作为半导体产业的系列研究内容,本文主要从基础原理以及发展历史入手,对第一、二、三代半导体的变迁脉络、原因、用途予以还原。同时就市场对三代半导体可能存在的一些误解进行纠偏,并就相关上市公司龙头进行简单介绍。

具体框架及内容如下:

目录:

(一)半导体、晶体管与芯片

(二)第一、二、三代半导体的变迁

(三)市场误解:二代半导体替代一代,三代半导体替代二代?

(四)我国第三代半导体的发展机遇与龙头公司

01

半导体、晶体管与芯片

千里之行,始于足下。首先我们来了解下常说的半导体、集成电路、芯片、集成电路到底是什么。

1833年,被誉为“电学之父”的英国物理学家法拉第,在实验中发现硫化银这种材料的电阻随着温度上升而降低,即高温更有助于导电,这是半导体特性的首次发现。此后的五十年里,光生伏特效应、整流效应、光电导效应也先后被欧洲科学家发现,这就是半导体的四大特性。

具有戏剧性的是,半导体这个名词大概到1911年才被考尼白格和维斯首次使用,意指常温下导电性能介于导体和绝缘体之间的材料。

到了今天,半导体发展已经相对完善,用途主要有集成电路、光电器件、分立器件、传感器四个方面。

其中,集成电路包括微处理器、存储器、逻辑器件、模拟器件等种类,共计占半导体器件80% 以上的份额,因此通常将半导体和集成电路等价。而一种类型集成电路或多种类型集成电路形成的产品,我们将其称作芯片。

所以,半导体、集成电路、芯片三者的关系,可总结为半导体>集成电路≈芯片,或简单看作半导体≈集成电路=芯片。

而另一个常听到的名词,晶体管,泛指一切以半导体材料为基础的单一元件,包括各种半导体材料制成的二极管、三极管、场效应管、可控硅等。因此,它在半导体与芯片之间起到桥梁搭建的关键作用,由半导体材料制造出了晶体管,由晶体管组成了芯片。

这种作用源于一个朴素的真理。因为晶体管具备通过电信号来控制自身开合的能力,这与逻辑的基本构成元素是逻辑0和逻辑1不谋而合,即晶体管可用开关的断开和闭合来代表逻辑0和1,最终实现繁杂广袤的运算和功能,不禁让人啧啧称奇。

除了自身硬核逻辑外,在现代科技史里,半导体、晶体管、集成电路、芯片的发展也有着莫名的趣味和缘分。

1947年,前文所说的半导体四大特性由美国贝尔实验室总结完成;同年,贝尔实验室也研制出一种点接触型的锗晶体管,实验室三名人员肖克利、巴丁、布拉顿因此在1956年同时获得诺贝尔物理学奖,其中,肖克利更被誉为“晶体管之父”。

取得此等成就的肖克利,已经不满足于在贝尔实验室沉寂,且半导体带来的巨大商业变革,他看在眼里,急在心里。

因而,1955年,肖克利回到了自己的家乡圣塔克拉拉谷,创办了属于自己的半导体公司。这条位于旧金山湾区、坐拥地中海温润气候、交通便利的狭长山谷即是后来名声赫赫的“硅谷”。

肖克利带来了硅谷的开始,却没能走完它风光的全部。

在股票投资和生活中,不难发现,聪明的人不一定是能办好企业的管理人,因为过于聪明往往会忽略分享的重要性。肖克利就是这样一个独掌大权,搞一言堂的一把手,难以得到众人的支持,终于暗自没落。

仅仅过了两年,当初追随他的优秀年轻人就有八位愤然离职,并称“硅谷八叛将”,在谢尔曼·菲尔柴尔德的投资下他们成立了传奇的仙童半导体公司。仙童发展神速,发明了半导体平面工艺和硅集成电路,盈利能力大幅展现,仙童后来也成为众多半导体巨头诞生的“黄埔军校”。

1968年,硅谷八叛将之首的诺依斯和“摩尔定律”的提出者摩尔离开仙童,创办了更为风光、鼎鼎大名的英特尔。所谓摩尔定律,就是摩尔提出,集成电路芯片上所集成的晶体管数目,每隔18个月就翻一倍。

此后,半导体的时代大幕正式拉开,为人熟知的英特尔、TI、三星、高通、英伟达等大佬各领风骚,国内的紫光、海思、中芯也开始崭露头角。

02

第一、二、三代半导体的变迁

在市场中,第三代半导体已经成为投资者关注的焦点之一,本文希望从战略发展的主线看问题,因此这一部分将梳理半导体材料的三个发展阶段,以求有一个更清晰的脉络认知。

【1】第一代半导体

第一代半导体是“元素半导体”,锗(Ge)和硅(Si)是两个代表性材料。

在20世纪50年代,锗基半导体器件占据主导地位,主要应用于低压、低频、中功率晶体管以及光电探测器中,到了60年代,硅基半导体因为相对优良的耐高温、抗辐射性能、低廉的价格和庞大的储量,逐步取代锗基,成为主流,延续至今。目前,全球95%以上的半导体芯片和器件是用硅片作为基础功能材料而生产出来的,技术十分成熟,市场规模高达4000多亿美元。

