第三代半导体材料选择需要解决的问题:技术、资金和成本
作者：王汉兴
回顾2020年，新冠肺炎肺炎的蔓延将继续冲击全球半导体产业链。同时，国际贸易形式的变化给国内半导体产业的发展和突破带来了严峻的挑战。在这种背景下，随着功率器件行业的日益繁荣，以碳化硅和氮化镓为核心的第三代半导体材料逐渐成为市场热点。
其中，第三代半导体相对于前两代还处于发展初期，与国外领先厂商差距较小。那么，第三代半导体材料能否成为国内半导体行业实现完全自主的突破口呢？行业存在哪些问题和瓶颈？所谓的“弯道超车”是绝望还是“投机取巧”？
理论基础：功率半导体激活增长空间
要回答以上问题，首先要对第三代半导体产业链有个大概的了解。第三代半导体材料主要包括碳化硅、氮化镓、金刚石等，也称为宽带隙半导体材料。与第一代和第二代半导体材料相比，第三代半导体材料具有高热导率、高击穿场强、高饱和电子漂移率和高结合能的优点，能够满足现代电子技术对高温、大功率、高电压、高频和高辐射的要求。目前，第三代半导体材料主要用于功率半导体领域，应用场景涵盖新能源汽车、高速轨道交通、新一代移动通信、智能电网、航空航天等。从应用角度来看，第三代半导体材料与国内新基础设施和消费电子市场密切相关。
中国是世界上最大的功率半导体消费市场。据IHS Markit预测，2018年全球电力设备市场规模约为391亿美元，预计到2021年市场规模将增长至441亿美元，年化增长率为4.1%。在国内市场，2018年需求规模为138亿美元，增长率为9.5%，占全球需求的35%。预计2021年国内市场需求将达到159亿美元，年化增长率为4.8%。
制图：金融上市公司研究所资料来源：全球半导体贸易统计组织
从上图可以看出，近年来全球功率半导体市场的规模增长趋于稳定，中国的平均增长率略高于国际市场。实际上，工业控制和消费电子领域的功率半导体产业链比较完善，技术也比较成熟，所以增长弹性低。然而，随着近年来中国新基础设施概念的兴起，功率半导体的应用领域逐渐扩展到5G、新能源、轨道交通、智能电网和变频电器等增量市场，从而获得新的长期增长势头。
制图：金融板块上市公司研究所资料来源：华润微招股书
从主要产品结构可以看出，IGBT、MOSFET等流行语都是功率半导体领域的相关产品。根据IHS Markit的预测，MOSFET和IGBT是未来五年最强大的半导体功率器件。此外，第三代半导体材料的应用还包括5G新基站建设、智能手机和新能源汽车三个热点领域。根据《世纪证券研究报告》的数据，5G宏基站使用的PA功放数量将在2019年达到1843.2万个，预计在2020年达到7372.8万个，同比增长4倍。预计2020年，基于GaN工艺的基站PA比例将从去年的50%提高到58%；在智能手机领域，预计2020年全球GaN充电器市场规模将达到24.41亿元，2022年将达到87.74亿元。
综上所述，在新基础设施、新能源汽车、消费电子、智能电网、轨道交通、LED、5G和ot的推动下
在理论基础上，国内相关产业链中的企业是实现“弯道超车”的主体和关键。从全球市场结构来看，据IHS Markit统计，在功率半导体领域，2018年全球功率半导体市场份额最高的企业有德州仪器、英飞凌、安森美、意法半导体；英飞凌、德州仪器、安森美也是中国功率半导体市场份额最高的企业。
Omida统计显示，2019年全球功率半导体市场约为468亿美元。其中，中国约占全球市场的36%。在国产化率方面，2017年主要功率半导体器件国产化率不到50%，主要产品IGBT模块、MOSFET、晶闸管、整流器国产化率只有30%。
