2020年中國第三代功率半導體材料應用需求行業市場產業研究報告（31頁）.docx

1、2020 年深度行業分析研究報告目 錄一、為什么推薦投資第三代半導體材料41、功率半導體下游細分領域帶動需求爆發式增長，將帶動第三代半導體材料應用42、貿易摩擦加劇與摩爾定律見頂雙重背景下，底層材料提供了彎道超車的可能性43、新基建與消費電子為國內需求打開空間5二、功率半導體受益于下游新興領域快速發展51、功率半導體是電路控制的核心元器件52、市場規模平穩增長，未來增量空間來自于新興領域73、國內是最大的消費市場，自給率不足 20%9三、第三代半導體材料是功率半導體躍進的基石111、第三代半導體材料對性能提升有明顯優勢112、產業應用集中在襯底、射頻器件，2025 年滲透率將達到 50%以上1

2、23、底層材料突破是摩爾定律延續的關鍵14四、新基建視角：5G 射頻端需求帶動 GaN 爆發式增長171、宏基站射頻元器件數量大增，GaN 滲透率有望持續提升172、小基站性能優勢明顯，高功率高頻段環境下需求度提升18五、消費電子視角：高效能、小體積加速 GaN 消費電子中的應用201、以充電器為代表，GaN 支持下的快充效率翻倍提升202、新能源汽車市場拐點已至，GaN 功率器件空間可期22六、相關上市公司271、海特高新272、三安光電283、斯達半導29圖表目錄Figure 1 功率半導體主要分類6Figure 2 各功率半導體的主要特性及應用場景7Figure 3 全球功率半導體市場規

3、模及增速8Figure 4 國內半導體市場規模及增速8Figure 5 功率半導體按照輸出功率分類的應用場景9Figure 6 2018 年全球 IGBT 市場格局9Figure 7 2018 年全球 MOSFET 市場格局9Figure 8 2018 年全球功率半導體產品結構10Figure 9 2018 年國內功率半導體產品結構10Figure 10 2018 年全球功率半導體市場份額11Figure 11 2018 年中國功率半導體市場份額11Figure 12 三代半導體材料主要特征11Figure 13 第三代半導體與硅的特性對比12Figure 14 2025 第三代半導體材料發展

4、目標14Figure 15 摩爾定律：1971-2018 年集成電路晶體管數量變化15Figure 16 各國第三代半導體領域研發項目16Figure 17 GaN 將逐步取代 LDMOS 市場份額17Figure 18 2019 年起 5G 基站將走向建設高峰17Figure 19 GaN 射頻器件需求量18Figure 20 Massive MIMO 在 5G 中將大量出現18Figure 21 小基站設備形態及應用場景19Figure 22 ANKER 快充及實際參數20Figure 23 小米 Type-C65W 最大輸出功率發熱情況20Figure 24 各充電方案對比21Figur

5、e 25 智能手機與可穿戴設備中 GaN 快充測算22Figure 26 不同自動駕駛級別所對應的智能程度23Figure 27 汽車電子占整車成本未來趨近 50%23Figure 28 新能源汽車是電子化的重要標志23Figure 29 汽車電子涉及主要環節24Figure 30 全球與國內汽車電子市場規模（億美元）24Figure 31 NEV 絕大部分零部件將被電子元器件代替25Figure 32 新能源汽車驅動系統及控制系統中主要的功率元器件拆分26Figure 33 新能源汽車與傳統燃油車半導體價值量拆分27Figure 34 海特高新營業收入變化28Figure 35海特高新歸母凈

6、利潤變化 .28Figure 36海特高新毛利率及凈利率變化情況 .28Figure 37海特高新三項費用變化情況 .28Figure 38三安光電營業收入變化 .29Figure 39三安光電公司歸母凈利潤變化 .29Figure 40三安光電毛利率及凈利率變化情況 .29Figure 41三安光電三項費用變化情況 .29Figure 42斯達半導營業收入變化 .30Figure 43斯達半導公司歸母凈利潤變化 .30Figure 44斯達半導毛利率及凈利率變化情況 .30Figure 45斯達半導三項費用變化情況 .30一、為什么推薦投資第三代半導體材料1、功率半導體下游細分領域帶動需求爆