而在半导体材料市场,硅片也占到35%左右,市场空间约为80亿美元。硅片领域日本非常强大,我国的6英寸硅片国产化率约为50%,8英寸硅片国产化率仅为10%,12英寸硅片则几乎完全依赖于进口,还有很大国产替代前景。

总之,以硅为核心的第一代半导体材料,直接促进了以芯片为主的微电子产业飞升,在手机、电脑、消费电子、通信、航空航天、国防军工、光伏等领域广泛应用。

虽然第一代半导体可以制做复杂的功耗较低的逻辑芯片,但受限于硅的自身性能,硅基半导体难以在高温、高频、高压等环境中使用,并且其禁带宽度、电子迁移率较低,在半导体产业化过程中遇到瓶颈,由此催生了化合物半导体,即第二代、第三代半导体的发展。

【2】第二代半导体

进入20世纪90年代后,如上文所说,高频传输和光学领域的场景对半导体材料的禁带宽度、电子迁移率要求提高,以砷化镓(GaAs)、磷化铟(InP)为代表的第二代半导体材料开始崭露头脚,其中GaAs技术最为成熟,应用最广。

GaAs、InP可以制造高速、高频、大功率的超高速集成电路、高性能微波、毫米波器件、激光器和发光电子器件,开拓了光纤及移动通信的新产业,广泛应用于卫星通讯、移动通讯、光纤通信、无线区域网络、卫星定位、国防军工、航空航天等领域。

在5G时代和物联网高速发展下,GaAs的产业市场规模已达数百亿美元,但全球GaAs半导体制造商市场份额最大的五家企业为Skyworks、triquint、RFMD、Avago、穏懋,共约占全球总额的65%,大陆企业仍不具备足够的竞争力。

【3】第三代半导体

来到21世纪,现代工业对高功率、高电压、高频率电子器件的需求陡增,这对半导体材料的禁带宽度、击穿电场强度、电子饱和速率、热导率等关键参数提出了更加严苛的要求。在此情况下,以碳化硅(SiC)、氮化镓(GaN)为代表的宽禁带半导体材料脱颖而出,即我们常说的第三代半导体。

如我所做上表,所谓的宽禁带半导体是指禁带宽度大于或等于2．3电子伏特的半导体材料。此类半导体还具有高击穿电场强度、高饱和电子漂移速率、高热导率等优势,在功率半导体、新能源汽车、光伏风电、半导体照明、5G基站、特高压、光电子等领域有不可替代优势,为世界电子产业发展注入了新动力。

SiC和GaN作为两个最核心的第三代半导体材料,也有着自己独特的优越性和应用前景。

首先看SiC,这是目前综合性能最好、商品化程度较高、技术最为成熟的第三代半导体材料。SiC单晶材料可分为导电型衬底和半绝缘衬底两种,在导电型SiC衬底上生长SiC外延层制得的SiC外延片,可进一步制成功率器件,并应用于新能源汽车、光伏发电、轨道交通、智能电网、航空航天等领域;在半绝缘型SiC衬底上生长GaN外延层制得的SiC基GaN外延片,可进一步制成微波射频器件,应用于5G通讯、雷达军工等领域。

SiC材料制成的器件还有减少能源损耗、提高能源转换效率的突出优点。

例如,应用在新能源汽车领域,可降低能耗20%;应用在光伏领域,可降低光电转换损失25%以上;应用在风力发电领域,可提高效率20%;应用在超高压直流输送电和智能电网领域,可使电力损失降低60%,同时供电效率提高40%以上;

应用在家电领域,可节能50%;应用在高铁领域,可节能20%以上,并减小电力系统体积;应用在工业电机领域,可节能30%-50%;应用在通信领域,可显著提高信号的传输效率和传输安全及稳定性;应用航空航天领域,可使设备的损耗减小30%-50%,工作频率提高3倍,电感电容体积缩小3倍,散热器重量大幅降低。

其中,新能源汽车是SiC增长最快、空间最大的应用场景。特斯拉在Model 3中使用SiC逆变器能够提升5-10%的续航,节省400-800美元的电池成本,与新增200美元的SiC器件成本抵消后,能够实现至少200美元的单车成本下降,目前全球已有超过20家汽车厂商开始采用SiC器件。

