【研報】電子行業半導體系列專題：國產功率半導體高端布局加碼國產替代加速-20200328[41頁].pdf

1、 電子電子 | 證券研究報告證券研究報告 行業深度行業深度 2020 年年 3 月月 28 日日 強于大市強于大市 公司名稱公司名稱 股票代碼股票代碼 股價股價 (人民幣人民幣) 評級評級 捷捷微電 300623.SZ 33.60 買入 揚杰科技 300373.SZ 24.01 買入 華 潤 微 688396.SH 35.45 增持 斯達半導 603290.SH 119.58 增持 資料來源：萬得，中銀證券 以2020年3月27日當地貨幣收市價為標準 相關研究報告相關研究報告 華為華為 P40發布會點評發布會點評20200326 電子行業電子行業 2019年報前瞻年報前瞻20200229 半導

2、體系列專題半導體系列專題晶圓代工篇晶圓代工篇20200223 中銀國際證券股份有限公司中銀國際證券股份有限公司 具備證券投資咨詢業務資格具備證券投資咨詢業務資格 電子電子 趙琦趙琦 021-20328313 證券投資咨詢業務證書編號：S1300518080001 王達婷王達婷 021-20328284 證券投資咨詢業務證書編號：S1300519060001 半導體系列專題半導體系列專題 國產功率半導體高端布局加碼，國產替代加速 功率半導體是電子裝置中電能轉換與電路控制的核心，是實現電子裝置中電功率半導體是電子裝置中電能轉換與電路控制的核心，是實現電子裝置中電 壓、頻率、直流交流轉換等功能的核心

3、部件。本篇報告將重點圍繞功率半導壓、頻率、直流交流轉換等功能的核心部件。本篇報告將重點圍繞功率半導 體的器件類型、應用市場、行業格局以及體的器件類型、應用市場、行業格局以及 SiC、GaN 的發展情況進行展開。的發展情況進行展開。 支撐評級的要點支撐評級的要點 常見的功率半導體類型及區別：常見的功率半導體類型及區別：功率半導體是電子裝置中電能轉換與 電路控制的核心，主要用于電壓、頻率、直流交流轉換等功能。功率 IC、IGBT、MOSFET、二極管是四種運用最為廣泛的功率半導體產品。 功功率半導體率半導體下游下游應用領域應用領域：汽車電動化是功率半導體發展新動能。電 動車的空調、充電系統、逆變器

4、、DC/DC 等核心部件都需要功率器件 實現供電電壓和直流交流的轉換。根據英飛凌預測，輕度混合動力汽 車、 插電混合動力汽車、 純電動汽車半導體元器件價值量分別達到 531 美元、785美元、775美元。光伏等新能源發電逆變器、變頻家電等是 IGBT等功率半導體的重用應用領域。 5G通訊技術也將帶來功率半導體 需求的提升，根據英飛凌數據，4G MIMO 射頻板上功率半導體的價值 量約為 25美元，但 5G massive階段的射頻板功率半導體價值量將提升 到 100美元，是 MIMO射頻板的 4倍。 SiC、GaN 的發展現狀和前景的發展現狀和前景：SiC 具有寬禁帶、高臨界擊穿電場、高 飽和

5、電子遷移速度和高熱導率等特性，在大功率、高頻、高溫等應用 方面潛力較大，新能源汽車為碳化硅功率器件的重要市場。GaN 具有 寬禁帶、高飽和電子漂移速度、高電子遷移率等物理特性，但 GaN的 功率器件類型相對碳化硅較少，其中 GaN HEMT 為氮化鎵最受關注的 功率器件類型。GaN 因具有高輸出功率、高能效特性在在消費電子快 充產品上得以應用。 功率半導體的市場格局功率半導體的市場格局：高端 MOSFET、IGBT 等領域仍以英飛凌、安 森美、意法半導體、三菱電機、東芝、瑞薩等國際大廠占主導。同時， 在車用半導體領域，國際大廠也積極布局，外延并購完善汽車電子產 品線。近年來國產功率半導體取得較

