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2022.05.18-第三代半导体,能源转换链“绿芯”材料-华安证券-56页.pdf
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第三代半导体,能源转换链“绿芯”材料
[Table_IndNameRptType]
国防军工
行业研究/深度报告
[Table_IndRank]
行业评级:增持
报告日期: 2022-05-18
[Table_Chart]
行业指数与沪深 300 走势比较
[Table_Author]
分析师:郑小霞
执业证书号:S0010520080007
电话:13391921291
邮箱:zhengxx@hazq.com
联系人:邓承佯
执业证书号:S0010121030022
电话:18610696630
邮箱:dengcy@hazq.com
[Table_Report]
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主要观点:
[Table_Summary]
第三代半导体可有效降低能源损耗
第三代半导体主要是指氮化镓和碳化硅、氧化锌、氧化铝、金刚石等
宽禁带半导体,它们通常都具有高击穿电场、高热导率、高迁移率、
高饱和电子速度、高电子密度、可承受大功率等特点。
宽禁带半导体契合了电力电子、光电子和微波射频等领域的节能需
求。在电力电子领域,碳化硅功率器件相比硅器件可降低 50%以上的
能源损耗,减少 75%以上的设备装置,有效提升能源转换率。在光电
子领域,氮化镓具有光电转换效率高、散热能力好的优势,适合制造
低能耗、大功率的照明器件。在射频领域,氮化镓射频器件具有效率
高、功率密度高、带宽大的优势,带来高效、节能、更小体积的设备。
新能源及通讯市场将为第三代半导体创造百亿市场规模
和 Si、GaAs 等第一、二代半导体材料相比,碳化硅(SiC)和氮化镓
(GaN)拥有击穿电压高、禁带宽、导热率高、电子饱和速率高、载
流子迁移率高等优点,是制作高频、高温、抗辐射器件的优异材料。
SBD 器件领域,碳化硅基 SBD 器件相较硅基 SBD 器件具有耐高压、高
温不易失控及损耗小等特点;MOSFET 器件领域,碳化硅基 MOSFET 器
件相较硅基 IGBT 器件具有损耗小、导通电阻低及耐高压等特点。
碳化硅衬底可以制作成半绝缘型衬底及导电型衬底,分别外延碳化硅
及氮化镓制作成功率器件或微波射频器件。功率电器领域,碳化硅器
件可大幅降低能耗及可耐高压高频,被广泛应用在电动汽车/充电桩、
光伏新能源、轨道交通及智能电网领域,2025 年市场规模将超 100
亿;射频器件领域,碳化硅的高导热性能能够满足 5G 通讯对高频性
能和高功率处理能力的要求,2025 年市场规模将超 100 亿。
成本端依然是考量第三代半导体大规模应用的关键因素
受制于碳化硅长晶速度、加工难度及缺陷密度,碳化硅的成本一直居
高不下成为其扩大应用的难题。
根据 CASA 的调研数据,2020 年 SiC 电力电子器件价格同比进一步下
降,但部分器件实际成交价与等同规格的 Si 器件价差已经缩小至 2-
2.5 倍之间。目前市场上降低成本的主要方式有扩大晶圆尺寸、改进
碳化硅长晶工艺及改进切片工艺等,未来其价差有望进一步缩小。
衬底及外延端价值高,国内外差距小,或可实现弯道超车
根据 CASA Research 数据,第三代半导体产业链中,衬底成本占器件
-37%
-21%
-4%
12%
29%
45%
5/21 8/21 11/21 2/22 5/22
国防军工
沪深300
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行业研究
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证券研究报告
总成本的 47%,外延成本占器件总成本的 23%,二者合计约 70%,为
碳化硅器件成型流程最具投资价值的环节。相较之下,12 寸硅片的
衬底与外延价值总计约占 11%,因而碳化硅领域衬底及外延更具投资
价值。
竞争格局方面,从海内外公司业务布局、专利布局、盈利能力、技术
实力及发展环境等角度来看,国内公司仅起步时间稍微落后,差距极
小。考虑到行业整体处于产业化初期,受益于国内 5G 通讯、新能源
等新兴产业的技术水平、产业化规模的世界领先地位,国内碳化硅器
件巨大的应用市场空间将持续驱动上游半导体行业快速发展,国内碳
化硅厂商有望成长为具有国际竞争力的企业。
投资建议
基于国防军工及新能源行业的高景气度,考虑到碳中和催动能源转型
降低能耗,我们预计碳化硅行业将迎来快速发展期。建议关注中瓷电
子、凤凰光学、亚光科技、海特高新、赛微电子、天岳先进、斯达半
导、露笑科技、扬杰科技、三安光电等。
风险提示
SIC 成本降低不达预期;SIC 器件稳定性可靠性指标不及预期;国内
SIC 产业链跟国外差距进一步拉大的风险;宏观经济导致行业景气
下降的风险。
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行业研究
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证券研究报告
正文目录
1 新材料:高新技术基础及先导 .............................................................................................................................................. 7
2 第三代半导体:能源转换链中的革命 ................................................................................................................................ 11
2.1 碳化硅是功率器件的优质衬底材料 ................................................................................................................................. 12
2.2 新能源及通讯将支撑市场稳步发展 .................................................................................................................................. 21
2.3 价格及可靠性仍是扩大应用的难点 ................................................................................................................................. 31
2.4 衬底及外延成未来弯道超车的关键 .................................................................................................................................. 45
3 投资建议 ............................................................................................................................................................................ 55
风险提示: ............................................................................................................................................................................ 55
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行业研究
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图表目录
图表 1 新材料推动社会进步 ........................................................................................................................................................... 7
图表 2 工艺及设备是新材料的“源”和“流” ........................................................................................................................... 8
图表 3 新材料技术和生物技术、软件等商业化时间及成本对比 ............................................................................................... 8
图表 4 技术成熟度及切中行业痛点是新材料应用关键 ............................................................................................................... 9
图表 5 1997-2010 年半导体芯片的晶体管密度变化 ................................................................................................................... 9
图表 6 新材料技术翻“新”或下沉市场速度主宰企业的未来 ................................................................................................. 10
图表 7 海外及中国碳化硅产业链全景 ......................................................................................................................................... 11
图表 8 半导体产业链结构 ............................................................................................................................................................. 12
图表 9 功率半导体产品范围示意图 ............................................................................................................................................. 13
图表 10 各代半导体材料的主要用途 ........................................................................................................................................... 14
图表 11 功率半导体材料重要物理性能的比较 ........................................................................................................................... 14
