作為半導體產業的系列研究內容,本文主要從基礎原理以及發展歷史入手,對第一、二、三代半導體的變遷脈絡、原因、用途予以還原。同時就市場對三代半導體可能存在的一些誤解進行糾偏,并就相關上市公司龍頭進行簡單介紹。

具體框架及內容如下:

目錄:

(一)半導體、晶體管與芯片

(二)第一、二、三代半導體的變遷

(三)市場誤解:二代半導體替代一代,三代半導體替代二代?

(四)我國第三代半導體的發展機遇與龍頭公司

01

半導體、晶體管與芯片

千里之行,始于足下。首先我們來了解下常說的半導體、集成電路、芯片、集成電路到底是什么。

1833年,被譽為“電學之父”的英國物理學家法拉第,在實驗中發現硫化銀這種材料的電阻隨著溫度上升而降低,即高溫更有助于導電,這是半導體特性的首次發現。此后的五十年里,光生伏特效應、整流效應、光電導效應也先后被歐洲科學家發現,這就是半導體的四大特性。

具有戲劇性的是,半導體這個名詞大概到1911年才被考尼白格和維斯首次使用,意指常溫下導電性能介于導體和絕緣體之間的材料。

到了今天,半導體發展已經相對完善,用途主要有集成電路、光電器件、分立器件、傳感器四個方面。

其中,集成電路包括微處理器、存儲器、邏輯器件、模擬器件等種類,共計占半導體器件80% 以上的份額,因此通常將半導體和集成電路等價。而一種類型集成電路或多種類型集成電路形成的產品,我們將其稱作芯片。

所以,半導體、集成電路、芯片三者的關系,可總結為半導體>集成電路≈芯片,或簡單看作半導體≈集成電路=芯片。

而另一個常聽到的名詞,晶體管,泛指一切以半導體材料為基礎的單一元件,包括各種半導體材料制成的二極管、三極管、場效應管、可控硅等。因此,它在半導體與芯片之間起到橋梁搭建的關鍵作用,由半導體材料制造出了晶體管,由晶體管組成了芯片。

這種作用源于一個樸素的真理。因為晶體管具備通過電信號來控制自身開合的能力,這與邏輯的基本構成元素是邏輯0和邏輯1不謀而合,即晶體管可用開關的斷開和閉合來代表邏輯0和1,最終實現繁雜廣袤的運算和功能,不禁讓人嘖嘖稱奇。

除了自身硬核邏輯外,在現代科技史里,半導體、晶體管、集成電路、芯片的發展也有著莫名的趣味和緣分。

1947年,前文所說的半導體四大特性由美國貝爾實驗室總結完成;同年,貝爾實驗室也研制出一種點接觸型的鍺晶體管,實驗室三名人員肖克利、巴丁、布拉頓因此在1956年同時獲得諾貝爾物理學獎,其中,肖克利更被譽為“晶體管之父”。

取得此等成就的肖克利,已經不滿足于在貝爾實驗室沉寂,且半導體帶來的巨大商業變革,他看在眼里,急在心里。

因而,1955年,肖克利回到了自己的家鄉圣塔克拉拉谷,創辦了屬于自己的半導體公司。這條位于舊金山灣區、坐擁地中海溫潤氣候、交通便利的狹長山谷即是后來名聲赫赫的“硅谷”。

肖克利帶來了硅谷的開始,卻沒能走完它風光的全部。

在股票投資和生活中,不難發現,聰明的人不一定是能辦好企業的管理人,因為過于聰明往往會忽略分享的重要性。肖克利就是這樣一個獨掌大權,搞一言堂的一把手,難以得到眾人的支持,終于暗自沒落。

僅僅過了兩年,當初追隨他的優秀年輕人就有八位憤然離職,并稱“硅谷八叛將”,在謝爾曼·菲爾柴爾德的投資下他們成立了傳奇的仙童半導體公司。仙童發展神速,發明了半導體平面工藝和硅集成電路,盈利能力大幅展現,仙童后來也成為眾多半導體巨頭誕生的“黃埔軍校”。

