半导体|一文读懂第三代半导体战略背景、核心产业链以及相关个股( 二 )
半导体材料的发展主要体现在三个方面：1)衬底及外延材料向大直径发展；2)材料质量和器件性能的提升；3)成本和价格的下降推动产业发展 。 在衬底方面 ， 日本多家公司已在出售2~3英寸GaN衬底；在外延片方面 ， 4~6英寸Si衬底GaN外延片的材料已经实现量产 。
(图片来源：海通证券)
氮化镓(GaN)：第三代半导体核心材料
氮化镓作为第三代半导体材料 ， 有更高的禁带宽度 ， 是迄今理论上电光、光电转换效率最高的材料体系 ， 下游应用包括微波射频器件(通信基站等) ， 电力电子器件(电源等) ， 光电器件(LED 照明等) 。
目前GaN知名厂商集中海外 ， 根据Yole报告 ， 氮化镓产业链基本包括衬底、外延片、器件制造等环节 ， 其中硅基衬底主要供应商有德国Siltronic、日本Sumco、日本Shin-Etsu 等企业 ， 而日本的NTT-AT、比利时的EpiGaN 和英国的IQE 等则是硅基GaN 外延片的主要供应商 。 部分厂商则在产业链上延伸 ， 同时生产外延片及器件制造 ， 例如Episil、Bridg、Fujitsu 等 。 目前主流氮化镓生产厂家依旧集中在欧洲国家及日本等 ， 我国企业尚未进入供给端第一梯队 。
1、通讯基站领域：提高功率密度
目前采用氮化镓的微波射频器件主要用于军事领域、4G/5G 通讯基站等 ， 由于涉及军事安全 ， 国外对高性能氮化镓器件实行对华禁运 。 因此 ， 发展自主氮化镓射频功放产业 ， 有助于打破国外垄断 ， 实现自主可控 。
得益于GaN可处理更高频率和更高能效的电源 ， 相比硅组件 ， GaN可以在尺寸和能耗减半的条件下输送同等的功率 ， 从而提高功率密度 ， 帮助客户在不增大设计空间的同时满足更高的功率要求 。 而大范围的5G网络覆盖要求运营商部署更高功率和运行频率的设备 ， GaN的功率密度优势可以满足他们的需求 。
2、电子电力器件：电源设备占主导
GaN作为第三代半导体材料 ， 广泛应用于功率电子器件中 ， 根据材料深一度援引Yole数据 ， 2018年GaN功率器件国际市场规模中 ， 电源设备领域占比55% ， 其次是激光雷达 ， 占比达到26% ， 其他下游应用如包络跟踪、无线电源等 。
目前使用的电子及电源设备 ， 如个人电脑适配器、音频/视频接收器和数字电视等 ， 有着占用空间大、不美观、发热导致电量损耗等缺点 ， 而GaN 能够减少电源体积 ， 同时提升效率 。
3、其他需求：光伏军用持续发力
1)GaN成为降低光伏成本关键
GaN和SiC器件进入光伏市场 ， 将为小型系统带来更大的竞争优势 ， 主要包括：更低的均化电力成本 ， 提升通过租赁和电力购买协议而销售的电能利润 。 此外 ， 这些器件还能改善性能和可靠性 。 据北极星太阳能光伏网援引研究机构Lux Research 报告显示 ， 受太阳能模组的下游需求驱动 ， 宽禁带半导体――即碳化硅(SiC)和氮化镓(GaN)将引领太阳能逆变器隔离器市场在2020年达到14亿美元 。
2)GaN军用需求快速增长
在军用市场 ， GaN射频器件需求快速增长 ， 根据相关数据 ， 仅战斗机雷达对GaN射频功率模块的需求就将达到7500万只 。 目前 ， 美国海军新一代干扰机吊舱及空中和导弹防御雷达(AMDR)已采用GaN射频功放器件替代GaAs器件 。 根据该期刊论文援引Yole的预测 ， 2020年末 ， GaN射频器件市场规模将达到7.5亿美元 ， 年均复合增长率20% 。
(图片来源：国泰君安)
碳化硅(SiC)：电动车是最佳应用场景
回顾整个碳化硅的发展历程 ， 可以发现在21世纪 ， 碳化硅的发展步伐越来越快 ， 如图所示 ， 其中比较标志性的事件是：2016年搭载ST碳化硅器件作为电机驱动的Model 3发布 ， 使得碳化硅器件开始大规模进入市场 。
(图片来源：国泰君安)
(图片来源：国泰君安)
碳化硅在电动车中的应用：充电机、直流转换器、电驱动系统
碳化硅功率器件定位于1KW-500KW之间 ， 工作频率在10KHz-100MHz之间的场景 ， 特别适用于对于能量效率和空间尺寸要求较高的应用 ， 如电动汽车充电机、充电桩、光伏逆变器、高铁、智能电网、工业级电源等领域 ， 可逐渐取代硅基MOSFET和IGBT 。
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