开启千亿级大赛道，第三代半导体将成为绿色经济的中流砥柱

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　　出品方/分析师：天风证券  潘暕 骆奕扬 程如莹 1、半导体需求依旧高企，短期供需平衡难以实现
　　1.1. 新应用多点开花，带动需求快速起量
　　1）AIoT黄金时代已至，开启半导体＂千亿级＂大赛道
　　AIoT智能物联网进入发展＂加速段＂：智能化技术配套已成熟，未来十年快速成长。
　　2021年受到疫情影响带动防疫+居家双重需求，助推大量AIoT场景落地。国内AIoT龙头连接设备量环比快速上升，大量AIoT应用场景快速落地；是AIoT应用成熟需求快速融合的阶 段，叠加疫情催化智能类产品放量，为快速发展元年；预计未来十年应用持续普及，为黄金十年。
　　AIoT驱动半导体市场规模，有望达到2500亿人民币。
　　传感器与芯片生产商在AIoT产业链中，价值量占比约为10%；按照2021年全球AIoT市场规模3740亿美元计算，预计半导体价值量达到374亿美元，约为2500亿元。
　　半导体是促进智能家居、智能建筑、智能健康、智能医疗、智能工控、智能城市等各领域落地与兴起，叠加应用落地与需求提升，使其中半导体板块重点受益。
　　2）新能源汽车加速入场，汽车半导体价值和量有望同步升级
　　汽车电子所展现的颠覆性趋势不可小觑，随着AIOT和新能源汽车的加速渗透，汽车半导体的价值和量有望同步升级。
　　按照国家规划的发展愿景，2025年新能源汽车销量有望突破500万辆，保有量将在2000万辆。
　　预计2030年，汽车电子在整车中的成本占比会从2000年的18%增加到45%，为涉足汽车领域的电子及半导体企业提供了莫大的机遇。
　　图 3：汽车电子及半导体成本分布（%）
　　3）5G时代来临，引领射频滤波器等市场需求高速起量
　　随着5G通信的大力发展，以及物联网接入设备和其他近场连接方式的增加，手机射频前端市场将从2017年的150亿美元增长到2023年的350亿美元，年复合增长率达14%。
　　细分市场中，滤波器占最大市场份额且未来发展速度超过射频前端市场均值，市场从2017 年的80亿美元预计增长到2023年的225亿美元，年复合增长率高达19%。
　　5G手机中半导体消费量将高于4G手机。因为信号频谱增加，5G手机中的射频前端、天线和功率放大器价值量将会显著提升，同时伴随高速网络下载大容量文件的需要，5G手机的闪存用量将比4G手机显著增长。
　　此外，5G时代会有海量外部设备的接入，相应的将带动各种智能终端内处理器、模拟芯片和传感器等半导体产品的用量提升，从而带动相关芯片需求增长。
　　1.2. 半导体产能依旧吃紧，短期难以满足下游需求
　　我们以功率半导体为例，测算出短期因新能源汽车等下游应用带动，产能仍供不应求。功率半导体作为现代社会的＂电力心脏＂是拉动电力电子产业发展的核心力量，我国功率半导体主要需求领域中汽车占比最高。
　　新能源汽车将带来功率半导体的持续增长，预计2025年我国IGBT+MOSFET与新能源汽车相关增量为124亿元。
　　随着电路越来越复杂与多样，功率半导体的种类呈现多元化。功率半导体广泛应用于移动通讯、消费电子、电动车、轨道交通、工业控制、发电与配电等电力电子领域，主要分为功率分立器件、功率集成电路和功率模组三类。
　　产能方面，目前主要功率半导体厂商在境内共有29条功率半导体产线，9条在建及拟建产线，建设充分的产能能够充分支撑下游需求的快速增长，为国产替代建立良好的基础。
　　根据不完全统计，截至2021年3月，宣布在建和拟建的含功率半导体在内的国内产线为9 条，具体如下图。
　　值得注意的是，整体估算从晶圆厂开建到达产需要3年左右的时间，由此可见以上扩建的大部分产能对缓解目前供需紧张的情况将在2023年后才能逐步显现。
　　目前国内功率半导体可以实现的产能约为39万片/月。经测算到2021年增加的产能约为8万片/月，2023为10.4万片/月，2024为20.7万片/月。
