第三代半导体产业布局稳步推进
第三代半导体产业布局稳步推进
第三代半导体产业正迎来快速发展期，碳化硅（SiC）和氮化镓（GaN）等宽禁带半导体材料凭借其优异的性能，在电动汽车、光伏等高压高频应用领域展现出巨大潜力。本文将从技术特点、市场规模、产业链布局等多个维度，全面解析第三代半导体产业的发展现状和未来趋势。
第三代半导体产业呈现激烈竞争态势
自20世纪中期，半导体经历了三次明显的更迭。第一代半导体材料（20世纪5、60年代）主要包括硅、锗元素等单元素半导体材料；第二代半导体材料（20世纪90年代）主要包括化合物半导体材料，如砷化镓、锑化铟、磷化铟；第三代半导体材料（21世纪）主要是以碳化硅(SiC)、氮化镓(GaN)、氧化锌(ZnO)、金刚石、氮化铝(AlN)为代表的宽禁带半导体材料，其中，碳化硅、氮化镓的研究和发展更为成熟。
相比传统硅基，第三代半导体的宽禁带材料（SiC、GaN）能在耐压和开关频率上获得更好的器件性能，逐步替代硅基器件成为高压高频应用领域的市场主流；以电压场景来分，0-300V区间内硅材料占据成本方面优势，300V-600V区间是GaN材料的优势领域，600V以上的高压区间内SiC占据主要优势。
数据来源：天岳先进官网，山西证券研究所
根据QYResearch报告显示，预计2029年全球晶圆用高纯碳化硅粉末市场规模将达到4.79亿美元，7年CAGR为16.3%。Yole数据显示，2023年全球碳化硅功率器件市场规模达19.72亿美元，近五年CAGR达35.79%。而随着碳化硅器件在电动汽车、光伏等领域的需求提速，全球碳化硅器件市场规模呈现出显著增长态势。
资料来源：QYResearch，山西证券研究所
资料来源：yole，中商产业研究院，山西证券研究所
根据2016年12月工信部、国家发改委、科技部与财政部联合发布的《新材料产业发展指南》，高禁带宽度半导体材料属于鼓励发展的“关键战略材料”，大尺寸碳化硅单晶属于“突破重点应用领域急需的新材料”。为提高生产效率并降低成本，大尺寸是碳化硅衬底制备技术的重要发展方向。近年来，第三代半导体领域正在呈现出激烈竞争态势，包括英飞凌、意法半导体、安森美、罗姆等在内的海外头部厂商都在加紧升级工艺，提高产能及生产率，寻求长期合作伙伴。国内厂商也抓紧窗口机遇抢占市场，增资扩产步伐加快。
碳化硅器件在下游的应用规模不断扩大
SiC器件的主要应用领域包含电动汽车、光伏、通信、轨道交通以及航天军工等。受益于全球电动汽车的快速发展以及SiC高禁带宽度（耐高温）、高临界击穿电场（耐高压）、高热导率（散热性）、高饱和电子漂移速率（高开关速度）、低损耗的特性，新能源汽车已经是SiC的第一大应用市场。根据Yole 数据，2021-2027年全球碳化硅功率器件市场规模预计将从10.90亿美元增长到62.97亿美元，主流应用仍为电动汽车和可再生能源。其中车规级市场空间有望从2021年6.85亿美元增长至2027年49.86 亿美元，CAGR为39.2%，2027年车规级SiC器件占整个SiC器件市场的比例有望提升至79.18%。
资料来源：Yole，半导体投资联盟，山西证券研究所
Yole数据显示，2023年碳化硅功率器件下游应用于汽车行业的市场份额达77%，并将于2029年进一步提升至81%。SiC器件在新能源汽车中的主要应用模块为主驱逆变器、车载充电器（OBC）、电源转换系统（DC/DC转换器）和直流充电桩。据Wolfspeed预测，2026年电动汽车中逆变器应用场景所占据的SiC单车价值量约为83%；OBC的价值量占比约为15%； DC/DC转换器的价值量占比约2%。
资料来源： NE时代，安森美官网，山西证券研究所
主驱逆变器作为控制主驱电机的关键部件，它将电池包的直流电转换为驱动电机的交流电，其转换的效率很大程度上决定了车辆行驶的能耗表现。同时，主驱逆变器的峰值功率配合高性能的主驱电机，也决定着车辆的整体性能。各大车企纷纷导入使得碳化硅在主驱逆变器上的市场份额正以前所未有的速度扩张。据NE时代预测数据，中国新能源乘用车市场不同类型功率器件的份额中，增长最快的将是800V高压SiC平台，其次是主要用于800V四驱车辆辅驱的800V IGBT和400V SiC的份额也将有所增长。
资料来源： NE时代，安森美官网，山西证券研究所