7、發式增長，將帶動第三代半導體材 料應用功率半導體在電子行業中應用廣泛，且技術相對成熟，目前是以硅片為襯底， 帶隙寬度較小，市場普遍認為，增長彈性不大，整體規模保持穩定。與之有 差異的是，我們認為，未來功率半導體將呈現高性能，高增長，高集中度的 發展趨勢，從而帶動第三代半導體材料應用需求，主要原因有以下幾點：1） 下游新興行業增量顯著；2）自給率仍然偏低，替代空間巨大；3）未來集中 產品碎片化將有所改善，高端產品如 IGBT、MOSFET 產品性能和技術壁壘 同步提升，下游對高端產品的依賴度會隨之增加。功率半導體市場規模較大， 高性能驅使下，新型半導體襯底材料滲透率有望進一步提升。2、貿易摩擦加

8、劇與摩爾定律見頂雙重背景下，底層材料提供了彎道超車的 可能性美方對華為制裁規模未有縮小趨勢，同時加劇了多方面的技術圍剿，底層材 料的重要性不容忽視。美方將計劃限制華為使用美國技術和軟件在海外設計 和制造半導體的能力來保護國家安全，華為及其被列入實體清單的分支機構 生產的以下產品將受出口管理條例（EAR）的約束，具體而言包括以下兩個 方面：1）華為及相關公司利用美國管制清單（CCL）上的軟件和技術直接生 產的產品；2）根據華為的設計規范，在美國海外的地方利用 CCL 清單上的 半導體制造設備生產的芯片等產品，此類產品在向華為及其分支機構出貨時 需要申請許可證。摩爾定律在硅時代已接近效能極限，臺積

9、電已開始 2nm 探索性研發，單一 增加制程精度的方式不可持續?！澳柖伞痹谶^去的幾十年中是集成電路性 能增長的黃金定律。其核心內容：價格維持不變時，集成電路上可容納的元 件數目，約每隔 18-24 個月便會增加一倍，性能也將提升一倍。根據 ITRS 的觀點，傳統的硅晶體管微縮至 6 納米已達極限。以硅材料為根基的摩爾定 律即將失效。若半導體仍以摩爾定律趨勢發展，則需要在底層材料中形成突 破。美國、歐盟、日韓等國家和地區組織已經通過制定研發項目的方式來引 導產業發展。目前主要的突破手段存在于幾個方面：1）底層材料突破，除氮 化鎵、砷化鎵外，以碳基為材料的半導體技術也在持續突破；2）以 SIP

10、 封裝為代表的高密度集成方式，一定程度上滿足了性能的發展需求。3、新基建與消費電子為國內需求打開空間國內基站端建設投資力度擴大，國內需求將大于國外。預計 2020 年 5G 新 建基站有望達到 80w 座以上，其中大部分將以“宏基站為主，小基站為輔” 的組網方式。在射頻端高頻高速的背景下，第三代半導體材料的滲透率將會 大幅提升，2023 年 GaN RF 在基站中的市場規模將達到 5.2 億美元，年復合 增長率達到 22.8%。未來隨著 GaN 技術進步和規?；l展，GaN PA 滲透率 有望不斷提升，預計到 2023 年市場滲透率將超過 85%。5G 宏基站使用的 PA（Power Ampl

11、ifier，功率放大器）數量在 2019 年達到 1843.2 萬個，2020 年有望達到 7372.8 萬個，同比增長有望達到 4 倍。預計今年，基于 GaN 工 藝的基站 PA 占比將由去年的 50%達到 58%。消費電子市場規模分別受益于快充滲透率與新能源汽車電子化率的提升。假 設智能手機未來三年 GaN 快充滲透率為 1%、3%、5%，可穿戴需求度相對 手機端有所降低，三年的滲透率為 0.5%、1%、2%；我們預計 2020 年全球 GaN 充電器市場規模為 24.41 億元，2022 年有望達到 87.74 億元。在新能 源車型中，目前混動新能源汽車占新能源汽車總量的 80%以上，電

