化合物半導(dǎo)體在射頻、光電子和功率領(lǐng)域有望獲得大發(fā)展：化合物半導(dǎo)體材 料在電子遷移速率、臨界擊穿電場、導(dǎo)熱能力等特性上具有獨特優(yōu)勢。砷化鎵 PA 平均單機價值從 4G 的 3.25 美元增加至 5G 的 7.5 美元，砷化鎵晶圓 市場規(guī)模從 2019年的 2 億美元提升至 2025 年的 3.5 億美元，核心受益環(huán)節(jié) 是代工廠和射頻 IDM；氮化鎵具有更高功率密度和更小損耗，GaN HEMT 相比砷化鎵體積下降 82%，是 5G 宏基站 PA 的最佳材料，行業(yè)發(fā)展的核心 受益環(huán)節(jié)是外延片廠商和射頻 IDM；碳化硅降低電動車能耗 5%-10%，縮小 整體模塊體積 80%（以豐田 PCU 為例），降低電池成本，縮短電池充電時 間, 適應(yīng)電動車電壓從 500V 左右向 1200V 發(fā)展的高壓化趨勢,預(yù)計到 2027 年碳化硅功率器件市場規(guī)模超過 100 億美元，行業(yè)發(fā)展的核心受益環(huán)節(jié)是襯 底生產(chǎn)廠商。

 

GaAs 代工比例提高，本土代工廠迎來發(fā)展機會：化合物半導(dǎo)體因為行業(yè)整 體規(guī)模較小，非標(biāo)準(zhǔn)化程度高，以代工模式為主。歐美主導(dǎo)砷化鎵產(chǎn)業(yè)鏈， 中國臺灣廠商壟斷代工。日本的住友、德國的 Freiberger 和美國的 AXT 三家合 計約占全球半絕緣型襯底 90%的市場份額。英國 IQE 占據(jù)外延片市場 53% 的市場份額。IDM 廠商 Skyworks、Qorvo 和博通合計占 GaAs 射頻器件市 場約 70%市場份額。砷化鎵代工占全球砷化鎵器件市場規(guī)模 10%左右，而 穩(wěn)懋占據(jù)其中超過 70%市場份額。IDM 長為了維持高產(chǎn)能利用率使得產(chǎn)能 建設(shè)趨于保守，有意愿釋放出更多代工訂單，疊加高通等 Fabless 設(shè)計公司 在射頻領(lǐng)域崛起使代工比例提升。國內(nèi) PA 設(shè)計公司如海思、唯捷創(chuàng)芯的成 長促進對本土砷化鎵代工廠需求。

 

SiC 全球供需即將失衡，跨過“奇點時刻”有望迎來大發(fā)展：碳化硅成本高 昂及可靠性問題是阻礙碳化硅發(fā)展的最大障礙。兩年之內(nèi)，電動車的快速發(fā) 展或?qū)⒃斐扇蛱蓟枰r底的供需失衡。假設(shè)未來五年碳化硅模塊價格每年 下降 10%，IGBT 價格每年下降 5%，電池成本每年下降 10%，中性預(yù)計全 碳化硅方案相比硅方案能降低能耗 8%，我們測算在 2025 年碳化硅將迎來 綜合成本低于硅功率器件的 “奇點時刻”，之后迎來爆發(fā)增長。碳化硅成本 結(jié)構(gòu)使得全產(chǎn)業(yè)鏈布局具有優(yōu)勢，器件廠商也逐漸布局上游材料。在顛覆汽 車功率器件進程中，目前車載領(lǐng)域市占率超過 80%的 Cree 有望成為最大贏 家，而國內(nèi)企業(yè)也在相關(guān)領(lǐng)域積極布局。

 

 

化合物半導(dǎo)體物理特性具有獨特優(yōu)勢。半導(dǎo)體材料領(lǐng)域共經(jīng)歷三個發(fā)展階 段：第一階段是以硅、鍺為代表的 IV 族半導(dǎo)體；第二階段是以 GaAs 和 InP 為 代表的 III-V 族化合物半導(dǎo)體，其中 GaAs 技術(shù)發(fā)展成熟，主要用于通訊領(lǐng)域；第三階段主要是以 SiC、GaN 為代表的寬禁帶半導(dǎo)體材料。硅材料技術(shù)成熟， 成本低，但是物理性質(zhì)限制了其在光電子、高頻高功率器件和耐高溫器件上的 應(yīng)用。相比硅材料，化合物半導(dǎo)體材料在電子遷移速率、臨界擊穿電場、導(dǎo)熱 能力等特性上具有獨特優(yōu)勢。