TrendForce显示，2023年全球SiC功率器件产业在纯电动汽车应用的驱动下保持强劲成长，前五大SiC功率器件供应商约占整体营收91.9%，其中ST以32.6%市占率持续领先，onsemi由2022年的第四名上升至第二名。
资料来源：Trendforce，山西证券研究所
根据NE数据，2024年上半年，中国乘用车功率模块装机量达到1082万套，同比增长63.9%。其中碳化硅功率模块装机量为131万套，同比增长高达104%，装机量占比12%。碳化硅功率模块方面，ST依然占据榜首位置。而以比亚迪半导体代表的国产碳化硅模块企业也表现出了强劲的增长态势，尤其在20万以下纯电车型和插电式车型中实现快速搭载。芯联集成、斯达半导体不仅具备模块的供应能力，还可自主供应碳化硅芯片，供应模式也更多样，进一步带动其快速增长。
光伏逆变器是碳化硅另一个快速增长的应用领域。“十四五”战略规划和2035年远景目标提出，要加速推动碳化硅等第三代半导体产业化进程。未来随着光伏发电市场的蓬勃发展，光伏逆变器的应用将大幅增长。
根据 IHSMarkit 统计，2020年全球逆变器的新增及替换整体市场规模为135.7GW，2021年全球逆变器的新增及替换整体市场规模将达到约187GW，2025年全球逆变器新增及替换市场规模将达到401GW。在全球新能源结构转型的背景下，随着光伏发电市场规模持续扩大以及旧设备的替换需求增长，全球逆变器市场出货量将进一步增长。
资料来源：IHSMarkit，艾罗能源招股说明书，山西证券研究所
受益于国内较为完整的光伏产业链，产业链上下游协同发展持续推动国内光伏厂商技术突破，国内逆变器厂商在全球主要光伏市场的市场份额持续上升。根据国家能源局、光伏行业协会及第三方机构数据，2023年，全球光伏装机市场多元化呈现加速趋势，其中我国光伏市场应用更是超预期发展，全年光伏新增装机216.8GW(ac)，同比增长148%，创历史新高。
光伏逆变器行业整体市场格局呈现头部较为集中，主要参与企业差异化竞争的特点。光伏逆变器市场参与者包括华为、阳光电源、古瑞瓦特、锦浪科技、固德威、SMA、SolarEdge 等。根据Wood Mackenzie的报告《2024年全球光伏逆变器和组件级电力电子产品市场份额》显示，2023年，全球前十大光伏逆变器供应商占据81%的市场份额，行业集中度较高。中国已成为该领域的主导力量，占全球出货量的一半以上。华为和阳光电源分别保持了排名第一和第二的位置，合计占据了全球50%以上的市场份额。
资料来源：Wood Mackenzie，光伏产业网，山西证券研究所
光伏逆变器是光伏发电系统的核心模块，光伏逆变器按照技术路线可以分为三类，组串式逆变器、集中式逆变器和微型逆变器。从产品类型来看，2023年，光伏逆变器市场仍以组串式逆变器和集中式逆变器为主，集散式及微型逆变器占比较小，其中，组串式逆变器市场占比为80%。
在组串逆变器中，单个逆变器的功率正在不断提高，光伏系统的功率密度和效率也随逆变器功率提高而提高。此外，智能化也成为了逆变器的发展趋势。用SiC MOSFET或SiC MOSFET与SiC SBD结合的功率模块的光伏逆变器能够缩小系统体积、延长器件使用寿命。高效、高功率密度、高可靠和低成本是光伏逆变器的未来发展趋势。随着太阳能逆变器成本的优化，在组串式和集中式光伏逆变器中，越来越多的厂商将会使用SiC MOSFET作为主逆变器件。
山西省半导体产业链高质量发展
山西省出台多项鼓励半导体产业发展政策
山西省高度重视半导体及集成电路产业发展，将半导体产业作为我省十四个战略性新兴产业之一。2021年-2023年山西省先后出台了《山西省“十四五”新装备规划》《山西省“十四五”新技术规划》《山西省“十四五”未来产业发展规划》《关于促进半导体产业高质量发展引导集成电路产业健康发展的指导意见》《山西省“十四五”电子信息产业发展规划》等政策。山西省第三代半导体产业链相关政策如下：
近年来，山西省政府对产业转型项目的划分更加清晰明确，其中，2023年涉及半导体产业的有9项，2024年有12项，主要集中在上游碳化硅材料制备项目和中下游的LED显示、封装等项目。
山西省半导体产业快速发展，涌现出烁科晶体、中电科2所、山西高科华烨、太原晋科等一批具有较强竞争力的企业，在衬底材料、关键装备、LED等产业链环节具备了一定产业特色优势。
风险提示
下游需求放缓；国产化速度低于预期；市场竞争激烈。