图表 12 碳化硅与其他半导体材料本征性质的比较 ................................................................................................................... 15
图表 13 碳化硅器件可在高压下使用 ........................................................................................................................................... 15
图表 14SIC 器件、GAN 器件及 SI 器件适用的频段 ..................................................................................................................... 16
图表 15 碳化硅器件耐受温度高 ................................................................................................................................................... 16
图表 16 碳化硅(SIC)器件可降低碳化硅(SIC)器件可降低导通损耗 ................................................................................ 17
图表 17 采用碳化硅(SIC)器件可将电力驱动系统体积减小 3~5 倍 ..................................................................................... 17
图表 18SI 和 SIC 的耐压等级(二极管) .................................................................................................................................... 18
图表 19SIC 肖特基二极管与快速硅二极管的 TRR 温度特性 ....................................................................................................... 18
图表 20SIC 肖特基二极管与快速硅二极管的反向恢复特性 ..................................................................................................... 19
图表 21 晶体管开通损耗和关断损耗 ........................................................................................................................................... 19
图表 22 硅材料与碳化硅材料的器件损耗对比 .......................................................................................................................... 20
图表 23 25℃下各器件的正向导通特性 ...................................................................................................................................... 20
图表 24 150℃下各器件的正向导通特性 .................................................................................................................................... 20
图表 25 SI 和 SIC 的耐压等级电压范围 ...................................................................................................................................... 21
图表 26 碳化硅衬底、外延及器件产业链示意图 ....................................................................................................................... 22
图表 272020 年我国 SIC 电力电子器件应用市场结构 ............................................................................................................... 22
图表 28 基于碳化硅(SIC)的驱动系统可搭载更轻、更小的电池且续航里程更长 ............................................................. 23
图表 29 全碳化硅模块具备更高电流输出能力,支持逆变器达到更高功率 ........................................................................... 24
图表 30 英飞凌碳化硅产品在汽车中的应用 ............................................................................................................................... 24
图表 31 罗姆碳化硅产品在汽车中的应用 ................................................................................................................................... 25
图表 32 新能源汽车市场 SIC 晶圆需求预测(万片) .............................................................................................................. 25
图表 33 西门子推出首款采用碳化硅晶体管的 155/165KW 组串型光伏逆变器 ....................................................................... 26
图表 34 中车株洲所自主研发的搭载全碳化硅牵引逆变器的列车 ........................................................................................... 26
图表 35 引入 SIC 器件以提高太阳能升压电路的转换效率 ....................................................................................................... 27
图表 36 光伏逆变器中碳化硅功率器件占比预测 ....................................................................................................................... 28
图表 37 光伏逆变器中碳化硅功率器件占比预测 ....................................................................................................................... 28
图表 38 使用氮化镓可以满足 5G 应用需求 ................................................................................................................................. 28
图表 39 GAN 为 5G 提供单片前端解决方案 ................................................................................................................................ 29
图表 40 GAN 射频功率晶体管可作为新的固态能量微波源替代传统的 2.45GHZ 磁控管 ........................................................ 29
图表 41 不同类型射频器件在高频高功率下应用对比 ............................................................................................................... 30
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行业研究
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图表 42 不同类型射频器件市场份额预测 ................................................................................................................................... 30
图表 43 全球碳化硅衬底氮化镓射频器件 2025 年市场规模将达 20 亿美金 ........................................................................... 30
图表 44 我国 5G 宏基站 4 英寸 GAN 晶圆需求量(万片) ......................................................................................................... 31
图表 45 碳化硅晶片制造流程 ....................................................................................................................................................... 32
图表 46 碳化硅晶体生长主流工艺比较 ....................................................................................................................................... 32
图表 47 碳化硅外延生长机理示意图 ........................................................................................................................................... 33
图表 48GAN/SIC 及 GAN/ALN/SIC 外延生长模式示意图 ............................................................................................................... 33