 

硅材料主導(dǎo)，化合物半導(dǎo)體在射頻、功率等領(lǐng)域需求快速增長。目前全球 95%以上的芯片和器件是以硅作為基底材料，由于硅材料極大的成本優(yōu)勢，未來 在各類分立器件和集成電路領(lǐng)域硅仍將占據(jù)主導(dǎo)地位。但是化合物半導(dǎo)體材料獨 特的物理特性優(yōu)勢，賦予其在射頻、光電子、功率器件等領(lǐng)域的獨特性能優(yōu)勢。

 

 

具體而言，GaAs 在 5G 手機射頻和光電子領(lǐng)域占據(jù)主導(dǎo)地位。GaAs 是最 為成熟的化合物半導(dǎo)體，具有較高的飽和電子速率及電子遷移率，使得其適合 應(yīng)用于高頻場景，在高頻操作時具有較低的噪聲；同時因為 GaAs 有比 Si 更高 的擊穿電壓，所以砷化鎵更適合應(yīng)用在高功率場合。因為這些特性，砷化鎵在 sub-6G 的 5G 時代，仍然將是功率放大器及射頻開關(guān)等手機射頻器件的主要材 料。根據(jù) Qorvo 報告，5G 手機中射頻開關(guān)從 4G 手機的 10 個增加至 30 個、功率放大器平均單機價值從 4G 手機的 3.25 美元增加至 7.5 美元，這些都帶動 砷化鎵器件市場規(guī)模的增長。GaAs 的另一個優(yōu)點是直接能隙材料，所以可以 制作 VCSEL 激光器等光電子器件，在數(shù)據(jù)中心光模塊、手機前置 VCSEL 3D 感應(yīng)、后置 LiDAR 激光雷達等應(yīng)用帶動下，光電子器件是砷化鎵器件增長的另 外一個重要驅(qū)動因素。

 

 

相較于 Si 和 GaAs 的前兩代半導(dǎo)體材料，GaN 和 SiC 同屬于寬禁帶半導(dǎo) 體材料，具有擊穿電場強度高、飽和電子漂移速度高、熱導(dǎo)率大、介電常數(shù)小 等特點，具有低損耗和高開關(guān)頻率的特點，適合于制作高頻、大功率和小體積 高密度集成的電子器件。GaN 的市場應(yīng)用偏向微波器件領(lǐng)域、高頻小電力領(lǐng)域 （小于 1000V）和激光器領(lǐng)域。相比硅 LDMOS（橫向雙擴散金屬氧化物半導(dǎo) 體技術(shù)）和 GaAs 解決方案，GaN 器件能夠提供更高的功率和帶寬，并且 GaN 芯片每年在功率密度和封裝方面都會取得飛躍，能比較好的適用于大規(guī)模 MIMO 技術(shù)，GaN HEMT（高電子遷移率場效晶體管）已經(jīng)成為 5G 宏基站功 率放大器的重要技術(shù)。目前在宏基站上 GaN 主要采用使用 SiC 襯底（GaN on SiC），由于 SiC 作為襯底材料和 GaN 的晶格失配率和熱失配率較小，同時熱 導(dǎo)率高，更容易生長高質(zhì)量的 GaN 外延層，能滿足宏基站高功率的應(yīng)用。

 

除了運用在基站，消費電子快充市場是 GaN 另外一個快速增長的領(lǐng)域。相 較于硅基功率器件，GaN 能大大縮小手機充電器體積。消費電子級快充主要采 用硅基襯底（SiC on Si）。雖然在硅襯底上難生長高質(zhì)量 GaN 外延層，但是成 本遠(yuǎn)低于 SiC 襯底，同時能滿足手機充電等較小的功率需求。隨著安卓廠商和 第三方配套廠商陸續(xù)推出相關(guān)產(chǎn)品， GaN 快充有望在消費電子領(lǐng)域快速普及。在光電子領(lǐng)域，憑借寬禁帶、激發(fā)藍光的獨特性質(zhì)，GaN 在高亮度 LED、激光 器等應(yīng)用領(lǐng)域具有明顯的競爭優(yōu)勢。

