图. - 18 - 图 33：ROHM 向汽车和工业转型的趋势 . - 19 - 图 34：ROHM SiC 车载应用营收份额 . - 19 - 图 35：GaN 原子结构 . - 19 - 2 2 9 3 8 0 4 8 / 4 3 3 4 8 / 2 0 1 9 1 0 2 2 1 0 : 5 7 - 5 - 行业深度行业深度研究研究 图 36：典型 GaN HEMT 结构. - 19 - 图 37：GaN 器件逐步步入成熟阶段 . - 20 - 图 38：GaN 器件可以适用于超过 68%的功率器件市场 . - 20 - 图 39：不同
14、功率器件所处的优势领域 . - 20 - 图 40：GaN RF 市场规模于 2023 年达到 13 亿美金 . - 21 - 图 41：Si 功率器件开关速度慢，能量损耗大 . - 21 - 图 42：GaN 开关速度快，可大幅度提升效率 . - 21 - 图 43：GaN 器件在电力电子领域与微波射频领域的优势 . - 22 - 图 44：GaN RF 市场规模于 2023 年达到 13 亿美金 . - 23 - 图 45：GaN 外延用不同衬底的对比 . - 23 - 图 46：GaN 器件主要产品与工艺技术 . - 24 - 图 47：使用 GaN 前后的效率对比 . - 24 - 图
15、 48：不同频率范围 RF 器件工艺技术对比 . - 24 - 图 49：多级 GaAs 功率放大器和等效 GaN 功率放大器的比较 . - 25 - 图 50：GaN 优势在于带隙宽度与热导率 . - 25 - 图 51：GaN 在 5G 时代应用广泛 . - 25 - 图 52：GaN 以更高的功率密度实现小型化与系统集成 . - 25 - 图 53：GaN 材料 5G 基站发展趋势. - 26 - 图 54：Navitas 45W 充电器与苹果 29W 充电器 . - 26 - 图 55：近年来 GaN 快速头逐渐成为潮流 . - 26 - 图 56：Macom 产品线涵盖射频微波器件到
16、光器件 . - 27 - 图 57：Macom GaN 产品与其他材料器件性能对比 . - 27 - 图 58：Macom GaN 产品应用领域与客户 . - 27 - 图 59：Transphorm 发展历程 . - 28 - 图 60：三安集成工艺平台 . - 29 - 图 61：三安集成发展历程 . - 29 - 图 62：A 股布局 SiC/GaN 企业 . - 29 - 2 2 9 3 8 0 4 8 / 4 3 3 4 8 / 2 0 1 9 1 0 2 2 1 0 : 5 7 - 6 - 行业深度行业深度研究研究 硅的瓶颈与宽禁带半导体的兴起硅的瓶颈与宽禁带半导体的兴起 SiSi
17、 材料的历史与瓶颈材料的历史与瓶颈 上世纪五十年代以来，以硅（上世纪五十年代以来，以硅（SiSi）材料为代表的第一代半导体材料取代）材料为代表的第一代半导体材料取代 了笨重的电子管引发了集成电路（了笨重的电子管引发了集成电路（ICIC）为核心的微电子领域迅速发展。）为核心的微电子领域迅速发展。 然而，由于硅材料的带隙较窄然而，由于硅材料的带隙较窄、电子迁移率和击穿电场较低，、电子迁移率和击穿电场较低，SiSi 在光电在光电 子领域和高频高功率器件方面的应用受到诸多限制，在高频下工作性能子领域和高频高功率器件方面的应用受到诸多限制，在高频下工作性能 较差，不适用于高压应用场景，光学性能也得不到突
18、破较差，不适用于高压应用场景，光学性能也得不到突破。 图图 1 1：硅材料面临诸多性能限制硅材料面临诸多性能限制 资料来源：公开资料，中泰证券研究所 随着 Si 材料的瓶颈日益突出，以砷化镓（GaAs）为代表的第二代半导 体材料开始崭露头角，使半导体材料的应用进入光电子领域，尤其是在 红外激光器和高亮度的红光二极管等方面。第三代半导体材料的兴起， 则是以氮化镓（GaN）材料 p 型掺杂的突破为起点，以高亮度蓝光发光 二极管（LED）和蓝光激光器（LD）的研制成功为标志，包括 GaN、碳 化硅（SiC）和氧化锌（ZnO）等宽禁带材料。 图图 2 2：半导体材料特性对比半导体材料特性对比 图图 3