12、機與電控 是核心元器件。GaN 可用于 48VDC/DC 以及 OBC(On Board Charger 車載 充電機)。據 Yole 的預測，2023 年該領域的市場規模將達到 2500 萬美元。 新能源汽車無疑是電力電子設備市場的主要驅動力，也是不同技術路線（Si、 SiC 和 GaN）的主要爭奪市場。二、功率半導體受益于下游新興領域快速發展1、功率半導體是電路控制的核心元器件功率 IC 和功率分立器件占功率半導體的絕大部分。功率器件是通過控制電 子設備中電壓、電流、頻率以及交流（AC）直流（DC）的轉換，從而達到 控制元器件的功能。功率半導體屬于半導體的一個細分領域，是通過變換電 能的交

13、直流、電壓電流頻率大小從而實現對電路控制的核心器件，可以分為 功率 IC 和功率分立器件兩大類。功率 IC 是將控制電路和大功率器件集成在同一塊芯片上控制的集成電路，主要的應用產品是電源管理，承擔變換、分 配、檢測電壓電流頻率的功能，由于在電子設備系統中每個模塊所需供電電 壓和電流各不相同，需要電源管理芯片對不同元器件所需電能情況進行轉換 和調節。功率分立器件主要包括有二極管、晶體管及晶閘管，晶體管占有重 要的份額，其中 MOSFET（金屬氧化物半導體場效晶體管）和 IGBT（絕緣 柵雙極型晶體管）產品性能優越，控制能力及范圍有出色的表現，近年來市 場規模增長較快，結構占比不斷提升。Figur

14、e 1 功率半導體主要分類資料來源：CNKI、研究所從細分產品來看，功率半導體因其不同的性能，發揮作用也有所不同。 二極管具有單向導電性能，即給二極管陽極和陰極加上正向電壓時，二極管 導通。當給陽極和陰極加上反向電壓時，二極管截止。因此，二極管的導通 和截止，則相當于開關的接通與斷開。晶閘管。晶閘管設計用于在高電流和高電壓下工作，并且通常用于 AC 電流 到 DC 電流的整流以及 AC 電流頻率與幅值的調整。通常將晶閘管可以分為 可控硅整流器（通常稱為晶閘管）和柵極關斷晶閘管（GTO），以上均屬于 高功率器件。MOSFET 屬于晶體管的一種，與標準雙極晶體管之間的基本區別在于源極- 漏極電流由

15、柵極電壓控制，使其工作比需要高基極電流導通的雙極晶體管更 節能。此外，它具有快速關閉功能及允許高頻率切換，由于工作環境可以承 受更高的溫度，特別適用于家用電器，汽車和 PC 電源的電源設計。IGBT 將雙極晶體管的某些特性與單個器件中的 MOSFET 的特性結合在一 起。IGBT 與 MOSFET 有顯著差異，制造起來更具挑戰性。IGBT 器件可以 處理大電流（如雙極晶體管）并受電壓控制（如 MOSFET），使其適用于高 能量應用，如變速箱，重型機車，大型船舶螺旋槳等。Figure 2 各功率半導體的主要特性及應用場景類型可控性驅動形式導通電壓特點應用領域二極管不可控電流驅動單向低于 1V電壓

16、電流較小，只能單向導電電子、工業晶閘管半控電壓驅動單向高于1000V體積小、耐壓高工業、變頻器、電焊機消費電子、通信、工業控制、MOSFET全控電壓驅動雙向10-1000V能承受高電壓，不能放大電壓汽車電子等領域IGBT全控電壓驅動雙向高于600V開關頻率高，不耐超高壓，可改變 電壓軌交。工控、新能源、白色 家電功率 IC將功率元器件集成在一個整體的集成電 路上。根據不同器件類型決定控制類型和 驅動電壓。體積小、重量輕、壽命長、功能多消費電子、通信、計算機和 工控資料來源：CNKI、研究所2、市場規模平穩增長，未來增量空間來自于新興領域全球市場規模平穩增長，國內市場需求有望保持高速增長。功率半