上游材料领域，据Yole统计，以导电产品为例，2018年，美国占全球碳化硅晶圆产量的70%以上，仅CREE就占据了一半以上的市场份额，其余大部分份额被日本和欧洲的其他碳化硅企业占据。国内碳化硅晶片厂商占市场不到3%。从以上数据可以看出，与国内半导体行业的其他子行业一致，自主替代仍然是第三代半导体材料及其应用领域的首要任务之一。
今年年初，斯达半导体、华丰测控、华润微等第三代半导体材料及相关功率半导体领域的重要厂商相继登陆a股市场。随着市场关注度的快速提升和叠加资金和资本的入场，第三代半导体材料产业的自主替代进程加快。目前a股第三代半导体概念股45只，其中9只将于2020年上市。一些主要制造商的业务和市场价值如下：
制图：金融上市公司研究所资料来源：金财经
从资本市场表现来看，三代半导体指数年内上涨6.91%，略低于大盘。成份股方面，年内涨幅最高的是1794.09%，今年至今涨幅超过100%的有16只。从市值分布来看，如下图所示：
制图：金融上市公司研究所资料来源：金财经
总体来看，a股第三代半导体概念股整体市值不大，大量上市公司集中在300亿市值以下，个股年增长率呈现明显的两极分化趋势。
制图：金融上市公司研究所资料来源：金财经
根据2020年上半年第三代半导体行业重点上市公司的经营数据，大部分企业的收入和利润都实现了增长，利润增长率普遍高于收入增长率。R&D方面，根据2020年半年报数据，第三代半导体板块平均R&D比率为5.25%，总市值200亿元以上企业平均R&D投资比率为6.05%。
制图：金融上市公司研究所资料来源：金财经
如上图所示，2020年上半年第三代半导体企业的毛利率与R&D投资比例不成正比。但总体来看，市值最高的顶级企业大多R&D投资率和毛利率较高。第三代半导体是一个技术高度密集的行业，因此它对R&D投资和R&D周期的企业有很高的要求。以碳化硅为例，虽然研究了几十年，但是碳化硅的生长技术仍然只有美国、德国、日本的少数厂家掌握，距离大规模产业化还有一定差距。
目前，世界第三代半导体材料行业面临的问题对国内企业来说既是挑战，也是机遇。与前两代相比
那么，有了理论基础和实际可操作性，第三代半导体材料能否成为国内半导体产业链实现“弯道超车”的重要契机？在回答这个问题之前，首先要明确两个前提条件：1)功率半导体所有半导体，第三代半导体材料不是所有场景下的最优解；2)从技术突破到民用还有很长的路要走，成本很重要。
综合以上两个前提，第一，碳化硅可以制造高压大功率的电子器件，如MOSFET和IGBT，多用于智能电网和新能源汽车行业。氮化镓具有高临界磁场和高电子饱和速度的特点，适用于5G通信、微波射频等应用。所以第三代半导体材料的主要应用场景是功率器件和射频器件，相对于整个半导体产业链的市场规模来说还是比较有限的。但主流手机芯片如内存、电路等主要是硅，这也是目前最大的市场领域。
制图：金融上市公司研究所资料来源：CCID智库世纪证券研究所
事实上，在新能源和新材料领域，成本往往起着决定性的作用。以新换旧不是没有成本的。如果第三代半导体材料的成本不能降低到合理的范围，将不会被应用领域的大多数厂商所接受。虽然第三代半导体材料在功率器件方面有明显优势，在光电子学和高频微波器件方面有发展潜力，但在一些逻辑器件方面没有第一代半导体材料硅的性价比优势。根据华安证券研究报告的数据，碳化硅行业发展的瓶颈是碳化硅衬底成本高达硅的4-5倍，预计未来3-4年价格将逐步降至硅的2倍。
因此，中国第三代半导体材料产业在新基础设施和消费电子的带动下具有巨大的市场潜力，同时本地化替代也蕴含着巨大的发展空间，产业的长期增长逻辑是客观存在的。技术上的突破，不言而喻，国内半导体行业的自主化过程中，没有“聪明”。如果能做到“弯道超车”，那只是开始。在突破技术壁垒的基础上，才能真正做到“平价”，突破成本瓶颈，这是第三代半导体产业乃至整个半导体产业健康成长的保障。
来源：上市公司金融研究所