6、大進步，從低端市場開始逐步向 車用等高端運用市場滲透。 重點推薦重點推薦 隨著新能源汽車產業的發展、5G通訊到來，功率半導體器件的需求將 持續提升。在半導體國產化的大趨勢下，國內功率半導體企業有望迎 來新的發展機遇，推薦：捷捷微電、華潤微、揚杰科技、斯達半導。 評級面臨的主要風險評級面臨的主要風險 新能源汽車、家電、通訊等的需求不及預期；功率半導體的國產化進 程不及預期。 半導體系列專題 2 目錄目錄 1、常見的功率半導、常見的功率半導體類型及區別？體類型及區別？ . 5 2、功率半導體主要應用領域有哪些、功率半導體主要應用領域有哪些？ . 12 3、SIC、GAN 的發展現狀和前景？的發展現

7、狀和前景？ . 23 4、功率半導體的市場格局如何？、功率半導體的市場格局如何？ . 27 5、投資建議、投資建議 . 31 6、風險提示、風險提示 . 32 揚杰科技 . 34 華潤微 . 36 斯達半導 . 38 oPoRpPnRnQtNpNoPpQwPsR9P9R6MmOqQnPpPjMqQnOkPsRrR9PmMxOvPpOoOuOpNqP 半導體系列專題 3 圖表圖表目錄目錄 圖表圖表 1. 半導體產品分類半導體產品分類 . 5 圖表圖表 2. 全球功率半導體市場結構全球功率半導體市場結構 . 5 圖表圖表 3. 肖特基功率二極管肖特基功率二極管 . 6 圖表圖表 4. 快恢復功率二

8、極管快恢復功率二極管 . 6 圖表圖表 5. 主要功率二極管結構及特性主要功率二極管結構及特性 . 6 圖表圖表 6. 半導體產品分類半導體產品分類 . 7 圖表圖表 7. LDMOS MOSFET結構圖結構圖 . 7 圖表圖表 8. Planer MOSFET結構結構 . 8 圖表圖表 9. Trench MOSFET結構結構 . 8 圖表圖表 10. 第六代第六代 IGBT結構結構 . 9 圖表圖表 11. 第七代第七代 IGBT結構結構 . 9 圖表圖表 12. 6代代 IGBT性能比較性能比較 . 9 圖表圖表 13. 功率半導體下游市場運用廣泛功率半導體下游市場運用廣泛 . 9 圖表

9、圖表 14. 影響功率半影響功率半導體性能的主要因素導體性能的主要因素 . 10 圖表圖表 15. 三代硅材料物理性能三代硅材料物理性能 . 10 圖表圖表 16. 各種半導體材料運用領域各種半導體材料運用領域 . 11 圖表圖表 17. 全球功率半導體市場規模全球功率半導體市場規模 . 12 圖表圖表 18. 國內功率半導體市場規模國內功率半導體市場規模 . 12 圖表圖表 19. 功率半導體在新能源車電機驅動、功率半導體在新能源車電機驅動、DC/DC、充電器上的運用、充電器上的運用 . 12 圖表圖表 20. 功率半導體直接受益于汽車電動化功率半導體直接受益于汽車電動化. 13 圖表圖表

10、21. 電動車相比于傳統汽車功率半導體需求量大幅提升電動車相比于傳統汽車功率半導體需求量大幅提升 . 13 圖表圖表 22. 傳統車企在新能源汽車領域的進展傳統車企在新能源汽車領域的進展. 14 圖表圖表 23. 全球電動汽車滲透率快速提升全球電動汽車滲透率快速提升 . 14 圖表圖表 24. 全球主要國家電動車充電器數量全球主要國家電動車充電器數量(百萬個）百萬個） . 15 圖表圖表 25. 全球主要國家電動車充電需求量全球主要國家電動車充電需求量(十億瓦時）十億瓦時） . 15 圖表圖表 26. 電動車充電樁結構電動車充電樁結構 . 15 圖表圖表 27. 充電站功率器件價值量充電站功率

11、器件價值量 . 16 圖表圖表 28. 充電站功率器件價值量充電站功率器件價值量 . 16 圖表圖表 29. 光伏逆變器功率組件結構光伏逆變器功率組件結構 . 17 圖表圖表 30. 新能源產業發展帶動高壓功率半導體發展新能源產業發展帶動高壓功率半導體發展 . 17 圖表圖表 31. 變頻技術對家電產品的運用價值變頻技術對家電產品的運用價值 . 18 圖表圖表 32. 功率半導體是變頻電路的核心器件功率半導體是變頻電路的核心器件. 18 圖表圖表 33. 變頻空調、洗衣機和冰箱的出貨占比變頻空調、洗衣機和冰箱的出貨占比 . 19 半導體系列專題 4 圖表圖表 34. 家電用家電用功率半導體市場