 

 

與 GaN 同屬于寬禁帶材料的 SiC 同樣具有飽和電子漂移速度高、擊穿電 場強度高、熱導(dǎo)率大、介電常數(shù)小、抗輻射能力強等特點，并且與 GaN 相比， SiC 熱導(dǎo)率是 GaN 的三倍，并且能達到比 GaN 更高的崩潰電壓，因此在高溫 和高壓領(lǐng)域應(yīng)用更具優(yōu)勢, 適用于 600V 甚至 1200V 以上的高溫大電力領(lǐng)域， 如新能源汽車、汽車快充充電樁、光伏和電網(wǎng)。

 

電動車高壓化趨勢明顯。在乘用電動車領(lǐng)域，目前車輛電壓普遍 300- 400V 左右。隨著技術(shù)的發(fā)展，車企們追求更強動力性能和快充性能的意愿更為 迫切，比亞迪唐的額定電壓超過 600V，保時捷 Taycan 電壓平臺為 800V。超 級快充和功率提升促使電動汽車不斷邁向高壓化。

 

電動車碳化硅方案帶來四大優(yōu)勢。目前電動車（不包括 48V MHEV）系統(tǒng) 架構(gòu)中涉及到功率器件的組件包括：電機驅(qū)動系統(tǒng)中的主逆變器、車載充電系 統(tǒng)（OBC，On-board charger）、電源轉(zhuǎn)換系統(tǒng)（車載 DC-DC）和非車載充電 樁。電動汽車采用碳化硅解決方案可以帶來四大大優(yōu)勢：1.可以提高開關(guān)頻率 降低能耗。采用全碳化硅方案逆變器開關(guān)損耗下降 80%，整車能耗降低 5%- 10%；2.可以縮小動力系統(tǒng)整體模塊尺寸，以豐田開發(fā)的碳化硅 PCU 為例，其 體積僅為傳統(tǒng)硅 PCU 的五分之一 3.在相同續(xù)航情況下，使用更小電池，減少無源器件使用，降低整體物料成本。以電動汽車的 6.6kW 雙向 OBC 為例，典 型 AC/DC 部分包括四個 650V IGBT、幾個二極管和一個 700-µH 電感，占材料 清單成本的 70%以上。通過使用四個 650V SiC MOSFET 實現(xiàn)，只需要 230 µH 的電感。這比基于 IGBT 的設(shè)計降低了將近 13%的材料清單成本。4.縮短電 池充電時間，由于更高的充電功率和更小的電池，可以大幅縮短電動車充電時 間。

 

電動汽車的逆變器、OBC、大功率充電樁對碳化硅需求將大幅度增長。逆 變器從整車控制器（VCU）獲取扭矩、轉(zhuǎn)速指令，從電池包獲取高壓直流電， 將其轉(zhuǎn)換成可控制幅值和頻率的正弦波交流電，才能驅(qū)動電機使車輛行駛。電 動汽車中，逆變器和電機取代了傳統(tǒng)發(fā)動機的角色，因此逆變器的設(shè)計和效率 至關(guān)重要，其好壞直接影響著電機的功率輸出表現(xiàn)和電動車的續(xù)航能力。由于 碳化硅的優(yōu)異特性，圍繞 SiC MOSFET 進一步提高車用逆變器功率密度，降低 電機驅(qū)動系統(tǒng)重量及成本，成為各車企的布局重點。

 

2018 年特斯拉已在 Model 3 的主驅(qū)逆變器中使用 SiC MOSFET，每個電 機中采用 24 個 SiC MOS 單管模塊，拆開封裝每顆有 2 個 SiC 裸晶，耐壓為 650V，供應(yīng)商為意法半導(dǎo)體。2020 年比亞迪推出的漢 EV 高性能四驅(qū)版本是 國內(nèi)首款在主逆變器中應(yīng)用自主開發(fā) SiC 模塊的電動汽車，與當(dāng)前的 1200V 硅 基 IGBT 模塊相較，采用 SiC 方案 NEDC 工況下電控效率提升 3%-8%。預(yù)計 到 2023 年，比亞迪將在旗下的電動車中，實現(xiàn) SiC 車用功率半導(dǎo)IGBT 的全面替代。2021 年蔚來最新發(fā)布的首款純電轎車也將搭載采用碳化硅 模塊的第二代電驅(qū)平臺。