图表 49SIC 器件不同电压对于 SIC 外延层厚度和掺杂浓度的要求 .......................................................................................... 33
图表 50SIC 外延生长基本工艺曲线 ............................................................................................................................................. 34
图表 51 外延层三种方式优缺点对比 ........................................................................................................................................... 35
图表 52 不同切割工艺的性能对比 ............................................................................................................................................... 35
图表 53 超声振动辅助磨削 ........................................................................................................................................................... 36
图表 54 在线电解修整辅助磨削 ................................................................................................................................................... 36
图表 55SIC 精抛工艺对比 ............................................................................................................................................................ 37
图表 56 碳化硅单晶抛光片加工标准 ........................................................................................................................................... 38
图表 57 SIC 单晶中微管闭合及短微管形成的图片和示意图 ................................................................................................... 38
图表 58 4H-SIC 单晶外延过程中常见的几种缺陷 ...................................................................................................................... 39
图表 59 2 英寸、3 英寸、4 英寸和 6 英寸微管密度逐年降低 ................................................................................................. 39
图表 60 碳化硅晶锭重复 A 面工艺示意图 ................................................................................................................................... 40
图表 61 碳化硅晶锭总位错密度与 A 面生长阶段数间的关系 ................................................................................................... 40
图表 622017-2020 年 650V 的 SIC SBD 价格(元/A) ............................................................................................................... 41
图表 632017-2020 年 1200V 的 SIC SBD 价格(元/A) ............................................................................................................. 41
图表 64 SIC MOSFET 2020 年平均价格(元/A) ........................................................................................................................ 41
图表 65WOLFSPEED 晶圆尺寸增加芯片数量从而降低成本 ............................................................................................................ 42
图表 66 住友 MPZ(多参数和区域控制)溶液生长技术 ........................................................................................................... 43
图表 67 住友 6 英寸 EPIERA 所构成的器件 .................................................................................................................................. 43
图表 68COOL SPLIT 技术切割晶圆的步骤 ...................................................................................................................................... 44
图表 69COOL SPLIT 技术切割出的晶圆 .......................................................................................................................................... 44
图表 702020 年碳化硅功率半器件价值拆分 ............................................................................................................................... 45
图表 712020 年 12 寸硅功率器件价值拆分 ................................................................................................................................. 45
图表 72 海外企业碳化硅领域布局时间线 ................................................................................................................................... 46
图表 73 国内企业碳化硅领域布局时间线 ................................................................................................................................... 46
图表 74 排名前十的第三代半导体器件相关专利来源地申请数量、授权数量与授权比 ....................................................... 47
图表 75 排名前十的第三代半导体器件相关专利受理地申请数量、授权数量与授权比 ....................................................... 47
图表 76 中国第三代半导体器件专利申请排名前十机构 ........................................................................................................... 48
图表 77 山东天岳、天科合达与海外可比公司经营情况对比 ................................................................................................... 48
图表 78 近两年科锐公司、贰陆公司与山东天岳在半绝缘型碳化硅衬底领域按金额统计的市场份额情况 ....................... 49
图表 79 全球半绝缘型碳化硅衬底领域市场份额情况 ............................................................................................................... 49
图表 80 国内外公司碳化硅相关专利数量(2020 年底) .......................................................................................................... 49
图表 81 国内外碳化硅公司 2020 年研发投入情况 ..................................................................................................................... 49
图表 824 英寸半绝缘型碳化硅衬底技术参数对比 .................................................................................................................... 50
图表 836 英寸半绝缘型碳化硅衬底技术参数对比 .................................................................................................................... 50
图表 844 英寸半导电型碳化硅衬底技术参数对比 .................................................................................................................... 50
图表 85 行业内各公司不同尺寸 SIC 晶片的推出对比 .............................................................................................................. 51
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