17、導體作為 電子設備中最基礎的元器件，應用領域極其廣泛。從市場規模來看，根據 IHS Markit 數據，2018 年全球功率半導體市場規模約為 400 億美元，預計到 2021 年市場規模將增長至 441 億美元，年復合增速為 4.1%。中國是全球最大的 功率半導體消費市場，未來有望保持高速發展，根據 IHS Markit 數據，2018 年國內市場規模達到 138 億美元，增速為 9.5%，占全球需求比例高達 35%， 預計未來中國功率半導體將繼續保持較高速度增長，2021 年市場規模有望達 到 159 億美元，年復合增速達 4.8%。從增量來源來看，由于下游新能源以 及汽車電子化程度的提升

18、，功率半導體的應用領域已從工業控制和消費電子 拓展至光伏、風電、智能電網、變頻家電、新能源汽車等諸多市場，下游新 型領域市場的發展情況是功率半導體未來增量的重要保證。Figure 3 全球功率半導體市場規模及增速Figure 4 國內半導體市場規模及增速500450400350300250200150100500全球功率半導體（億美元）增速（%）20142015201620172018 2019E 2020E 2021E12%10%8%6%4%2%0%-2%-4%-6%180160140120100806040200中國功率半導體（億美元）增速（%）20142015201620172018 2

19、019E 2020E 2021E14%12%10%8%6%4%2%0%-2%資料來源：IHS、研究所資料來源：IHS、研究所從應用范圍角度看，任何需要電能轉換、電能與信號轉換地方都需要功率半 導體。從應用功率大小來看，可以劃分為四大應用場景：1）消費類電子產品/白色家電，功率范圍 10W-100W： 功率半導體是消費電子產品中控制充電機制、功率輸出和能效的核心元器件。 在白色家電中，優化的感應技術以及變頻需求，也使得功率半導體也是白色 家電走向智能化的核心。2）新能源汽車及數據通信，功率范圍 100W-10kW： 新能源汽車的電氣化占比快速提升，目前新能源汽車相比于燃油車電子零部 件價值增加

20、5 倍以上，新增的功率半導體器件的性能和功率效率是電動汽車 運行的關鍵，功率元件主要用于逆變器、電源控制系統。 功率半導體保證數據中心不間斷供電以及電壓穩定方面具有重要作用，主要 用于整流，電池充電和 DC/AC 逆變。UPS 是 IDC 的必需設備，極大程度增 加了服務器系統中功率半導體元件的使用，未來氮化鎵的使用和能量比例計 算將繼續增加數據中心中功率半導體使用的廣度。3）可再生能源及交通運輸，功率范圍 10kW-1000kW: 可再生能源發電也需要高功率半導體，因為可再生能源不規則，需要高的發 電效率才能實現經濟可持續發展。以每兆瓦時為基礎，風電場需要比傳統燃 煤電站多 30 倍的功率半

21、導體價值量。使用 IGBT 的變速驅動器越來越多地取代工業應用中的傳統電機，因為它們 可以顯著提高能效。功率半導體對于工廠的進一步自動化也至關重要，“工業 4.0”的革命在很大程度上取決于增加的功率和傳感器半導體內容，以驅動工 廠的機器人技術。4）智能電網和儲能，功率范圍 1000kW 以上：可再生能源（特別是風能和太陽能）的消納對于智能電網的穩定性帶來了巨 大的挑戰，電能的難以存儲也為儲能帶來了更大的難度。有效的能量存儲對 于向可再生能源對總發電的更高貢獻的轉變至關重要，并且需要再次有效地 轉換電能，即功率半導體。Figure 5 功率半導體按照輸出功率分類的應用場景資料來源：CNKI、研究

22、所3、國內是最大的消費市場，自給率不足 20%功率 IC 與功率分立器件市場份額占比接近各半，IGBT、MOSFET 在分立器 件中占比較大。在全球功率半導體市場，功率 IC 和功率分立器件幾乎平分了 整個市場份額。根據 Yole、IHS、Gartner 數據匯總分析，2018 年，功率 IC 和功率器件全球市場份額分別為 54%和 46%。其中，在功率分立器件市場中， MOSFET 和 IGBT 占比較大，分別為 17%和 15%，功率二極管/整流橋占比 稍低，為 12%。Figure 6 2018 年全球 IGBT 市場格局Figure 7 2018 年全球 MOSFET 市場格局 其他3