19、 3：半导体材料与器件发展史半导体材料与器件发展史 资料来源：赛迪智库，中泰证券研究所 资料来源：自行绘制，中泰证券研究所 材质材质SiGaAsGaNSiC 禁带结构间接带隙直接带隙 间接带隙直接带隙 禁带宽度（eV）1.11.43.43.3 电子迁移率（cm /Vs）1350850020001000 介电常数11.913.1910.1 击穿场强（kV/cm）0.30.43.32.8 电子饱和漂移速率(107cm/s)112.72.2 热导率(W/cm K)1.50.51.34.9 器件理论最高工作温度175350800600 2 2 9 3 8 0 4 8 / 4 3 3 4 8 / 2 0
20、 1 9 1 0 2 2 1 0 : 5 7 - 7 - 行业深度行业深度研究研究 第三代半导体（本文以 SiC 和 GaN 为主）又称宽禁带半导体，禁带宽 度在 2.2eV 以上，具有高击穿电场、高饱和电子速度、高热导率、高电 子密度、高迁移率等特点，逐步受到重视。SiC 与 GaN 相比较，前者相 对 GaN 发展更早一些， 技术成熟度也更高一些； 两者有一个很大的区别 是热导率，这使得在高功率应用中，SiC 占据统治地位；同时由于 GaN 具有更高的电子迁移率， 因而能够比 SiC 或 Si 具有更高的开关速度， 在 高频率应用领域，GaN 具备优势。 图图 4 4：SiCSiC、GaN
21、GaN 与与 SiSi 性能差异性能差异 图图 5 5：SiCSiC、GaNGaN 与与 SiSi 各有优势领域各有优势领域 SiC/GaN：稳定爬升的光明期：稳定爬升的光明期 虽然学术界和产业界虽然学术界和产业界很很早认识到早认识到SiCSiC和和GaNGaN相对于传统相对于传统SiSi材料的优点，材料的优点， 但是由于制造设备、制造工艺与成本的劣势，多年来只是在小范围内得但是由于制造设备、制造工艺与成本的劣势，多年来只是在小范围内得 到应用，无法挑战到应用，无法挑战 SiSi 基器件的统治地位，但是随着基器件的统治地位，但是随着 5G5G、汽车等新市场、汽车等新市场 出现，出现，SiC/G
22、aNSiC/GaN 不可替代的优势使得相关产品的研发与应用加速；随着不可替代的优势使得相关产品的研发与应用加速；随着 制备技术的进步，制备技术的进步， SiCSiC 与与 GaNGaN 器件与模块在成本上已经可以纳入备选方器件与模块在成本上已经可以纳入备选方 案内，需求拉动叠加成本降低，案内，需求拉动叠加成本降低， SiC/GaNSiC/GaN 的时代即将迎来的时代即将迎来。 2 2 9 3 8 0 4 8 / 4 3 3 4 8 / 2 0 1 9 1 0 2 2 1 0 : 5 7 - 8 - 行业深度行业深度研究研究 图图 6 6：SiCSiC 与与 GaNGaN 处于稳步爬升的光明期处
23、于稳步爬升的光明期 资料来源：自行绘制，中泰证券研究所 SiC：极限功率器件的理想材料：极限功率器件的理想材料 SiCSiC：极限功率器件的理想的材料：极限功率器件的理想的材料 SiCSiC 是由硅和碳组成的化合物半导体材料，在热、化学、机械方面都非是由硅和碳组成的化合物半导体材料，在热、化学、机械方面都非 常稳定。常稳定。 C C 原子和原子和 SiSi 原子不同的结合方式使原子不同的结合方式使 SiCSiC 拥有多种晶格结构， 如拥有多种晶格结构， 如 4H4H、6H6H、3C3C 等等。等等。4H4H- -SiCSiC 因为其较高的载流子迁移率，能够提供较高因为其较高的载流子迁移率，能够
