第三代半導體材料的選擇難題待解：技術、資本、成本

作者：王漢星

回顧2020年，新冠肺炎疫情的蔓延持續沖擊著全球半導體產業鏈。與此同時，國際貿易形式的變化對國內半導體產業的發展與突破帶來嚴格挑戰。在此背景之下，以碳化矽、氮化鎵為核心的第三代半導體材料，伴隨著功率器件產業的景氣度上升，逐步成為市場關註的熱點。

這其中，第三代半導體相較前兩代尚處於發展初期，國內外龍頭廠商差距較小。那麼，第三代半導體材料究竟能否成為國內半導體產業實現全面自主化的突破口？行業記憶體在哪些難題與瓶頸？所謂的「彎道超車」是拼命還是「取巧」？

理論基礎：功率半導體激活增長空間

要回答以上問題，首先要對第三代半導體產業鏈有一個大致的了解。第三代半導體材料主要包括碳化矽、氮化鎵、金剛石等，又被稱為寬禁帶半導體材料。與第一代、第二代半導體材料相比，第三代半導體材料具有高熱導率、高擊穿場強、高飽和電子漂移速率和高鍵合能等優點，可以滿足現代電子技術對高溫、高功率、高壓、高頻以及高輻射等條件的要求。當前，第三代半導體材料主要應用於功率半導體領域，應用場景涵蓋新能源汽車、高速軌道交通、新一代移動通訊、智能電網、航空、太空等。從應用角度來看，第三代半導體材料與國內的新基建、消費電子市場密切相幹。

中國是全球最大的功率半導體消費市場，根據IHS Markit預測，2018年全球功率器件市場規模約為391億美元，預計至2021年市場規模將增長至441億美元，年化增速為4.1％。國內市場方面，2018年需求規模為138億美元，增速為9.5％，占全球需求比例為35％。預計2021年國內市場需求規模將達到159億美元，年化增速達4.8％。

制圖：金融界上市公司研究院 數據來源：全球半導體貿易統計組織

從上圖可以看出，全球功率半導體市場的規模增長在近年來趨於平穩，國內的平均增速略高於國際市場。事實上，功率半導體在工業控制和消費電子兩大主要應用領域的產業鏈已相對完善，技術相對成熟，因此增長的彈性較低。但隨著近年來國內新基建概念的興起，功率半導體的應用領域開始逐步向5G、新能源、軌道交通、智能電網、變頻家電的增量市場拓展，從而獲得全新的長期增長動力。

制圖：金融界上市公司研究院 數據來源：華潤微招股說明書

從主要產品結構中可以看出，IGBT、MOSFET等近期熱門詞匯均是功率半導體領域的相幹產品，根據IHS Markit的預測，MOSFET和IGBT是未來5年增長最強勁的半導體功率器件。此外，第三代半導體材料的應用還包括5G新基站建設、智能手機、以及新能源汽車三大熱門領域。根據世紀證券研報數據顯示，5G宏基站使用的PA功率放大器數量在 2019年達到1843.2萬個，2020年有望達到7372.8萬個，同比增長有望達到4倍。預計2020年，基於GaN工藝的基站PA占比將由去年的50％提升至58％；智能手機領域，預計 2020年全球GaN充電器市場規模為24.41億元，2022年有望達到87.74億元。

綜上所述，在新基建的帶動下，新能源汽車、消費電子、智能電網、軌道交通、LED、5G等新興市場增量通過功率器件傳導至上遊的第三代半導體材料行業，從而為行業的發展打開了新的「窗口」，市場需求的客觀存在為國內第三代半導體材料行業的「彎道超車」提供了理論基礎。

實際操作：「技術+資本」是突圍關鍵

而在理論基礎之上，國內相幹產業鏈上的企業則是實現「彎道超車」的主體與關鍵。從全球市場格局來看，據IHS Markit統計，在功率半導體領域，2018年全球功率半導體市占率最高的企業依次為德州儀器、英飛凌、安森美及意法半導體；其中英飛凌、德州儀器及安森美亦是在中國區域內功率半導體市占率最高的企業。

Omida統計顯示，2019年全球功率半導體市場規模約為468億美元。其中，中國占全球市場約36％的份額。在國產化方面，2017年，功率半導體主要器件國產化率低於50％，主要產品IGBT模組、MOSFET、晶閘管、整流器的國產化率僅有30％。

上遊材料領域，根據Yole統計數據，以導電型產品為例，2018年美國占有全球碳化矽晶片產量的70％以上，僅CREE 公司就占據一半以上市場份額，剩餘份額大部分被日本和歐洲的其他碳化矽企業占據。國內碳化矽晶片廠商所占市場份額不足3％。從以上數據中可以看出，與國內半導體產業的其他細分領域相一致的，自主化替代仍舊是第三代半導體材料及其應用領域的首要任務之一。

