1、 电子电子 | 证券研究报告证券研究报告 行业深度行业深度 2020 年年 3 月月 28 日日 强于大市强于大市 公司名称公司名称 股票代码股票代码 股价股价 (人民币人民币) 评级评级 捷捷微电 300623.SZ 33.60 买入 扬杰科技 300373.SZ 24.01 买入 华 润 微 688396.SH 35.45 增持 斯达半导 603290.SH 119.58 增持 资料来源：万得，中银证券 以2020年3月27日当地货币收市价为标准 相关研究报告相关研究报告 华为华为 P40发布会点评发布会点评20200326 电子行业电子行业 2019年报前瞻年报前瞻20200229 半导

2、体系列专题半导体系列专题晶圆代工篇晶圆代工篇20200223 中银国际证券股份有限公司中银国际证券股份有限公司 具备证券投资咨询业务资格具备证券投资咨询业务资格 电子电子 赵琦赵琦 证券投资咨询业务证书编号：S01 王达婷王达婷 证券投资咨询业务证书编号：S01 半导体系列专题半导体系列专题 国产功率半导体高端布局加码，国产替代加速 功率半导体是电子装置中电能转换与电路控制的核心，是实现电子装置中电功率半导体是电子装置中电能转换与电路控制的核心，是实现电子装置中电 压、频率、直流交流转换等功能的核心

3、部件。本篇报告将重点围绕功率半导压、频率、直流交流转换等功能的核心部件。本篇报告将重点围绕功率半导 体的器件类型、应用市场、行业格局以及体的器件类型、应用市场、行业格局以及 SiC、GaN 的发展情况进行展开。的发展情况进行展开。 支撑评级的要点支撑评级的要点 常见的功率半导体类型及区别：常见的功率半导体类型及区别：功率半导体是电子装置中电能转换与 电路控制的核心，主要用于电压、频率、直流交流转换等功能。功率 IC、IGBT、MOSFET、二极管是四种运用最为广泛的功率半导体产品。 功功率半导体率半导体下游下游应用领域应用领域：汽车电动化是功率半导体发展新动能。电 动车的空调、充电系统、逆变器

4、、DC/DC 等核心部件都需要功率器件 实现供电电压和直流交流的转换。根据英飞凌预测，轻度混合动力汽 车、 插电混合动力汽车、 纯电动汽车半导体元器件价值量分别达到 531 美元、785美元、775美元。光伏等新能源发电逆变器、变频家电等是 IGBT等功率半导体的重用应用领域。 5G通讯技术也将带来功率半导体 需求的提升，根据英飞凌数据，4G MIMO 射频板上功率半导体的价值 量约为 25美元，但 5G massive阶段的射频板功率半导体价值量将提升 到 100美元，是 MIMO射频板的 4倍。 SiC、GaN 的发展现状和前景的发展现状和前景：SiC 具有宽禁带、高临界击穿电场、高 饱和

5、电子迁移速度和高热导率等特性，在大功率、高频、高温等应用 方面潜力较大，新能源汽车为碳化硅功率器件的重要市场。GaN 具有 宽禁带、高饱和电子漂移速度、高电子迁移率等物理特性，但 GaN的 功率器件类型相对碳化硅较少，其中 GaN HEMT 为氮化镓最受关注的 功率器件类型。GaN 因具有高输出功率、高能效特性在在消费电子快 充产品上得以应用。 功率半导体的市场格局功率半导体的市场格局：高端 MOSFET、IGBT 等领域仍以英飞凌、安 森美、意法半导体、三菱电机、东芝、瑞萨等国际大厂占主导。同时， 在车用半导体领域，国际大厂也积极布局，外延并购完善汽车电子产 品线。近年来国产功率半导体取得较