12、規?？焖僭鲩L功率半導體市場規?？焖僭鲩L . 19 圖表圖表 35. 5G運用場景帶動功率半導體需求提升運用場景帶動功率半導體需求提升 . 20 圖表圖表 36. 頻率越高，基站覆蓋面積越小頻率越高，基站覆蓋面積越小 . 20 圖表圖表 37. 國內基站數量國內基站數量 . 21 圖表圖表 38. 自動化生產驅動工業用功率半導體需求量提升自動化生產驅動工業用功率半導體需求量提升 . 21 圖表圖表 39. 工業互聯網市場規?？焖侔l展工業互聯網市場規?？焖侔l展 . 22 圖表圖表 40. Si、SiC和和 GaN材料特性的對比材料特性的對比 . 23 圖表圖表 41. SiC產業鏈環節及參與廠商情

13、況產業鏈環節及參與廠商情況 . 24 圖表圖表 42. SiC功率器件的市場規模功率器件的市場規模 . 24 圖表圖表 43. SiC模塊與硅模塊與硅 IGBT功率模塊的電力損耗比較功率模塊的電力損耗比較 . 25 圖表圖表 44. GaNHEMT 結構圖結構圖 . 25 圖表圖表 45. 電源中的氮化鎵器件電源中的氮化鎵器件 . 26 圖表圖表 46. 適配器原理圖適配器原理圖 . 26 圖表圖表 47. 氮化鎵器件的市場規模氮化鎵器件的市場規模 . 26 圖表圖表 48. 功率半導體市場格局功率半導體市場格局 . 27 圖表圖表 49. MOSFET市場格市場格局局 . 27 圖表圖表 5

14、0. 分立分立 IGBT市場格局市場格局 . 28 圖表圖表 51. IGBT 模塊市場格局模塊市場格局 . 28 圖表圖表 52. 英飛凌汽車業務營收英飛凌汽車業務營收 . 29 圖表圖表 53. 意法半導體汽車業務意法半導體汽車業務營收營收 . 29 圖表圖表 54. 國內功率半導體企業及業務情況國內功率半導體企業及業務情況 . 30 附錄圖表附錄圖表 55. 報告中提及上市公司估值表報告中提及上市公司估值表 . 33 半導體系列專題 5 1、常見的功率半導、常見的功率半導體體類型及類型及區別？區別？ 功率半導體是電子裝置中電能轉換與電路控制的核心，是實現電子裝置中電壓、頻率、直流交流轉功

15、率半導體是電子裝置中電能轉換與電路控制的核心，是實現電子裝置中電壓、頻率、直流交流轉 換等功能的核心部件。換等功能的核心部件。根據器件集成度不同，功率半導體可以分為功率 IC和功率分立器件兩大類。 功率分立器件包括二極管、晶體管、晶閘管三大類別，其中晶體管是分立器件中市場份額最大的種 類。常見晶體管主要有 BJT、IGBT和 MOSFET。IGBT和 MOSFET是當前市場關注度較高的功率型晶體 管。功率 IC是將晶體管、二極管、電阻、電容等元件集成在一個半導體晶片上，具有所需電路功能 的微型結構。根據運用場景的不同，功率 IC包括 AC/DC、DC/DC、電源管理、驅動 IC等種類。 圖表圖

16、表 1. 半導體產品分類半導體產品分類 資料來源：華潤微招股說明書，中銀證券 功率功率 IC、IGBT、MOSFET、二極管是四種運用最為廣泛的功率半導體產品。、二極管是四種運用最為廣泛的功率半導體產品。根據 Yole數據，2017年功 率 IC 占全球功率半導體市場規模的 54%，是市場份額占比最大的功率半導體產品。MOSFET 主要運 用于不間斷電源、開關電源，變頻器音頻設備等領域，2017 年 MOSFET 市場規模占功率半導體整體 市場規模的 17%；功率二極管主要用于電源、適配器、汽車、消費電子等領域，2017 年全球功率二 極管銷售額占功率半導體整體銷售額的比例約 15%。由于 I