　　下半年代工厂涨价延续，以台积电为首的多家国际、国内制造大厂调涨芯片报价，行业高景气持续。
　　2020年Q3以来，半导体公司纷纷上调产品价格。
　　这波涨价热潮一直延续至今，台积电8月24日先行向联发科、瑞昱与联咏等多家客户告知16奈米以上制程将全面大涨20%，12月新单将正式生效，也就是目前所谈定的11月订单全部收完后，12月晶圆产出(wafer out)正式起涨。此外，联电、中芯、GlobalFoundries(GF)、世界先进、力积电与华虹等多家晶圆代工厂宣布涨价。
　　扩产周期向上，持续看好国产半导体设备材料的机会。
　　半导体扩产周期正在上行：全球晶圆代工资本开支占收入比重达53%，连续三年提高。半导体产能有望持续向大陆转移，2020-2030大陆半导体资本开支复合增速有望高于全球。贸易摩擦背景下，中国大陆半导体设备材料国产化率未来有望持续提高。综合制造板块的加速扩张，叠加国产化率提高，我们判断半导体设备材料板块有预期上修空间，持续看好国产半导体设备材料的机会。 2、第三代半导体有望成为绿色经济的中流砥柱
　　第三代半导体助力＂碳达峰、碳中和＂目标的实现。
　　第三代半导体材料和技术对于建成可循环的高效、高可靠性的能源网络起到至关重要的作用，可助力实现光伏、风电（电能生产），直流特高压输电（电能传输），新能源汽车、工业电源、机车牵引、消费电源（电能使用）等领域的电能高效转换，推动能源绿色低碳发展。
　　当前能源技术革命已经从电力高端装备的发展逐步向由材料革命的发展来带动和引领，第三代半导体有望成为绿色经济的中流砥柱。
　　＂四个革命、一个合作＂的能源安全战略，承诺中国在2030年前实现碳达峰，2060年前实现碳中和。国家电网＂碳达峰、碳中和＂行动方案提出了＂两个50%＂的目标，2050年清洁能源占电能生产的比例将超过50%，电能在终端能源消费中的占比将超 50%。
　　实现＂碳达峰、碳中和＂关键在于加快推进能源开发清洁替代和能源消费电能替代，实现能源生产清洁主导、能源使用电能主导。
　　新基建、＂碳达峰、碳中和＂的政策与规划密集推出，第三代半导体至关重要。
　　第三代半导体材料和器件应用于清洁能源领域如光伏、风电等，以及提升能源使用效率领域如直流特高压输电、新能源汽车、轨道交通等，将对实现＂碳达峰、碳中和＂起到至关重要的作用。
　　SiC助力汽车降低5倍能力损耗。
　　以第三代半导体的典型应用场景——新能源汽车为例，根据福特汽车公开的信息，相比于传统硅芯片（如IGBT）驱动的新能源汽车，由第三代半导体材料制成芯片驱动的新能源汽车，可以将能量损耗降低5倍左右。
　　SiC提高电机逆变器效率4%，整车续航里程约7%。
　　作为第三代半导体的代表，碳化硅技术的应用与整车续航里程的提升也有着紧密的联系，第三代半导体材料在提高能效、电源系统小型化、提高耐压等方面的性能已经达到了硅器件无法企及的高度。
　　小鹏汽车动力总成中心IPU硬件高级专家陈宏表示，相比硅基功率半导体，第三代半导体碳化硅MOSFET具有耐高温、低功耗及耐高压等特点。采用碳化硅技术后，电机逆变器的效率能够 提升约4%，整车续航里程将增加约7%。
　　SiC赋能光伏发电，增加太阳能转换效率。
　　碳化硅作为典型的宽禁带材料，因其物理特性 在太阳能管理中相比硅具有多种材料优势。碳化硅具备的材料优势诸如导热率是硅的三 倍、可承受的击穿电场是硅的10倍、较低的导通电阻、栅极电荷和反向恢复电荷特性， 使得碳化硅器件与硅同等器件相比，可以以更高的电压、频率和电流来开关，同时更高 效地管理热量累积。碳化硅的这些优势在功率升压电路中发挥了作用，它使太阳能转换 的效率更高。
　　据国际能源署IEA估计，如果到2024年，假如仅2%的分布式太阳能光伏系统部署了碳化硅，其额外可产生的发电量将多达10GW。
　　图 5：采用 SiC MOSFET 的双通道升压模块
　　GaN 和 SiC 是太阳能逆变器的关键。