6、大进步，从低端市场开始逐步向 车用等高端运用市场渗透。 重点推荐重点推荐 随着新能源汽车产业的发展、5G通讯到来，功率半导体器件的需求将 持续提升。在半导体国产化的大趋势下，国内功率半导体企业有望迎 来新的发展机遇，推荐：捷捷微电、华润微、扬杰科技、斯达半导。 评级面临的主要风险评级面临的主要风险 新能源汽车、家电、通讯等的需求不及预期；功率半导体的国产化进 程不及预期。 半导体系列专题 2 目录目录 1、常见的功率半导、常见的功率半导体类型及区别？体类型及区别？ . 5 2、功率半导体主要应用领域有哪些、功率半导体主要应用领域有哪些？ . 12 3、SIC、GAN 的发展现状和前景？的发展现

7、状和前景？ . 23 4、功率半导体的市场格局如何？、功率半导体的市场格局如何？ . 27 5、投资建议、投资建议 . 31 6、风险提示、风险提示 . 32 扬杰科技 . 34 华润微 . 36 斯达半导 . 38 oPoRpPnRnQtNpNoPpQwPsR9P9R6MmOqQnPpPjMqQnOkPsRrR9PmMxOvPpOoOuOpNqP 半导体系列专题 3 图表图表目录目录 图表图表 1. 半导体产品分类半导体产品分类 . 5 图表图表 2. 全球功率半导体市场结构全球功率半导体市场结构 . 5 图表图表 3. 肖特基功率二极管肖特基功率二极管 . 6 图表图表 4. 快恢复功率二

8、极管快恢复功率二极管 . 6 图表图表 5. 主要功率二极管结构及特性主要功率二极管结构及特性 . 6 图表图表 6. 半导体产品分类半导体产品分类 . 7 图表图表 7. LDMOS MOSFET结构图结构图 . 7 图表图表 8. Planer MOSFET结构结构 . 8 图表图表 9. Trench MOSFET结构结构 . 8 图表图表 10. 第六代第六代 IGBT结构结构 . 9 图表图表 11. 第七代第七代 IGBT结构结构 . 9 图表图表 12. 6代代 IGBT性能比较性能比较 . 9 图表图表 13. 功率半导体下游市场运用广泛功率半导体下游市场运用广泛 . 9 图表

9、图表 14. 影响功率半影响功率半导体性能的主要因素导体性能的主要因素 . 10 图表图表 15. 三代硅材料物理性能三代硅材料物理性能 . 10 图表图表 16. 各种半导体材料运用领域各种半导体材料运用领域 . 11 图表图表 17. 全球功率半导体市场规模全球功率半导体市场规模 . 12 图表图表 18. 国内功率半导体市场规模国内功率半导体市场规模 . 12 图表图表 19. 功率半导体在新能源车电机驱动、功率半导体在新能源车电机驱动、DC/DC、充电器上的运用、充电器上的运用 . 12 图表图表 20. 功率半导体直接受益于汽车电动化功率半导体直接受益于汽车电动化. 13 图表图表

10、21. 电动车相比于传统汽车功率半导体需求量大幅提升电动车相比于传统汽车功率半导体需求量大幅提升 . 13 图表图表 22. 传统车企在新能源汽车领域的进展传统车企在新能源汽车领域的进展. 14 图表图表 23. 全球电动汽车渗透率快速提升全球电动汽车渗透率快速提升 . 14 图表图表 24. 全球主要国家电动车充电器数量全球主要国家电动车充电器数量(百万个）百万个） . 15 图表图表 25. 全球主要国家电动车充电需求量全球主要国家电动车充电需求量(十亿瓦时）十亿瓦时） . 15 图表图表 26. 电动车充电桩结构电动车充电桩结构 . 15 图表图表 27. 充电站功率器件价值量充电站功率

11、器件价值量 . 16 图表图表 28. 充电站功率器件价值量充电站功率器件价值量 . 16 图表图表 29. 光伏逆变器功率组件结构光伏逆变器功率组件结构 . 17 图表图表 30. 新能源产业发展带动高压功率半导体发展新能源产业发展带动高压功率半导体发展 . 17 图表图表 31. 变频技术对家电产品的运用价值变频技术对家电产品的运用价值 . 18 图表图表 32. 功率半导体是变频电路的核心器件功率半导体是变频电路的核心器件. 18 图表图表 33. 变频空调、洗衣机和冰箱的出货占比变频空调、洗衣机和冰箱的出货占比 . 19 半导体系列专题 4 图表图表 34. 家电用家电用功率半导体市场