未来,在以新能源汽车为第一驱动力的多行业推动下,据Yole数据预计,SiC功率器件市场规模将从2018年的4亿美金增加到2024年的50亿美金,复合增速约51%。SiC衬底材料市场规模将从2018年的1．21亿美金增长到2024年的11亿美金,复合增速达44%。

SiC的市场格局是美国、欧洲、日本三足鼎立,我国厂商与国际龙头CREE、Dow Dcorning、Nippon等公司还存在较大差距,道阻且长。

再看GaN,在GaN单晶衬底上生长的GaN称为同质外延片,但有熔点高、衬底制作难、位错缺陷密度较高导致良率低等缺点,因而制造成本高、技术进展慢、应用领域窄。另一种为异质外延片,指GaN生长在其他衬底材料上,主要包括用于制作功率器件和小功率射频器件的硅基GaN、用于制作大功率LED、功率器件和大功率射频芯片的碳化硅基GaN。

可见,GaN器件在通信射频和光电行业前景卓越。

通信这方面,GaN器件可以在1-110GHz范围的高频波段应用,这覆盖了移动通信、无线网络、点到点和点到多点微波通信、雷达应用等波段,适合军事通讯、电子干扰、通信基站、射频与功率器件等领域;

光电方面,GaN是迄今理论上电光、光电转换效率最高的材料体系,适合电力电子、LED照明、激光等领域,与普通人最相关的莫过于GaN快充头,相同的体积可实现数倍功率的对电脑、手机充电。

与SiC一样,第三代半导体GaN下游需求旺盛,身处产业爆发时期,据Yole测算,从2018到2024年,GaN功率器件市场规模将从约900万美金飞升到3．5亿美金,年复合增速85%,GaN射频器件市场规模将从约6亿美金增加到约20亿美金,年复合增速21%。

03

市场误解:二代半导体替代一代,三代半导体替代二代?

通过上面的变迁史和场景探究,能够发现各代半导体各自不同的材料特性决定了它们的差异化应用场景,新一代半导体往往随着市场新增需求崛起,前一代被后一代替代的领域并不多。

所以,第一、二、三代半导体是其实是技术互补,而非线性替代关系。且应用场景的变化才是半导体发展的核心推动力,而非技术创新。

以Si为核心的第一代元素半导体,优势是储量大、价格便宜、功耗也低,适合制造庞大规模的集成电路,低压、低频、中功率的晶体管,应用场景主要有手机、电脑、消费电子、通信、航空航天、国防军工、光伏等领域。

第一代半导体材料的发展已经十分成熟。硅片占据着全球95%以上的半导体器件市场和99%以上的集成电路市场,DRAM等存储芯片、CPU、GPU等逻辑芯片未来依然是Si的天下,存量极大,增速稳定,而且产业界已经用惯了硅器件,存在路径依赖的问题,所以Si在可预见的时间内都难以撼动。

以GaAs为核心的第二代化合物半导体,优势是禁带宽度、电子迁移率较高,光电性能好,适合制造高速、高频、大功率的超高速集成电路、高性能微波、毫米波器件、激光器和发光电子器件,应用场景主要有卫星通讯、移动通讯、光纤通信、无线区域网络、卫星定位、国防军工、航空航天等领域。

第二代半导体材料处于蓬勃发展期,行业中速发展,但GaAs、InP比较稀缺,价格昂贵且略带毒性,因此天花板不高。

以SiC、GaN为核心的第三代宽禁带半导体,优势是具有高击穿电场强度、高饱和电子漂移速率、高热导率,适合制造高频、高温、高压的大功率器件,应用场景主要有功率半导体、新能源汽车、光伏风电、半导体照明、5G基站、充电桩、特高压、光电子等领域。

第三代半导体材料还在起步期,潜力巨大,增速极高。但仍有不如意的地方。一方面,增量空间大,但存量空间小,2020年SiC和GaN器件仅占整个功率半导体器件市场的4．2%-4．5%,厂商的销售渠道需要多探索,存在一定不确定性;

另一方面,第三代半导体的成本很高,SiC器件价格达到IGBT的3-5倍,很多行业不像应用于新能源汽车的效果这么好,价格敏感性也更强,所以还需等待第三代半导体的成本降低,以解锁更多消费场景。

04

我国第三代半导体的发展机遇与龙头公司

蒸蒸日上的第三代半导体很显然会吸引国际巨头的布局和全球资本的关注。

2016年,英飞凌欲以8．5亿美元收购CREE旗下专注SiC功率器件及射频功率解决方案的Wolfspeed而被美国政府干预不得;

2018年,英飞凌出手收购德国厂商Siltectra,弥补自身晶体切割工艺,12月,英飞凌又与全球SiC材料龙头CREE签署长期协议,保证自身光伏逆变器和新能源汽车领域的产品供应;前不久,英飞凌表示有望在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,在全球碳化硅产能受限的环境下,意法半导体不仅与CREE签署价值2．5亿美金的长单协议,还收购了瑞典SiC晶圆厂商Norstel AB,保证自身晶圆供给量,满足汽车和工业客户未来几年增长的MOSFET和二极管需求;今年7月,意法半导体宣布制造出业界首批8英寸SiC晶圆,合格芯片产量达到6英寸晶圆的近两倍。