17、GBT的操作頻率范圍較廣，能夠覆蓋較高 的功率范圍，適用于軌道交通、光伏發電、汽車電子等領域，2017年 IGBT的銷售占比達到 12%。 圖表圖表 2. 全球功率半導體市場結構全球功率半導體市場結構 中銀證券 半導體系列專題 6 1、功率二極管、功率二極管 功率二極管是一種不可控型的功率器件，因此功率二極管不可以作為開關器件使用，功率二極管電 流容量大，阻斷電壓高，但是開關頻率較低。功率二極管的單向導電性可用于電路的整流、箝位、 續流。外圍電路中二極管主要起防反作用,防止電流反灌造成期間損壞。功率二極管細分產品包括功 率整流二極管、功率肖特基二極管、快速恢復二極管、超快速恢復二極管、小電流整

18、流二極管、變 容二極管等種類。 普通整流功率二極管一般采用 p+pnn+的結構，反向恢復時間長一般在 25微秒；電流定額范圍較大， 可以實現 1安培到數百安培的電流；電壓范圍寬，可以實現 5V-5000V的整流；但是普通整流功率二 極管高頻特性一般，一般用于 1KHz以下的整流電路中。 快恢復功率二極管（FRD）采用 PN結構，采用擴散工藝，可以實現短時間的反向恢復，一般反向恢 復時間小于 5微秒，廣泛的使用在變換器中。超快恢復功率二極管（UFRD）在快速恢復功率二極管 的基礎上，采用外延工藝，實現超快速反向恢復。 肖特基功率二極管（SBD）不是利用 P型半導體和 N型半導體接觸形成 PN接原

19、理制作的，而是利用 金屬和半導體接觸形成的金屬-半導體結原理制造的。肖特基二極管具有開關頻率高和正向壓降低等 優點，但是反向擊穿電壓比較低，一般低于 100V。因此肖特基二極管一般用于高頻低電壓領域。 圖表圖表 3. 肖特基功率二極管肖特基功率二極管 圖表圖表 4. 快恢復功率二極管快恢復功率二極管 資料來源：中國知網，中銀證券 資料來源：中國知網，中銀證券 圖表圖表 5. 主要功率二極管結構主要功率二極管結構及特性及特性 結構結構 特性特性 應用應用 普通功率二極管 采用 P+PNN+結構 擴散工藝制造 反向恢復時間一般為 25微秒， 電 流定額從小于 1 安培到數百安 培，電壓從 50V到

20、最高 5KV 用于 1KHz以下的整流電路 快速恢復二極管 采用 PN或者 PIN結構， 采用 擴散工藝，摻雜金雜質 反向恢復時間一般小于 5微秒， 約為數百納秒，反向耐壓在 1200V以下 用于各種變換器，工作與高頻 開關狀態 超快恢復二極管 外延工藝 反向恢復時間一般小于 100納秒 用戶根據電路特點和工作頻率 來選擇使用 肖特基功率二極管 金屬半導體二極管，采用 薄膜淀積工藝 多子導電，反向恢復時間一般在 10納秒40納秒之間 適用于高頻領域 資料來源：中國知網， 中銀證券 2、MOSFET MOSFET（Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Tr

21、ansistor）簡稱金氧半場效晶體管，是一種可以廣泛使 用在模擬電路和數字電路的場效應晶體管。 MOSFET可以實現較大的導通電流， 導通電流可以達到上 千安培，并且可以在較高頻率下運行可以達到 MHz甚至幾十 MHz，但是器件的耐壓能力一般。因此 MOSFET可以廣泛的運用于開關電源、鎮流器、高頻感應加熱等領域。 半導體系列專題 7 為了滿足電氣化程度不斷提升的社會需求，功率型 MOSFET性能不斷被提升。MOSFET的改進主要圍 繞著更高的工作頻率、 更高的輸出功率。 目前市場上功率型 MOSFET可以分為 Planar MOSFET 和 trench MOSFET兩種類型。 圖表圖表