今年年初，斯達半導、華峰測控、華潤微等第三代半導體材料及相幹功率半導體領域重要廠商陸續登陸A股市場，隨著市場關註度的迅速提升，疊加資金與資本的入場，第三代半導體材料產業的自主化替代進程提速。當前，A股第三代半導體概念相幹個股共計45個，其中在2020年上市的有9家。部分主要廠商的業務與市值情況如下所示：

制圖：金融界上市公司研究院 數據來源：巨靈財經

從資本市場表現來看，年內第三代半導體指數漲幅為6.91％，略低於大盤。而成分個股方面，年內漲幅最高的斯達半導達到1794.09％，年初至今漲幅超過100％的個股共計16家。從市值分布情況來看，如下圖所示：

制圖：金融界上市公司研究院 數據來源：巨靈財經

整體上看，A股第三代半導體概念板塊的總體市值體量不大，大量上市公司集中在300億市值以下，並且個股的年內漲幅呈現出較為明顯的兩極分化趨勢。

制圖：金融界上市公司研究院 數據來源：巨靈財經

從第三代半導體行業重點上市公司2020年上半年的經營數據來看，大多數企業的營收與利潤均實現增長，且利潤增速普遍高於營收增速。在研發方面，根據2020年半年報數據，第三代半導體板塊的平均研發占比為5.25％，其中總市值在200億元以上的企業平均研發投入占比為6.05％。

制圖：金融界上市公司研究院 數據來源：巨靈財經

如上圖所示，第三代半導體企業2020年上半年的毛利率水平與研發投入占比並無明顯的正比關係。但從整體上來看，市值排名靠前的頭部企業大多數擁有更高研發投入占等到毛利率。第三代半導體是技術高度密集的產業，因此對於企業的研發投入和研發周期都有較高的要求，以碳化矽為例，雖然經歷了數十年的研究，但目前碳化矽生長技術仍然只有美、德、日的少數幾家廠商掌握，且距離大規模產業化還有一定差距。

目前全球第三代半導體材料產業所面臨的難題對於國內企業來說既是挑戰，也同樣是機遇。相較前兩代半導體材料，第三代仍處於發展初期，因此國內外龍頭廠商基本處在同一起跑線上。此外，國內龐大的需求市場疊加「十四五規劃」、新基建對於新材料領域的發展訴求，為國內相幹廠商提供了不錯的發展土壤。最後，隨著資本助推的不斷發力，國內第三代半導體企業的突破與升級便擁有了實際操作性。

「彎道超車」僅僅只是開始

那麼，有了理論基礎和實際操作性，第三代半導體材料能否成為國內半導體產業鏈實現「彎道超車」的重要契機呢？回答這一問題之前首先要明確兩個前提：1）功率半導體≠所有半導體，第三代半導體材料並非所有場景下的最優解；2）從技術突破到實現民用還有很長一段距離，這其中的成本問題至關重要。

將以上兩個前提結合起來看，首先在應用環節上，碳化矽可以制造高耐壓、大功率電子器件，例如MOSFET、IGBT等，多數應用於智能電網和新能源汽車行業。氮化鎵具有高臨界磁場、高電子飽和速度等特點，適用於5G通訊、微波射頻等應用領域。因此，第三代半導體材料的主要應用場景為功率器件和射頻器件，與整個半導體產業鏈的市場規模相比仍然比較有限。而主流的存儲、電路等手機晶片還是以矽為主，這也是目前市場規模最大的領域。

制圖：金融界上市公司研究院 數據來源：賽迪智庫、世紀證券研究所

事實上，在新能源、新材料領域，成本往往起到決定性作用。新舊替換並非不計成本，如果第三代半導體材料的成本無法下降到一個合理區間，在應用領域就無法被大多數廠商所接受。盡管第三代半導體材料在功率器件等方面優勢明顯，並且在光電子和高頻微波器件等方面具有發展潛力，但在部分邏輯器件上相對於第一代半導體材料矽並無任何性價比優勢。根據華安證券研報數據顯示，目前碳化矽行業發展的瓶頸主要在於碳化矽襯底成本高達到矽 的4-5倍，預計未來3-4年價格會逐漸降為矽的2倍。

因此，國內的第三代半導體材料行業，在新基建、消費電子的帶動下有著巨大的市場潛力，同時國產化替代也蘊含著龐大的發展空間，行業的長期增長邏輯客觀存在。而在技術突破上，「拼命」自不必說，國內半導體產業的自主化進程並無「巧」可取，若能實現「彎道超車」也僅僅只是開始，在打破技術壁壘的基礎上，真正實現「平價」，突破成本瓶頸，才是第三代半導體行業乃至整個半導體產業良性增長的保障。

來源:金融界上市公司研究院