12、规模快速增长功率半导体市场规模快速增长 . 19 图表图表 35. 5G运用场景带动功率半导体需求提升运用场景带动功率半导体需求提升 . 20 图表图表 36. 频率越高，基站覆盖面积越小频率越高，基站覆盖面积越小 . 20 图表图表 37. 国内基站数量国内基站数量 . 21 图表图表 38. 自动化生产驱动工业用功率半导体需求量提升自动化生产驱动工业用功率半导体需求量提升 . 21 图表图表 39. 工业互联网市场规模快速发展工业互联网市场规模快速发展 . 22 图表图表 40. Si、SiC和和 GaN材料特性的对比材料特性的对比 . 23 图表图表 41. SiC产业链环节及参与厂商情

13、况产业链环节及参与厂商情况 . 24 图表图表 42. SiC功率器件的市场规模功率器件的市场规模 . 24 图表图表 43. SiC模块与硅模块与硅 IGBT功率模块的电力损耗比较功率模块的电力损耗比较 . 25 图表图表 44. GaNHEMT 结构图结构图 . 25 图表图表 45. 电源中的氮化镓器件电源中的氮化镓器件 . 26 图表图表 46. 适配器原理图适配器原理图 . 26 图表图表 47. 氮化镓器件的市场规模氮化镓器件的市场规模 . 26 图表图表 48. 功率半导体市场格局功率半导体市场格局 . 27 图表图表 49. MOSFET市场格市场格局局 . 27 图表图表 5

14、0. 分立分立 IGBT市场格局市场格局 . 28 图表图表 51. IGBT 模块市场格局模块市场格局 . 28 图表图表 52. 英飞凌汽车业务营收英飞凌汽车业务营收 . 29 图表图表 53. 意法半导体汽车业务意法半导体汽车业务营收营收 . 29 图表图表 54. 国内功率半导体企业及业务情况国内功率半导体企业及业务情况 . 30 附录图表附录图表 55. 报告中提及上市公司估值表报告中提及上市公司估值表 . 33 半导体系列专题 5 1、常见的功率半导、常见的功率半导体体类型及类型及区别？区别？ 功率半导体是电子装置中电能转换与电路控制的核心，是实现电子装置中电压、频率、直流交流转功

15、率半导体是电子装置中电能转换与电路控制的核心，是实现电子装置中电压、频率、直流交流转 换等功能的核心部件。换等功能的核心部件。根据器件集成度不同，功率半导体可以分为功率 IC和功率分立器件两大类。 功率分立器件包括二极管、晶体管、晶闸管三大类别，其中晶体管是分立器件中市场份额最大的种 类。常见晶体管主要有 BJT、IGBT和 MOSFET。IGBT和 MOSFET是当前市场关注度较高的功率型晶体 管。功率 IC是将晶体管、二极管、电阻、电容等元件集成在一个半导体晶片上，具有所需电路功能 的微型结构。根据运用场景的不同，功率 IC包括 AC/DC、DC/DC、电源管理、驱动 IC等种类。 图表图

16、表 1. 半导体产品分类半导体产品分类 资料来源：华润微招股说明书，中银证券 功率功率 IC、IGBT、MOSFET、二极管是四种运用最为广泛的功率半导体产品。、二极管是四种运用最为广泛的功率半导体产品。根据 Yole数据，2017年功 率 IC 占全球功率半导体市场规模的 54%，是市场份额占比最大的功率半导体产品。MOSFET 主要运 用于不间断电源、开关电源，变频器音频设备等领域，2017 年 MOSFET 市场规模占功率半导体整体 市场规模的 17%；功率二极管主要用于电源、适配器、汽车、消费电子等领域，2017 年全球功率二 极管销售额占功率半导体整体销售额的比例约 15%。由于 I