1968年,硅谷八叛將之首的諾依斯和“摩爾定律”的提出者摩爾離開仙童,創辦了更為風光、鼎鼎大名的英特爾。所謂摩爾定律,就是摩爾提出,集成電路芯片上所集成的晶體管數目,每隔18個月就翻一倍。

此后,半導體的時代大幕正式拉開,為人熟知的英特爾、TI、三星、高通、英偉達等大佬各領風騷,國內的紫光、海思、中芯也開始嶄露頭角。

02

第一、二、三代半導體的變遷

在市場中,第三代半導體已經成為投資者關注的焦點之一,本文希望從戰略發展的主線看問題,因此這一部分將梳理半導體材料的三個發展階段,以求有一個更清晰的脈絡認知。

【1】第一代半導體

第一代半導體是“元素半導體”,鍺(Ge)和硅(Si)是兩個代表性材料。

在20世紀50年代,鍺基半導體器件占據主導地位,主要應用于低壓、低頻、中功率晶體管以及光電探測器中,到了60年代,硅基半導體因為相對優良的耐高溫、抗輻射性能、低廉的價格和龐大的儲量,逐步取代鍺基,成為主流,延續至今。目前,全球95%以上的半導體芯片和器件是用硅片作為基礎功能材料而生產出來的,技術十分成熟,市場規模高達4000多億美元。

而在半導體材料市場,硅片也占到35%左右,市場空間約為80億美元。硅片領域日本非常強大,我國的6英寸硅片國產化率約為50%,8英寸硅片國產化率僅為10%,12英寸硅片則幾乎完全依賴于進口,還有很大國產替代前景。

總之,以硅為核心的第一代半導體材料,直接促進了以芯片為主的微電子產業飛升,在手機、電腦、消費電子、通信、航空航天、國防軍工、光伏等領域廣泛應用。

雖然第一代半導體可以制做復雜的功耗較低的邏輯芯片,但受限于硅的自身性能,硅基半導體難以在高溫、高頻、高壓等環境中使用,并且其禁帶寬度、電子遷移率較低,在半導體產業化過程中遇到瓶頸,由此催生了化合物半導體,即第二代、第三代半導體的發展。

【2】第二代半導體

進入20世紀90年代后,如上文所說,高頻傳輸和光學領域的場景對半導體材料的禁帶寬度、電子遷移率要求提高,以砷化鎵(GaAs)、磷化銦(InP)為代表的第二代半導體材料開始嶄露頭腳,其中GaAs技術最為成熟,應用最廣。

GaAs、InP可以制造高速、高頻、大功率的超高速集成電路、高性能微波、毫米波器件、激光器和發光電子器件,開拓了光纖及移動通信的新產業,廣泛應用于衛星通訊、移動通訊、光纖通信、無線區域網絡、衛星定位、國防軍工、航空航天等領域。

在5G時代和物聯網高速發展下,GaAs的產業市場規模已達數百億美元,但全球GaAs半導體制造商市場份額最大的五家企業為Skyworks、triquint、RFMD、Avago、穏懋,共約占全球總額的65%,大陸企業仍不具備足夠的競爭力。

【3】第三代半導體

來到21世紀,現代工業對高功率、高電壓、高頻率電子器件的需求陡增,這對半導體材料的禁帶寬度、擊穿電場強度、電子飽和速率、熱導率等關鍵參數提出了更加嚴苛的要求。在此情況下,以碳化硅(SiC)、氮化鎵(GaN)為代表的寬禁帶半導體材料脫穎而出,即我們常說的第三代半導體。

如我所做上表,所謂的寬禁帶半導體是指禁帶寬度大于或等于2．3電子伏特的半導體材料。此類半導體還具有高擊穿電場強度、高飽和電子漂移速率、高熱導率等優勢,在功率半導體、新能源汽車、光伏風電、半導體照明、5G基站、特高壓、光電子等領域有不可替代優勢,為世界電子產業發展注入了新動力。