22、6. 半導體產品分類半導體產品分類 資料來源：華潤微招股說明書，中銀證券 早期的功率型 MOSFET也叫 LDMOS（later Double diffusion MOS），這種結構的 MOSFET可以實現大電流 傳輸，但是器件的柵、源、漏都在表面，因此器件的漏極和源極需要很長，十分浪費芯片面積。并 且由于 LDMOS的柵、源、漏都在同一個表面，在多個 MOSFET器件進行并聯時需要額外的隔離層， 工藝步驟增加。因此后來發展了 VDMOS（vertcal DMOS），這就是早期的 planer VDMOS MOSFET，這 種結構將原來 LDMOS器件的漏極統一放到器件的另一側，這樣使得漏極和

23、源極的漂移區長度可以通 過背面減薄來控制，而且該種結構可以實現更有利于晶體管并聯。晶體管的并聯可以增大 MOSFET 的功率。這種結構的的表面處理工藝和傳統的 CMOS工藝兼容。 圖表圖表 7. LDMOS MOSFET結構圖結構圖 資料來源：IEEE、中銀證券 為克服 planer MOSFET中整體面積使用效率不高的問題，后來發展出 trench MOSFET器件結構。Trench MOSFET是將管子的溝道從原來的 planer變成沿著槽壁的縱向。這樣的結構雖然提升了硅片面積使用 效率，但是工藝難度加大，成本較高，并且當槽較深是容易擊穿，因此 trench MOSFET的耐壓性價差。 但

24、是該種結構可以實現較多的晶體管并聯，可以導通的大電流，因此適合在低電壓和大電流的工作 環境。 半導體系列專題 8 圖表圖表 8. Planer MOSFET 結構結構 圖表 圖表 9. Trench MOSFET結構結構 資料來源：英飛凌，中銀證券 資料來源：英飛凌，中銀證券 3、IGBT IGBT是由是由 BJT 和和 MOSFET組成的復合功率半導體器件組成的復合功率半導體器件，同時具備同時具備 MOSFET 開關速度高、輸入阻抗高、開關速度高、輸入阻抗高、 控制功率低、驅動電路簡單、開關損耗小的優點和控制功率低、驅動電路簡單、開關損耗小的優點和 BJT 導通電壓低、通態電流大、損耗小的優

25、點。導通電壓低、通態電流大、損耗小的優點。 IGBT在功率 MOSFET 的基礎上增加了一層，即在背面的漏極上增加一個 P+層。在引入 P+層之后，從 結構上漏端增加了一個 P+/N-driff的 PN結，該 PN結處于正偏狀態，不僅不影響導通反而增加了空穴 注入效應， 該 PN結帶來的特性類似于 BJT有兩種載流子參與導電。 因此 IGBT具備 MOSFET的開關速 度高、輸入阻抗高、控制功率低、驅動電路簡單、開關損耗小等優點，同時具備 BJT 導通電壓低、 通態電流大、損耗小等優點。IGBT 在高壓、大電流、高速方面有突出的產品競爭力，已經成為功率 半導體主流發展方向。 從 1988年 I

26、GBT誕生至今，已經有七代 IGBT結構。第一代 IGBT(PT-IGBT)產品結構簡單，但是由于晶體結 構本身原因造成負溫度系數，并聯時各個 IGBT原胞壓降不一致，不利于并聯運行，并且電流只有 25A， 容量較小，因此沒有普遍使用。第二代 IGBT 也稱為改進型 PT-IGBT 是在 P+和 N-driff 層時間加入 N-buffer 層，這一層形成的耗盡層可以減小芯片厚度、減小功耗，該種產品在 600V 以上具備優勢，但是 1200V 以上時外延厚度較大導致成本較高，并且可靠性降低。西門子是改進型 PT-IGBT產品的主流廠商。 第三代 IGBT 也稱為 Trench-IGBT，該種結

27、構的思路和 trench MOSFET 思路一樣，將溝道轉移到垂直面 上。該種結構導通電阻小，柵極密度增加不受限制，有效特高耐壓能力。由于需要使用雙注入技術， 制作難度較大。 英飛凌的減薄技術處于世界先進水平， 因此英在 Trench IGBT時代英飛凌一舉成為 IGBT 行業巨頭。 第四代為 NPT-IGBT，該種產品不再使用外延技術，而是使用離子注入技術生成 P+集電極（透明集電 極），該種結構可以精準控制結深進而控制發射效率，增快載流子抽取速度來降低關斷損耗，同時 該種結構具備正溫度系數，在穩態功耗和關斷功耗取得較高的折中，該種產品結構被廣泛的使用。 第五代 FS-IGBT結合了第四代