17、GBT的操作频率范围较广，能够覆盖较高 的功率范围，适用于轨道交通、光伏发电、汽车电子等领域，2017年 IGBT的销售占比达到 12%。 图表图表 2. 全球功率半导体市场结构全球功率半导体市场结构 中银证券 半导体系列专题 6 1、功率二极管、功率二极管 功率二极管是一种不可控型的功率器件，因此功率二极管不可以作为开关器件使用，功率二极管电 流容量大，阻断电压高，但是开关频率较低。功率二极管的单向导电性可用于电路的整流、箝位、 续流。外围电路中二极管主要起防反作用,防止电流反灌造成期间损坏。功率二极管细分产品包括功 率整流二极管、功率肖特基二极管、快速恢复二极管、超快速恢复二极管、小电流整

18、流二极管、变 容二极管等种类。 普通整流功率二极管一般采用 p+pnn+的结构，反向恢复时间长一般在 25微秒；电流定额范围较大， 可以实现 1安培到数百安培的电流；电压范围宽，可以实现 5V-5000V的整流；但是普通整流功率二 极管高频特性一般，一般用于 1KHz以下的整流电路中。 快恢复功率二极管（FRD）采用 PN结构，采用扩散工艺，可以实现短时间的反向恢复，一般反向恢 复时间小于 5微秒，广泛的使用在变换器中。超快恢复功率二极管（UFRD）在快速恢复功率二极管 的基础上，采用外延工艺，实现超快速反向恢复。 肖特基功率二极管（SBD）不是利用 P型半导体和 N型半导体接触形成 PN接原

19、理制作的，而是利用 金属和半导体接触形成的金属-半导体结原理制造的。肖特基二极管具有开关频率高和正向压降低等 优点，但是反向击穿电压比较低，一般低于 100V。因此肖特基二极管一般用于高频低电压领域。 图表图表 3. 肖特基功率二极管肖特基功率二极管 图表图表 4. 快恢复功率二极管快恢复功率二极管 资料来源：中国知网，中银证券 资料来源：中国知网，中银证券 图表图表 5. 主要功率二极管结构主要功率二极管结构及特性及特性 结构结构 特性特性 应用应用 普通功率二极管 采用 P+PNN+结构 扩散工艺制造 反向恢复时间一般为 25微秒， 电 流定额从小于 1 安培到数百安 培，电压从 50V到

20、最高 5KV 用于 1KHz以下的整流电路 快速恢复二极管 采用 PN或者 PIN结构， 采用 扩散工艺，掺杂金杂质 反向恢复时间一般小于 5微秒， 约为数百纳秒，反向耐压在 1200V以下 用于各种变换器，工作与高频 开关状态 超快恢复二极管 外延工艺 反向恢复时间一般小于 100纳秒 用户根据电路特点和工作频率 来选择使用 肖特基功率二极管 金属半导体二极管，采用 薄膜淀积工艺 多子导电，反向恢复时间一般在 10纳秒40纳秒之间 适用于高频领域 资料来源：中国知网， 中银证券 2、MOSFET MOSFET（Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Tr

21、ansistor）简称金氧半场效晶体管，是一种可以广泛使 用在模拟电路和数字电路的场效应晶体管。 MOSFET可以实现较大的导通电流， 导通电流可以达到上 千安培，并且可以在较高频率下运行可以达到 MHz甚至几十 MHz，但是器件的耐压能力一般。因此 MOSFET可以广泛的运用于开关电源、镇流器、高频感应加热等领域。 半导体系列专题 7 为了满足电气化程度不断提升的社会需求，功率型 MOSFET性能不断被提升。MOSFET的改进主要围 绕着更高的工作频率、 更高的输出功率。 目前市场上功率型 MOSFET可以分为 Planar MOSFET 和 trench MOSFET两种类型。 图表图表

22、6. 半导体产品分类半导体产品分类 资料来源：华润微招股说明书，中银证券 早期的功率型 MOSFET也叫 LDMOS（later Double diffusion MOS），这种结构的 MOSFET可以实现大电流 传输，但是器件的栅、源、漏都在表面，因此器件的漏极和源极需要很长，十分浪费芯片面积。并 且由于 LDMOS的栅、源、漏都在同一个表面，在多个 MOSFET器件进行并联时需要额外的隔离层， 工艺步骤增加。因此后来发展了 VDMOS（vertcal DMOS），这就是早期的 planer VDMOS MOSFET，这 种结构将原来 LDMOS器件的漏极统一放到器件的另一侧，这样使得漏极和