SiC和GaN作為兩個最核心的第三代半導體材料,也有著自己獨特的優越性和應用前景。

首先看SiC,這是目前綜合性能最好、商品化程度較高、技術最為成熟的第三代半導體材料。SiC單晶材料可分為導電型襯底和半絕緣襯底兩種,在導電型SiC襯底上生長SiC外延層制得的SiC外延片,可進一步制成功率器件,并應用于新能源汽車、光伏發電、軌道交通、智能電網、航空航天等領域;在半絕緣型SiC襯底上生長GaN外延層制得的SiC基GaN外延片,可進一步制成微波射頻器件,應用于5G通訊、雷達軍工等領域。

SiC材料制成的器件還有減少能源損耗、提高能源轉換效率的突出優點。

例如,應用在新能源汽車領域,可降低能耗20%;應用在光伏領域,可降低光電轉換損失25%以上;應用在風力發電領域,可提高效率20%;應用在超高壓直流輸送電和智能電網領域,可使電力損失降低60%,同時供電效率提高40%以上;

應用在家電領域,可節能50%;應用在高鐵領域,可節能20%以上,并減小電力系統體積;應用在工業電機領域,可節能30%-50%;應用在通信領域,可顯著提高信號的傳輸效率和傳輸安全及穩定性;應用航空航天領域,可使設備的損耗減小30%-50%,工作頻率提高3倍,電感電容體積縮小3倍,散熱器重量大幅降低。

其中,新能源汽車是SiC增長最快、空間最大的應用場景。特斯拉在Model 3中使用SiC逆變器能夠提升5-10%的續航,節省400-800美元的電池成本,與新增200美元的SiC器件成本抵消后,能夠實現至少200美元的單車成本下降,目前全球已有超過20家汽車廠商開始采用SiC器件。

未來,在以新能源汽車為第一驅動力的多行業推動下,據Yole數據預計,SiC功率器件市場規模將從2018年的4億美金增加到2024年的50億美金,復合增速約51%。SiC襯底材料市場規模將從2018年的1．21億美金增長到2024年的11億美金,復合增速達44%。

SiC的市場格局是美國、歐洲、日本三足鼎立,我國廠商與國際龍頭CREE、Dow Dcorning、Nippon等公司還存在較大差距,道阻且長。

再看GaN,在GaN單晶襯底上生長的GaN稱為同質外延片,但有熔點高、襯底制作難、位錯缺陷密度較高導致良率低等缺點,因而制造成本高、技術進展慢、應用領域窄。另一種為異質外延片,指GaN生長在其他襯底材料上,主要包括用于制作功率器件和小功率射頻器件的硅基GaN、用于制作大功率LED、功率器件和大功率射頻芯片的碳化硅基GaN。

可見,GaN器件在通信射頻和光電行業前景卓越。

通信這方面,GaN器件可以在1-110GHz范圍的高頻波段應用,這覆蓋了移動通信、無線網絡、點到點和點到多點微波通信、雷達應用等波段,適合軍事通訊、電子干擾、通信基站、射頻與功率器件等領域;

光電方面,GaN是迄今理論上電光、光電轉換效率最高的材料體系,適合電力電子、LED照明、激光等領域,與普通人最相關的莫過于GaN快充頭,相同的體積可實現數倍功率的對電腦、手機充電。

與SiC一樣,第三代半導體GaN下游需求旺盛,身處產業爆發時期,據Yole測算,從2018到2024年,GaN功率器件市場規模將從約900萬美金飛升到3．5億美金,年復合增速85%,GaN射頻器件市場規模將從約6億美金增加到約20億美金,年復合增速21%。

03

市場誤解:二代半導體替代一代,三代半導體替代二代?