24、提供较高 的电流密度，常被用来做功率器件的电流密度，常被用来做功率器件。 图图 7 7：三种不同的三种不同的 SiCSiC 结构结构 图图 8 8：SiCSiC 晶圆晶圆 资料来源：公开资料，中泰证券研究所 资料来源：公开资料，中泰证券研究所 SiC 从上个世纪 70 年代开始研发， 2001 年 SiC SBD 商用， 2010 年 SiC MOSFET 商用，SiC IGBT 还在研发当中。随着 6 英寸 SiC 单晶衬底和 外延晶片的缺陷降低和质量提高，使得 SiC 器件制备能够在目前现有 6 英寸Si基功率器件生长线上进行， 这将进一步降低SiC材料和器件成本， 推进 SiC 器件和模
25、块的普及。 2 2 9 3 8 0 4 8 / 4 3 3 4 8 / 2 0 1 9 1 0 2 2 1 0 : 5 7 - 9 - 行业深度行业深度研究研究 图图 9 9：SiCSiC 功率器件的发展历史功率器件的发展历史 资料来源：CREE、Infineon、RONM 官网，中泰证券研究所 SiC 器件相对于 Si 器件的优势主要来自三个方面： 降低电能转换过程中 的能量损耗、更容易实现小型化、更耐高温高压。 降低能量损耗降低能量损耗。SiCSiC 材料开关损耗极低，全材料开关损耗极低，全 SiCSiC 功率模块的开关损功率模块的开关损 耗大大低于同等耗大大低于同等IGBTIGBT模块的
26、开关损耗， 而且开关频率越高， 与模块的开关损耗， 而且开关频率越高， 与IGBTIGBT 模块之间的损耗差越大，这就意味着对于模块之间的损耗差越大，这就意味着对于 IGBTIGBT 模块不擅长的高速模块不擅长的高速 开关工作，全开关工作，全 SiCSiC 功率模块不仅可以大幅降低损耗还可以实现高速功率模块不仅可以大幅降低损耗还可以实现高速 开关开关。 低阻值使得更易实现小型化低阻值使得更易实现小型化。SiCSiC 材料具备更低的通态电阻，阻值材料具备更低的通态电阻，阻值 相同的情况下可以缩小芯片的面积，相同的情况下可以缩小芯片的面积，SiCSiC 功率模块的尺寸可达到仅功率模块的尺寸可达到仅
27、 为为 SiSi 的的 1/101/10 左右左右。 更耐高温更耐高温。SiCSiC 的禁带宽度的禁带宽度 3.23ev3.23ev，相应的本征温度可高达，相应的本征温度可高达 800800 摄摄 氏度，承受的温度相对氏度，承受的温度相对 SiSi 更高；更高；SiCSiC 材料拥有材料拥有 3.7W/cm/K3.7W/cm/K 的热导的热导 率，而硅材料的热导率仅有率，而硅材料的热导率仅有 1.5W/cm/K1.5W/cm/K，更高的热导率可以带来功，更高的热导率可以带来功 率密度的显著提升，同时散热系统的设计更简单，或者直接采用自率密度的显著提升，同时散热系统的设计更简单，或者直接采用自
28、然冷却然冷却。 图图 1010：SiCSiC 能大大降低功率转换中的开关损耗能大大降低功率转换中的开关损耗 图图 1111：SiCSiC 更容易实现模块的小型化、更耐高温更容易实现模块的小型化、更耐高温 2 2 9 3 8 0 4 8 / 4 3 3 4 8 / 2 0 1 9 1 0 2 2 1 0 : 5 7 - 10 - 行业深度行业深度研究研究 SiC 产业链：欧美占据关键位置产业链：欧美占据关键位置 SiCSiC 生产过程分为生产过程分为 SiCSiC 单晶生长、外延层生长及器件制造三大步骤，对单晶生长、外延层生长及器件制造三大步骤，对 应的是产业链衬底、外延、器件与模组三大环节应的
29、是产业链衬底、外延、器件与模组三大环节。 SiCSiC 衬底衬底：SiCSiC 晶体通常用晶体通常用 LelyLely 法制造，国际主流产品正从法制造，国际主流产品正从 4 4 英寸英寸 向向 6 6 英寸过渡，且已经开发出英寸过渡，且已经开发出 8 8 英寸导电型衬底产品，国内衬底以英寸导电型衬底产品，国内衬底以 4 4 英寸为主。由于现有的英寸为主。由于现有的 6 6 英寸的硅晶圆产线英寸的硅晶圆产线可以升级改造用于生可以升级改造用于生 产产 SiCSiC 器件，所以器件，所以 6 6 英寸英寸 SiCSiC 衬底的高市占率将维持较长时间衬底的高市占率将维持较长时间。 SiCSiC 外延外延：通常用化学气相沉积（：通常用化