23、3%英飛凌34%英飛凌27%安森美13%其他38%威科電子5%賽米控8%富士電機10%三菱10%瑞薩7%東芝7%意法半導體8%資料來源：IHS、研究所資料來源：IHS、研究所在中國功率半導體市場，電源管理 IC、MOSFET 和 IGBT 合計占據了 95% 的市場份額。其中，電源管理 IC 市占率高達 61%，占比最大，MOSFET 和 IGBT 市場份額分別為 20%和 14%。得益于下游消費電子、新能源汽車、通 訊行業近幾年的快速發展，電源管理 IC 市場保持穩健增長，截止 2018 年， 中國電源管理 IC 市場規模已達 84.3 億美元。同時，未來伴隨新能源汽車行 業的快速發展，MO

24、SFET 和 IGBT 也將迎來廣闊的成長空間。Figure 8 2018 年全球功率半導體產品結構Figure 9 2018 年國內功率半導體產品結構其他IGBT2%12%其他5%IGBT14%功率二極管/整流橋15%功率IC 54%MOSFET20%電源管理IC 61%MOSFET 17% 資料來源：IHS、研究所資料來源：IHS、研究所中國為全球最大的消費國和進口國，隨下游新興領域發展加快，國產替代空 間明顯。由于功率半導體下游應用廣泛，市場普遍認為行業增速彈性不大， 整體規模保持穩定。與之有差異的是，我們認為，未來功率半導體將呈現高 性能，高增長，高集中度的發展趨勢，主要原因有以下幾點

25、：1）下游新興 行業增量顯著：下游以汽車電子為代表的新興應用增速進一步加快，除去傳 統電子控制系統外，電驅、電控、電池三大件對于功率半導體的需求量爆發 式增長，假設 2025 年新能源汽車市場規模達到 150 億元，按照汽車電子化 率 30%測算，僅在新能源汽車中的電子元器件增量為 50 億元；2）自給率仍 然偏低，替代空間巨大：國內需求增加的同時，自給率不足 20%，從國內外 產業鏈的對比來看，假設自給率達到 50%，國內至少仍有 50 億美元的市場 空間增量；3）未來集中度會進一步提升，產品碎片化將有所改善：由于產 品種類繁多，總體較為碎片化，但部分高端產品如 IGBT、MOSFET 產品

26、性 能和技術壁壘同步提升，下游對高端產品的依賴度會隨之增加，細分領域集 中度提升是必然趨勢。Figure 10 2018 年全球功率半導體市場份額Figure 11 2018 年中國功率半導體市場份額英飛凌德意高通4%14%英飛凌14%州儀器9%安森美8%其他61%安森美7%法半導體5%其他58%德州儀器8%高通6%Dialog 6% 資料來源：IHS、研究所資料來源：IHS、研究所三、第三代半導體材料是功率半導體躍進的基石1、第三代半導體材料對性能提升有明顯優勢第三代半導體材料以碳化硅、氮化鎵為代表，極具性能優勢。第三代半導體 材料是指帶隙寬度明顯大于 Si 的寬禁帶半導體材料，主要包括 S

27、iC、GaN、 金剛石等，因其禁帶寬度大于或等于 2.3 電子伏特，又被稱為寬禁帶半導體 材料。和第一代、第二代半導體材料相比，第三代半導體材料具有高熱導率、 高擊穿場強、高飽和電子漂移速率和高鍵合能等優點，可以滿足現代電子技 術對高溫、高功率、高壓、高頻以及高輻射等惡劣條件的新要求。第三代半 導體材料在航空、航天、光存儲等領域有著重要應用前景，在寬帶通訊、太 陽能、汽車制造、半導體照明、智能電網等眾多戰略行業可以降低 50%以上 的能量損失，最高可以使裝備體積減小 75%以上，是半導體產業進一步躍進 的基石。Figure 12 三代半導體材料主要特征發展歷程代表材料主要特性第一代半導 體材料