通過上面的變遷史和場景探究,能夠發現各代半導體各自不同的材料特性決定了它們的差異化應用場景,新一代半導體往往隨著市場新增需求崛起,前一代被后一代替代的領域并不多。

所以,第一、二、三代半導體是其實是技術互補,而非線性替代關系。且應用場景的變化才是半導體發展的核心推動力,而非技術創新。

以Si為核心的第一代元素半導體,優勢是儲量大、價格便宜、功耗也低,適合制造龐大規模的集成電路,低壓、低頻、中功率的晶體管,應用場景主要有手機、電腦、消費電子、通信、航空航天、國防軍工、光伏等領域。

第一代半導體材料的發展已經十分成熟。硅片占據著全球95%以上的半導體器件市場和99%以上的集成電路市場,DRAM等存儲芯片、CPU、GPU等邏輯芯片未來依然是Si的天下,存量極大,增速穩定,而且產業界已經用慣了硅器件,存在路徑依賴的問題,所以Si在可預見的時間內都難以撼動。

以GaAs為核心的第二代化合物半導體,優勢是禁帶寬度、電子遷移率較高,光電性能好,適合制造高速、高頻、大功率的超高速集成電路、高性能微波、毫米波器件、激光器和發光電子器件,應用場景主要有衛星通訊、移動通訊、光纖通信、無線區域網絡、衛星定位、國防軍工、航空航天等領域。

第二代半導體材料處于蓬勃發展期,行業中速發展,但GaAs、InP比較稀缺,價格昂貴且略帶毒性,因此天花板不高。

以SiC、GaN為核心的第三代寬禁帶半導體,優勢是具有高擊穿電場強度、高飽和電子漂移速率、高熱導率,適合制造高頻、高溫、高壓的大功率器件,應用場景主要有功率半導體、新能源汽車、光伏風電、半導體照明、5G基站、充電樁、特高壓、光電子等領域。

第三代半導體材料還在起步期,潛力巨大,增速極高。但仍有不如意的地方。一方面,增量空間大,但存量空間小,2020年SiC和GaN器件僅占整個功率半導體器件市場的4．2%-4．5%,廠商的銷售渠道需要多探索,存在一定不確定性;

另一方面,第三代半導體的成本很高,SiC器件價格達到IGBT的3-5倍,很多行業不像應用于新能源汽車的效果這么好,價格敏感性也更強,所以還需等待第三代半導體的成本降低,以解鎖更多消費場景。

04

我國第三代半導體的發展機遇與龍頭公司

蒸蒸日上的第三代半導體很顯然會吸引國際巨頭的布局和全球資本的關注。

2016年,英飛凌欲以8．5億美元收購CREE旗下專注SiC功率器件及射頻功率解決方案的Wolfspeed而被美國政府干預不得;

2018年,英飛凌出手收購德國廠商Siltectra,彌補自身晶體切割工藝,12月,英飛凌又與全球SiC材料龍頭CREE簽署長期協議,保證自身光伏逆變器和新能源汽車領域的產品供應;前不久,英飛凌表示有望在3-5年后把SiC、GaN器件成本降到跟硅基器件相仿的程度。

2019年,在全球碳化硅產能受限的環境下,意法半導體不僅與CREE簽署價值2．5億美金的長單協議,還收購了瑞典SiC晶圓廠商Norstel AB,保證自身晶圓供給量,滿足汽車和工業客戶未來幾年增長的MOSFET和二極管需求;今年7月,意法半導體宣布制造出業界首批8英寸SiC晶圓,合格芯片產量達到6英寸晶圓的近兩倍。

2019年5月,美國CREE公司在SiC市場需求持續高速增長的情況下,宣布5年內將投資10億美元在紐約建造自動化生產工廠,以此擴大SiC產能,其中4．5億美元用于8英寸量產,到2024年全部完工時將帶來SiC材料的30倍產能增長。

國內的第三代半導體發展與美歐日存在相當明顯的差距,6英寸技術也才起步未能量產,8英寸則是毫無頭緒,80%的產品都依賴進口,高端人才更是受到多重束縛,流失嚴重。

卡脖子的關鍵技術落伍,產業鏈不成氣候,情況不容樂觀。因此,國家推出一系列政策、規劃幫助國內第三代半導體進步。

2014年,工信部發布《國家集成電路產業發展推進綱要》,設立國家產業投資基金,重點支持集成電路產業發展,促進工業轉型升級;