　　据 Lux Research 研究，由氮化镓和碳化硅制成的分布式电力电子系统可以将太阳能微型和串状逆变器的效率提高98%以上，二极管的能量增益超过1.5%，而晶体管的能量增益超过 4%。氮化镓和碳化硅还可以通过降低无源元件的故障率、减少占地面积和节省安装成本等方式间接节约成本。
　　此外，他们优越的热导率减少了逆变器中散热器的尺寸，进而减少了材料成本。
　　超高压SiC器件在智能电网固态变压器中的应用有利于智能电网的进一步发展。在电网系统建设中，电力变压器是电压变换和电气隔离的基础设备，是电力网络的核心。固态变压器(SST)又称电力电子变压器，与传统变压器相比，具有体积小、重量轻、供电质量高、功率因数高、自动限流、具备无功补偿能力、频率变换、输出相数变换等优点。
　　但是由于在电压、功率耐量等方面的限制，硅基大功率器件在固态变压器应用中不得不采用器件串、并联技术和复杂的电路拓扑来达到实际应用的要求，这使得装置的故障率和成本大大增加。而宽禁带半导体材料碳化硅则因其耐高压和耐高温的物理特性，可以更好地适应于智能电网的固态变压器的材料需求，简化固态变压器的电路结构，减小散热器空间，并通过提升开关频率来提高单位功率密度。
　　GaN FET在汽车和工业领域独具优势,助力减少碳排放。
　　GaN FET有较高功率密度和效率，并可以大幅减少电源磁性器件的尺寸、延长电池续航、提升系统可靠性、降低设计成本。第三代半导体材料在汽车和工业领域的应用也有助于生产生活中节约能耗，进而减少相关活动的碳排放。
　　GaN功率器件在数据中心的应用可以大幅降低数据中心的能耗，帮助减少30-40%的能源浪费。据元拓高科资讯，若全球采用硅芯片器件的数据中心都升级为氮化镓功率芯片器件，那么全球的数据中心将减少30-40%的能源浪费，相当于节省了100兆瓦时太阳能和减少1.25亿吨二氧化碳排放量。
　　在碳达峰、碳中和背景下，我国第三代半导体产业持续稳定发展。
　　技术方面我国研发能力逐步提升，量产技术逐渐成熟。
　　国际SiC商业化衬底以6英寸为主，逐步向8英寸过渡；国内SiC商业化衬底以4英寸为主，逐步向6英寸过渡；国内外SiC基GaN外延片主流尺寸为4英寸，并逐步向6英寸发展；Si基GaN外延片主流尺寸为6英寸，并逐步向8英寸发展。
　　SiC MOSFET产品相继推出，车规级成为关注焦点，多家企业推出符合AEC-Q101标准的SiC、GaN量产产品。
　　GaN 电力电子器件实现650V产品量产能力，主要应用于PD快充。
　　商业化GaN射频器件供应上量，下游应用市场快速开启。黄光LED芯片发光效率达到27.9%，世界领先UVA波段紫外LED已有成熟的商业化产品并能满足应用的需求，外量子效率已超过UVC波段深紫外LED产品的外量子效率约5%。Mini/Micro-LED技术取得了较快速的进展，Mini-LED背光产品密集发布，规模商业化应用已经开启Micro-LED巨量转移效率不断提升，多家厂商展出样机。
　　产业方面，国内企业强化布局，第三代半导体产业进入扩张期；
　　产线陆续开通，大尺寸晶圆渐成主流；产能进一步增长，供给仍然不足。市场方面SiC功率器件价格持续下降，与Si器件价差进一步缩小；新能源汽车成为市场的主要拉动力，上下游合作趋势日益明显，第三代半导体产品加速进入汽车供应链；5G基站开始大规模建设，整体市场超千亿；快充市场爆发，对第三代半导体的需求呈现了前所未有的增长趋势；Mini/Micro-LED以及紫外LED市场的前景较为明确，产业化应用逐步开启。
　　行业公司：
　　看好绿色能源需求驱动下第三代半导体大发展，前瞻布局+高质量研发第三代半导体的优质龙头企业，三安光电/闻泰科技/立昂微/士兰微；斯达半导/华润微/扬杰科技/赛微电子/新洁能/捷捷微电/华微电子风险提示：
　　疫情继续恶化、贸易战影响、需求不及预期
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