23、源极的漂移区长度可以通 过背面减薄来控制，而且该种结构可以实现更有利于晶体管并联。晶体管的并联可以增大 MOSFET 的功率。这种结构的的表面处理工艺和传统的 CMOS工艺兼容。 图表图表 7. LDMOS MOSFET结构图结构图 资料来源：IEEE、中银证券 为克服 planer MOSFET中整体面积使用效率不高的问题，后来发展出 trench MOSFET器件结构。Trench MOSFET是将管子的沟道从原来的 planer变成沿着槽壁的纵向。这样的结构虽然提升了硅片面积使用 效率，但是工艺难度加大，成本较高，并且当槽较深是容易击穿，因此 trench MOSFET的耐压性价差。 但

24、是该种结构可以实现较多的晶体管并联，可以导通的大电流，因此适合在低电压和大电流的工作 环境。 半导体系列专题 8 图表图表 8. Planer MOSFET 结构结构 图表 图表 9. Trench MOSFET结构结构 资料来源：英飞凌，中银证券 资料来源：英飞凌，中银证券 3、IGBT IGBT是由是由 BJT 和和 MOSFET组成的复合功率半导体器件组成的复合功率半导体器件，同时具备同时具备 MOSFET 开关速度高、输入阻抗高、开关速度高、输入阻抗高、 控制功率低、驱动电路简单、开关损耗小的优点和控制功率低、驱动电路简单、开关损耗小的优点和 BJT 导通电压低、通态电流大、损耗小的优

25、点。导通电压低、通态电流大、损耗小的优点。 IGBT在功率 MOSFET 的基础上增加了一层，即在背面的漏极上增加一个 P+层。在引入 P+层之后，从 结构上漏端增加了一个 P+/N-driff的 PN结，该 PN结处于正偏状态，不仅不影响导通反而增加了空穴 注入效应， 该 PN结带来的特性类似于 BJT有两种载流子参与导电。 因此 IGBT具备 MOSFET的开关速 度高、输入阻抗高、控制功率低、驱动电路简单、开关损耗小等优点，同时具备 BJT 导通电压低、 通态电流大、损耗小等优点。IGBT 在高压、大电流、高速方面有突出的产品竞争力，已经成为功率 半导体主流发展方向。 从 1988年 I

26、GBT诞生至今，已经有七代 IGBT结构。第一代 IGBT(PT-IGBT)产品结构简单，但是由于晶体结 构本身原因造成负温度系数，并联时各个 IGBT原胞压降不一致，不利于并联运行，并且电流只有 25A， 容量较小，因此没有普遍使用。第二代 IGBT 也称为改进型 PT-IGBT 是在 P+和 N-driff 层时间加入 N-buffer 层，这一层形成的耗尽层可以减小芯片厚度、减小功耗，该种产品在 600V 以上具备优势，但是 1200V 以上时外延厚度较大导致成本较高，并且可靠性降低。西门子是改进型 PT-IGBT产品的主流厂商。 第三代 IGBT 也称为 Trench-IGBT，该种结

27、构的思路和 trench MOSFET 思路一样，将沟道转移到垂直面 上。该种结构导通电阻小，栅极密度增加不受限制，有效特高耐压能力。由于需要使用双注入技术， 制作难度较大。 英飞凌的减薄技术处于世界先进水平， 因此英在 Trench IGBT时代英飞凌一举成为 IGBT 行业巨头。 第四代为 NPT-IGBT，该种产品不再使用外延技术，而是使用离子注入技术生成 P+集电极（透明集电 极），该种结构可以精准控制结深进而控制发射效率，增快载流子抽取速度来降低关断损耗，同时 该种结构具备正温度系数，在稳态功耗和关断功耗取得较高的折中，该种产品结构被广泛的使用。 第五代 FS-IGBT结合了第四代