2015年,國務院發布的《中國制造2025》中,提出將集成電路及專用設備作為“新一代信息技術產業”納入大力推動突破發展的重點領域;

2016年,國務院推出了《國務院關于印發“十三五”國家科技創新規劃的通知》,首次提到要加快第三代半導體芯片技術與器件的研發;

2017年,科技部和交通運輸部發布《“十三五”交通領域科技創新專項規劃》,提出開展IGBT、碳化硅、氮化鎵等電力電子器件技術研發及產品開發;

2019年,國務院在《長江三角洲區域一體化發展規劃綱要》中明確要求加快培育布局第三代半導體產業,推動制造業高質量發展,財政部及稅務總局印發的《關于集成電路設計和軟件產業企業所得稅政策的公告》中,也針對集成電路設計企業和軟件企業給予所得稅減免;

2020年,再次推出《新時期促進集成電路產業和軟件產業高質量發展的若干政策》,對于國家鼓勵的集成電路設計、裝備、材料、封裝、測試企業和軟件企業,自獲利年度起,第一年至第二年免征企業所得稅,第三年至第五年按照25%的法定稅率減半征收企業所得稅;

2021年,國家開展“強基計劃”,將“集成電路”設為一級學科,加大對集成電路基礎人才的培養,各地也出臺人才扶持政策,設立專項激勵政策與引導,加強對海外高端人才的吸引與保留。

因此,高確定性、高速度發展的第三代半導體,又搭上國產替代和國家支持的快車,國內產業鏈相關龍頭公司迎來難得的機遇。

1、三安光電

在LED芯片產銷規模龍頭地位穩固基礎上,三安光電旗下子公司三安集成承接化合物半導體業務,布局GaAs、SiC、GaN、光通訊和濾波器五大板塊,主要應用在新能源汽車、光伏、儲能、服務器電源、礦機電源等領域,目前已成為國內稀缺的在第三代半導體方面全產業鏈布局的領軍龍頭。

2、比亞迪

比亞迪投入巨資布局第三代半導體材料SiC,目前己成功研發SiC MOSFET,旗下子公司比亞迪半導體是全球首家、國內唯一實現SiC三相全橋模塊在新能源汽車電機驅動控制器中大批量裝車的功率半導體企業。預計到2023年,比亞迪將在旗下的電動車中,實現SiC基車用功率半導體對硅基的全面替代。

3、斯達半導

國內車規級IGBT行業龍頭,擬自建晶圓產線用于生產高壓IGBT芯片及SiC芯片,項目達產后將形成年產36萬片功率半導體芯片的生產能力,SiC模塊產品已用于宇通新能源客車的核心電控系統之中。

4、華潤微

華潤集團旗下的高科技企業、國內功率IDM龍頭、中國本土最大的MOSFET廠商。SiC和GaN研產順利,SiC二極管已實現小批量供貨,SiC-MOSFET產品研發進入尾聲,其產業化準備工作正有序推進,GaN 6寸和8寸產品同步研發中。

5、新潔能

國內MOSFET領先企業,自建IGBT封測產線,產品已切入寧德時代、中興通訊、飛利浦等眾多國內外龍頭廠商供應鏈,是國內少數掌握高端功率器件核心技術的廠商之一。未來致力于打造第三代半導體功率器件平臺。

6、露笑科技

公司依托藍寶石業務積累,研發SiC長晶設備,專注于導電型SiC襯底片和外延片的生產和銷售,目前項目進展順利。

7、晶盛機電

晶盛機電是半導體材料裝備和LED襯底材料制造的領先企業,圍繞Si、SiC、藍寶石開發出一系列關鍵設備,并由設備端切入半導體材料,公司的SiC長晶爐已成功生產出6英寸SiC晶體,同時8英寸SiC晶體生產已在研發中。