28、第 二 代 半 導 體材料第三代半導 體材料Si、GeGaAs、InP等SiC 、 GaN等主要應用于大規模集成電路中，產業鏈十分成熟，成本低；Ge 材料主要應用于低壓、低頻、中功率晶體管及光電探測器中 ；目前 95%以上的半導體器件和 99%以上的集成電路都是由 Si 材料制作。 直接帶隙、光電性能優越； 適用于制作高速、高頻、大功率以及發光電子器件，是制作高性能微波、毫米波器件及發 光器件的優良材料，廣泛應用于衛星通訊、移動通訊、光通信、GPS 導航等領域； GaAs、InP 材料資源稀缺，價格昂貴，并且還有毒性，能污染環境，InP 甚至被認為是可 疑致癌物質，具有一定的局限性。寬禁帶半導

29、體材料，禁帶寬度大于 2eV，具有可見光至紫外光的發光特性，抗高壓、高溫 和高輻射性能優越，可承受大功率； 主要應用于半導體照明、電力電子器件、激光器和探測器等領域。資料來源：智庫、研究所半導體材料經歷了三次明顯的換代和發展。第一代半導體材料是 Si、Ge 等 單質半導體材料，由于其具有出色的性能和成本優勢，目前仍然是集成電路 等半導體器件主要使用的材料；第二代半導體材料以 GaAs 和 InP 等材料為 代表。第二代半導體材料在物理結構上具有直接帶隙的特點，相對于 Si 材料 具有光電性能佳、工作頻率高、抗高溫、抗輻射等優勢，可以應用于光電器 件和射頻器件；第三代半導體材料以 GaN 和 S

30、iC 等材料為代表。1969 年實 現了 GaN 單晶薄膜的制備。1994 年中村修二研發了第一支高亮度的 GaN 基藍光 LED。1891 年，SiC 晶體被人工合成。1955 年，飛利浦實驗室的 Lely 發明 SiC 的升華生長法(或物理氣相傳輸法，即 PVT 法)，后來經過改進后的 PVT 法成為 SiC 單晶制備的主要方法。材料分子結構導致先天性能優勢。第三代半導體材料相對于 Si 材料具有：禁 帶寬度更大、電子飽和飄移速度較高等特點，制作出的半導體器件擁有光電 性能優異、高速、高頻、大功率、耐高溫和高輻射等特征，具備應用于光電 器件、微波器件和電力電子器件的先天性能優勢。Figur

31、e 13 第三代半導體與硅的特性對比材料性能SiSiCGaN禁帶結構間接帶隙間接帶隙直接帶隙禁帶寬度（eV）1.13.33.4電子遷移率（10cm/Vs）135010002000電子飽和漂移速度（10cm/s）12.22.7相對介電常數11.99.78.9熱導率（W/cmK）1.494.91.3擊穿場強（MV/cm）0.32.83.3對應器件理論最高工作溫度（）175600800資料來源：智庫、研究所2、產業應用集中在襯底、射頻器件，2025 年滲透率將達到 50%以上GaN 襯底技術難度較大，光電子領域中較為成熟。目前，SiC 襯底技術相對 簡單，主要制備過程大致分為兩步：第一步 SiC 粉

32、料在單晶爐中經過高溫升 華之后在單晶爐中形成 SiC 晶錠；第二步通過對 SiC 晶錠進行粗加工、切割、 研磨、拋光，得到透明或半透明、無損傷層、低粗糙度的 SiC 晶片（即 SiC 襯底）。GaN 襯底的生長主要采用 HVPE（氫化物氣相外延）法，制備技術 仍有待提升，行業產量較低，導致 GaN 襯底的缺陷密度和價格較高，目前只 有激光器等少數器件采用 GaN 同質襯底；GaN 電力電子器件的襯底主要采 用 Si 襯底，部分企業采用藍寶石襯底，GaN 同質襯底的器件在研發中；GaN射頻器件主要是 SiC 高純半絕緣襯底，少數企業采用 Si 做襯底；GaN 光電 子器件是 GaN 材料最成熟的