2019年5月,美国CREE公司在SiC市场需求持续高速增长的情况下,宣布5年内将投资10亿美元在纽约建造自动化生产工厂,以此扩大SiC产能,其中4．5亿美元用于8英寸量产,到2024年全部完工时将带来SiC材料的30倍产能增长。

国内的第三代半导体发展与美欧日存在相当明显的差距,6英寸技术也才起步未能量产,8英寸则是毫无头绪,80%的产品都依赖进口,高端人才更是受到多重束缚,流失严重。

卡脖子的关键技术落伍,产业链不成气候,情况不容乐观。因此,国家推出一系列政策、规划帮助国内第三代半导体进步。

2014年,工信部发布《国家集成电路产业发展推进纲要》,设立国家产业投资基金,重点支持集成电路产业发展,促进工业转型升级;

2015年,国务院发布的《中国制造2025》中,提出将集成电路及专用设备作为“新一代信息技术产业”纳入大力推动突破发展的重点领域;

2016年,国务院推出了《国务院关于印发“十三五”国家科技创新规划的通知》,首次提到要加快第三代半导体芯片技术与器件的研发;

2017年,科技部和交通运输部发布《“十三五”交通领域科技创新专项规划》,提出开展IGBT、碳化硅、氮化镓等电力电子器件技术研发及产品开发;

2019年,国务院在《长江三角洲区域一体化发展规划纲要》中明确要求加快培育布局第三代半导体产业,推动制造业高质量发展,财政部及税务总局印发的《关于集成电路设计和软件产业企业所得税政策的公告》中,也针对集成电路设计企业和软件企业给予所得税减免;

2020年,再次推出《新时期促进集成电路产业和软件产业高质量发展的若干政策》,对于国家鼓励的集成电路设计、装备、材料、封装、测试企业和软件企业,自获利年度起,第一年至第二年免征企业所得税,第三年至第五年按照25%的法定税率减半征收企业所得税;

2021年,国家开展“强基计划”,将“集成电路”设为一级学科,加大对集成电路基础人才的培养,各地也出台人才扶持政策,设立专项激励政策与引导,加强对海外高端人才的吸引与保留。

因此,高确定性、高速度发展的第三代半导体,又搭上国产替代和国家支持的快车,国内产业链相关龙头公司迎来难得的机遇。

1、三安光电

在LED芯片产销规模龙头地位稳固基础上,三安光电旗下子公司三安集成承接化合物半导体业务,布局GaAs、SiC、GaN、光通讯和滤波器五大板块,主要应用在新能源汽车、光伏、储能、服务器电源、矿机电源等领域,目前已成为国内稀缺的在第三代半导体方面全产业链布局的领军龙头。

2、比亚迪

比亚迪投入巨资布局第三代半导体材料SiC,目前己成功研发SiC MOSFET,旗下子公司比亚迪半导体是全球首家、国内唯一实现SiC三相全桥模块在新能源汽车电机驱动控制器中大批量装车的功率半导体企业。预计到2023年,比亚迪将在旗下的电动车中,实现SiC基车用功率半导体对硅基的全面替代。

3、斯达半导

国内车规级IGBT行业龙头,拟自建晶圆产线用于生产高压IGBT芯片及SiC芯片,项目达产后将形成年产36万片功率半导体芯片的生产能力,SiC模块产品已用于宇通新能源客车的核心电控系统之中。

4、华润微

华润集团旗下的高科技企业、国内功率IDM龙头、中国本土最大的MOSFET厂商。SiC和GaN研产顺利,SiC二极管已实现小批量供货,SiC-MOSFET产品研发进入尾声,其产业化准备工作正有序推进,GaN 6寸和8寸产品同步研发中。

5、新洁能

国内MOSFET领先企业,自建IGBT封测产线,产品已切入宁德时代、中兴通讯、飞利浦等众多国内外龙头厂商供应链,是国内少数掌握高端功率器件核心技术的厂商之一。未来致力于打造第三代半导体功率器件平台。

6、露笑科技

公司依托蓝宝石业务积累,研发SiC长晶设备,专注于导电型SiC衬底片和外延片的生产和销售,目前项目进展顺利。

7、晶盛机电

晶盛机电是半导体材料装备和LED衬底材料制造的领先企业,围绕Si、SiC、蓝宝石开发出一系列关键设备,并由设备端切入半导体材料,公司的SiC长晶炉已成功生产出6英寸SiC晶体,同时8英寸SiC晶体生产已在研发中。