28、NPT-IGBT的“透明集電區技術”和“電場中止技術”。采用先進的薄片技 術并在薄片上形成電場中止層，有效的減薄芯片的厚度，是的導通壓降和動態功耗都有明顯下降。 第六代 FS-trench 在第五代基礎上改進溝槽結構，增加芯片電流導通能力，優化芯片內載流子濃度和 分布，減小芯片的綜合損耗和提高 IGBT耐壓能力。 2012 年三菱電機推出第七代 IGBT。IGBT7 采用了新型微溝槽（MPT）+電場場截止技術。它采用基于 n-摻雜的襯底的典型垂直 IGBT設計， p基區內的 n型重摻雜構成了發射極接觸結構。 通過在電隔離的 溝槽刻蝕接觸孔，確定了溝道和柵極。在 n-襯底的底部，通過 p+摻雜實

29、現了集電極區。在 n-襯底和 和 p+之間，通過 n+摻雜實現了場截止（FS）結構。IGBT7 增加有源柵極密度，能夠增加單位芯片面 積上的導電溝道，全面優化 IGBT性能。根據富士電機發布的第七代 IGBT產品數據，相比于第六代 V 系列，IGBT7 可以使逆變器的功率損耗降低 10%，最高操作結溫度從 150提高到 175，這有助于 半導體系列專題 9 圖表圖表 10. 第六代第六代 IGBT結構結構 圖表 圖表 11. 第七代第七代 IGBT結構結構 資料來源：英飛凌，中銀證券 資料來源：英飛凌，中銀證券 圖表圖表 12. 6代代 IGBT性能比較性能比較 特點特點 芯片面積相芯片面積相

30、 對值對值 工藝線寬工藝線寬 (微米微米) 通太飽和壓通太飽和壓 降降(V) 關斷時間關斷時間 （微秒）（微秒） 功率損耗功率損耗 (相對值相對值) 斷態電壓斷態電壓 (V) 出現時間出現時間 (年年) 1 平面串通型（PT） 100 5 3.0 0.50 100 600 1988 2 改進平面傳統型 （PT） 56 5 2.8 0.30 74 600 1990 3 溝槽型（trench） 40 3 2.0 0.25 51 1200 1992 4 非穿通型（NPT） 31 1 1.5 0.25 39 3300 1997 5 電場截止型（FS） 27 0.5 1.3 0.19 33 4500 2

31、001 6 溝槽電場截至型 （FS-Trench） 24 0.3 1.0 0.15 29 6500 2003 資料來源：ET 創芯網論壇， 中銀證券 各類型功率器件由于結構不同，特性有所不同。各類型功率器件由于結構不同，特性有所不同。MOSFET高頻特性較好，工作頻率可以達幾十 KHz到上 千 KHz，能夠工作在高電流狀態下，但耐壓特性較差，在高功率領域應用受限。IGBT 耐壓高，高功率 領域應用優勢明顯，高頻特性弱于 MOSFET。晶閘管高頻特性較差，在高功率領域應用優勢明顯。 圖表圖表 13. 功率半導體下游市場運用廣泛功率半導體下游市場運用廣泛 資料來源：Yole，中銀證券 半導體系列專

32、題 10 4、化合物半導體、化合物半導體 影響功率半導體器產品性能的主要有兩方面因素：一是器件結構，二是半導體材料。半導體材料的 禁帶寬度、飽和電子漂移速度、擊穿場強都會影響功率半導體性能。從半導體產業發展至今，半導 體產業主要經歷了三代材料技術演變，第一代是以硅（Si）、鍺（Ge）元素為主；第二代半導體材 料以砷化鎵（GaAs）為主；第三代半導體材料以氮化鎵（GaN）、碳化硅（SiC）為主。 圖表圖表 14. 影響功率半導體性能的主要因素影響功率半導體性能的主要因素 資料來源：賽迪智庫，中銀證券 第一代半導體材料，尤其硅基半導體材料工藝成熟、成本較低，是目前半導體材料的主流，第一代半導體材料，尤其硅基半導體材料工藝成熟、成本較低，是目前半導體材料的主流，目前大 部分功率半導體和集成電路都是基于硅基的第一代半導體材料