33、領域，基于藍寶石、SiC 和 Si 襯底的藍寶石 LED 產業已經進入成熟階段。高技術門檻導致第三代半導體材料市場以日美歐寡頭壟占，國內企業在 SiC 襯底方面以 4 英寸為主。目前，國內已經開發出了 6 英寸導電性 SiC 襯底和 高純半絕緣 SiC 襯底，山東天岳公司、北京天科合達公司和河北同光晶體公 司分別與山東大學、中科院物理所和中科院半導體所進行技術合作與轉化， 在 SiC 單晶襯底技術上形成自主技術體系。國內目前已實現 4 英寸襯底的量 產；同時山東天岳、天科合達、河北同光、中科節能均已完成 6 英寸襯底的 研發；中電科裝備已成功研制出 6 英寸半絕緣襯底。在 GaN 襯底方面，國

34、 內企業已經可以小批量生產 2 英寸襯底，具備 4 英寸襯底生產能力，并開發出 6 英寸襯底樣品。目前已實現產業化的企業包括蘇州納米所的蘇州納維科 技公司和北京大學的東莞市中鎵半導體科技公司，其中蘇州納維目前已推出 4 英寸襯底產品，并且正在開展 6 英寸襯底片研發。先進半導體材料已上升至國家戰略層面，2025 年目標滲透率超過 50%。底 層材料與技術是半導體發展的基礎科學，在 2025 中國制造中，分別對第三 代半導體單晶襯底、光電子器件/模塊、電力電子器件/模塊、射頻器件/模塊 等細分領域做出了目標規劃。在任務目標中提到 2025 實現在 5G 通信、高效 能源管理中的國產化率達到 50

35、%；在新能源汽車、消費電子中實現規模應用， 在通用照明市場滲透率達到 80%以上。Figure 14 2025 第三代半導體材料發展目標材料性能細分重點及市場空間2025 年任務目標關鍵戰略 材料：先 進半導體 材料第三代 半導體 單 晶 襯 底第三代 半導體 光電子 器件 ， 模塊 第三代 半導體 電力 電 子器 件 ， 模 塊 第三代 半導體 射頻器 件 ，模 塊8 英寸 SiC，4-6 英寸 GaN，2-3 英寸 AIN 單晶襯底制備 技術，大尺寸、高質量第三 代半導體單晶襯底的國產裝 備50mW 以上 GaN 紫外 LED15kV 以上 SiC 電力電子器件 制備關鍵技術，高質量 Ga

36、N 電力電子器件設計與制備， 高電壓、高速軌道交通、消 費電子、新能源汽車等領域 的應用100MHz 及以上的 GaN 微波 射頻器件和模塊，5G 移動通 信和衛星通信領域中的應用根據 Yole 的預測，到 2023 年單晶襯 底市場規模復合增速將達 15%，將從 17 年的 160 余萬片需求增至約 400 萬片，其中光子應用復合增速將達 37%2018 年全球 UVLED 市場規模達 2.99億美金，預計到 2023 年市場規模將達9.91 億美金，2018-2023 年 CAGR 達到 27%。根據 CASA 統計，2018 年國內市場 SiC、GaN 電力電子器件的市場規模約 為 28

37、 億元，同比增長 56%，預計未來 五年復合增速為 38%，到 2023 年 SiC、 GaN 電力電子器件的市場規模將達到 148 億元2018 年第三代半導體射頻電子市場規 模約為 24.5 億元，同比增長 103%， 國防航空仍然占主要市場，2023 年市 場規模將有望達到 250 億元2025 實現在 5G 通信、高 效能源管理中的國產化率 達到 50%；在新能源汽車、 消費電子中實現規模應用， 在通用照明市場滲透率達 到 80%以上。資料來源：中國制造 2025、研究所3、底層材料突破是摩爾定律延續的關鍵摩爾定律在硅時代 6nm 已接近效能極限?！澳柖伞痹谶^去的幾十年中是 集成電