28、NPT-IGBT的“透明集电区技术”和“电场中止技术”。采用先进的薄片技 术并在薄片上形成电场中止层，有效的减薄芯片的厚度，是的导通压降和动态功耗都有明显下降。 第六代 FS-trench 在第五代基础上改进沟槽结构，增加芯片电流导通能力，优化芯片内载流子浓度和 分布，减小芯片的综合损耗和提高 IGBT耐压能力。 2012 年三菱电机推出第七代 IGBT。IGBT7 采用了新型微沟槽（MPT）+电场场截止技术。它采用基于 n-掺杂的衬底的典型垂直 IGBT设计， p基区内的 n型重掺杂构成了发射极接触结构。 通过在电隔离的 沟槽刻蚀接触孔，确定了沟道和栅极。在 n-衬底的底部，通过 p+掺杂实

29、现了集电极区。在 n-衬底和 和 p+之间，通过 n+掺杂实现了场截止（FS）结构。IGBT7 增加有源栅极密度，能够增加单位芯片面 积上的导电沟道，全面优化 IGBT性能。根据富士电机发布的第七代 IGBT产品数据，相比于第六代 V 系列，IGBT7 可以使逆变器的功率损耗降低 10%，最高操作结温度从 150提高到 175，这有助于 半导体系列专题 9 图表图表 10. 第六代第六代 IGBT结构结构 图表 图表 11. 第七代第七代 IGBT结构结构 资料来源：英飞凌，中银证券 资料来源：英飞凌，中银证券 图表图表 12. 6代代 IGBT性能比较性能比较 特点特点 芯片面积相芯片面积相

30、 对值对值 工艺线宽工艺线宽 (微米微米) 通太饱和压通太饱和压 降降(V) 关断时间关断时间 （微秒）（微秒） 功率损耗功率损耗 (相对值相对值) 断态电压断态电压 (V) 出现时间出现时间 (年年) 1 平面串通型（PT） 100 5 3.0 0.50 100 600 1988 2 改进平面传统型 （PT） 56 5 2.8 0.30 74 600 1990 3 沟槽型（trench） 40 3 2.0 0.25 51 1200 1992 4 非穿通型（NPT） 31 1 1.5 0.25 39 3300 1997 5 电场截止型（FS） 27 0.5 1.3 0.19 33 4500 2

31、001 6 沟槽电场截至型 （FS-Trench） 24 0.3 1.0 0.15 29 6500 2003 资料来源：ET 创芯网论坛， 中银证券 各类型功率器件由于结构不同，特性有所不同。各类型功率器件由于结构不同，特性有所不同。MOSFET高频特性较好，工作频率可以达几十 KHz到上 千 KHz，能够工作在高电流状态下，但耐压特性较差，在高功率领域应用受限。IGBT 耐压高，高功率 领域应用优势明显，高频特性弱于 MOSFET。晶闸管高频特性较差，在高功率领域应用优势明显。 图表图表 13. 功率半导体下游市场运用广泛功率半导体下游市场运用广泛 资料来源：Yole，中银证券 半导体系列专

32、题 10 4、化合物半导体、化合物半导体 影响功率半导体器产品性能的主要有两方面因素：一是器件结构，二是半导体材料。半导体材料的 禁带宽度、饱和电子漂移速度、击穿场强都会影响功率半导体性能。从半导体产业发展至今，半导 体产业主要经历了三代材料技术演变，第一代是以硅（Si）、锗（Ge）元素为主；第二代半导体材 料以砷化镓（GaAs）为主；第三代半导体材料以氮化镓（GaN）、碳化硅（SiC）为主。 图表图表 14. 影响功率半导体性能的主要因素影响功率半导体性能的主要因素 资料来源：赛迪智库，中银证券 第一代半导体材料，尤其硅基半导体材料工艺成熟、成本较低，是目前半导体材料的主流，第一代半导体材料，尤其硅基半导体材料工艺成熟、成本较低，是目前半导体材料的主流，目前大 部分功率半导体和集成电路都是基于硅基的第一代半导体材料