38、路性能增長的黃金定律。其核心內容：價格維持不變時，集成電路上 可容納的元件數目，約每隔 18-24 個月便會增加一倍，性能也將提升一倍。 根據 ITRS 的觀點，傳統的硅晶體管微縮至 6 納米已達極限。以硅材料為根 基的摩爾定律即將失效。若半導體仍以摩爾定律趨勢發展，則需要在底層材 料中形成突破。美國、歐盟、日韓等國家和地區組織已經通過制定研發項目 的方式來引導產業發展。Figure 15 摩爾定律：1971-2018 年集成電路晶體管數量變化資料來源：Our world in data、研究所超越摩爾定律，新材料是突破路徑之一。目前市面上超過 99%的集成電路都 是以第一代元素半導體材料之一

39、，硅(Si)、鍺(Ge)材料在 20 世紀 50 年代有 過高光時刻，廣泛應用于低壓、低頻、中功率晶體管以及光電探測器中，但 到了 60 年代后期因耐高溫和抗輻射性能較差，工藝更難、成本更高逐漸被 硅材料取代。第三代寬禁帶半導體材料(SiC、GaN 等)，因其禁帶寬度(Eg) 大于或等于 2.3 電子伏特(eV)而得名。第三代半導體材料具有優越的性能和 能帶結構，廣泛用于射頻器件、光電器件、功率器件等制造，具有很大的發 展潛力。目前第三代半導體材料已逐漸滲透 5G、新能源汽車、綠色照明等 新興領域，被認為是半導體行業的重要發展方向。美歐等經濟體持續加大化合物半導體投入。2018 年，美國、歐盟

40、等國家和組 織啟動了超過 15 個研發項目。其中，美國的研發支持力度最大。2018 年美 國能源部（DOE）、國防先期研究計劃局（DARPA）、和國家航空航天局（NASA）和電力美國(Power America)等機構紛紛制定第三代半導體相關的 研究項目，支持總資金超過 4 億美元，涉及光電子、射頻和電力電子等方向， 以期保持美國在第三代半導體領域全球領先的地位。此外，歐盟先后啟動了 “硅基高效毫米波歐洲系統集成平臺（SERENA）”項目和“5GGaN2”項目， 以搶占 5G 發展先機。Figure 16 各國第三代半導體領域研發項目地區主體（資金支持方）項目金額簡介美國能源部美國（DOE）美

41、國國防先期研 美國究 計 劃 局（DARPA）電 力 美 國美國(PowerAmerica)歐洲歐盟極速 EV 充電器（XFC） 的固態變壓器（SST）聯合大學微 電子計劃 （JUMP）項目一：先進可靠的 WBG 功率模塊的設計 和制造 項目二：用于直接 48V 至低于 1V PoL DC-DC 模塊的雙電感混合轉換 器項目三：用于中壓級固 態電路斷路的 WBG 器 件項目四：600VGaN 雙 柵極雙向開關項目五：研究生寬禁帶 半導體電力電子器件實 驗室項目六：加入 WBG 半 導體開關和電路的電力 電子教學實驗室硅基高效毫米波歐洲系 統 集 成 平 臺 ” 項目 （SERENA）700 萬

42、美元2 億美 元-2000該項目為期三年，總經費 700 萬美元，其中 DOE 提供 50%的資金。項目將結合新的 SiC MOSFET 器件。DARPA 與美國 30 余所高校合作創建 6 個研究中心，為2025 年及更遠時間的微系統發展開展探索性研究。6 個中 心的研究方向分別為深入認知計算、智能存儲和內存處 理、分布式計算和網絡、射頻到太赫茲傳感器和通信系統、 先進的算法架構以及先進器件、封裝和材料。 美國通用電氣(GE)航空系統公司和美國能源部國家可再 生能源實驗室(NREL)將共同設計和生產由碳化硅(SiC)和 氮化鎵(GaN)制成的先進寬禁帶功率模塊?？屏_拉多大學博爾德分校的一個團隊將設計并實施一種 基于 GaN 的新型轉換器，其密度是目前市場上轉換器密 度的 10 倍，功率損耗最多可降低 3 倍。北卡羅萊納大學夏洛特分校(UNCC)的一個團隊將測試中 壓(3.3kV)SiC 固態斷路器的功能原型。英飛凌公司將開發 基于其 CoolGaN 高電子遷移率晶體管(HEMT)技術的低成 本 600V 雙向 70