 

除逆變器之外，碳化硅在 OBC 中已經(jīng)得到較為廣泛的運用，目前有超過 20 家汽車廠商在 OBC 中使用 SiC 器件，隨著車載充電機功率的提高，碳化硅 方案也從二極管向“二極管+SIC MOS”演進；DCDC 轉(zhuǎn)換器上從 2018 年開 始從硅基 MOS 轉(zhuǎn)向 SiC MOS 方案 。對于充電樁，采用碳化硅模塊，充電模 塊功率可以達到 60KW 以上，而采用 MOSFET/IGBT 單管的設(shè)計還是在 15- 30kW 水平。采用碳化硅功率器件相比硅基功率器件可以大幅降低模塊數(shù)量。因此，對于城市大功率充電站、充電樁，碳化硅帶來的小體積在特定場景中具 有優(yōu)勢。

 

除了電動汽車，光伏逆變器是碳化硅另一個快速增長的應(yīng)用領(lǐng)域。用 SiC MOSFET 或 SiC MOSFET 與 SiC SBD 結(jié)合的功率模塊的光伏逆變器，峰值能 源轉(zhuǎn)換效率可從 96%提升至 99%以上，逆變器能量損耗降低 50%以上，設(shè)備 循環(huán)壽命提升 50 倍，從而能夠縮小系統(tǒng)體積、延長器件使用壽命。高效、高 功率密度、高可靠和低成本是光伏逆變器的未來發(fā)展趨勢。隨著太陽能逆變器 成本的優(yōu)化，在組串式和集中式光伏逆變器中，越來越多的廠商將會使用 SiC MOSFET 作為主逆變器件，來替換原來的三電平逆變器控制的復(fù)雜電路。

 

 

我們認(rèn)為 SiC、GaN 和 GaAs 處于不同發(fā)展階段。對于 SiC 行業(yè)而言，目 前整體市場規(guī)模較小，2020 年全球市場規(guī)模約 6 億美元。但是下游需求確定且巨大，根據(jù) IHSMarkit 數(shù)據(jù)，受新能源汽車龐大需求的驅(qū)動以及電力設(shè)備等領(lǐng) 域的帶動，預(yù)計到 2027 年碳化硅功率器件的市場規(guī)模將超過 100 億美 元,2020-2027 年復(fù)合增速比較。目前制約行業(yè)發(fā)展的主要成本高昂和性能可靠 性。我們認(rèn)為 SiC 行業(yè)一旦到達綜合器件成本趨近于硅基功率器件的“奇點時 刻”，行業(yè)將迎來爆發(fā)性增長。對于 GaN,根據(jù) Grand view research 的測算及 預(yù)測，2027 年全球 GaN 器件市場規(guī)模預(yù)計達到 58.5 億美元，從 2020-2027 年復(fù)合增速有望達到 19.8%，增速也較快。而 GaAs 行業(yè)發(fā)展較為成熟，預(yù)計 2020-2025 年全球復(fù)合增速約 10%-15%。

 

我們認(rèn)為未來五年驅(qū)動 SiC、GaN 和 GaAs 行業(yè)的核心驅(qū)動因素和核心受 益環(huán)節(jié)不同。對于碳化硅行業(yè)，由于成本是制約下游采用的最重要因素，因此 驅(qū)動 SiC 行業(yè)發(fā)展的最核心因素是成本的下降速度。而 GaAs 襯底和外延片制 備技術(shù)相對成熟，成本趨于穩(wěn)定，而需求增長點主要來源于 5G 手機射頻和小 基站。因此驅(qū)動 GaAs 行業(yè)最核心因素是 5G 技術(shù)的更新及基站建設(shè)周期。對 于 GaN,一方面 GaN 外延片目前成本高昂，另一方面需求主要來源于宏基站。由于宏基站對功率器件成本相對敏感度低，因此短期驅(qū)動 GaN 行業(yè)的核心因素 是 5G 的建設(shè)周期，長期來看 GaN 如果要運用于毫米波手機射頻及中低壓功率 器件，成本相比現(xiàn)在也需要有很大幅度下降。

 

核心受益環(huán)節(jié)方面，由于目前碳化硅芯片成本結(jié)構(gòu)中 60%-70%是襯底和 外延片，其中襯底約占 40%-50%, 因此材料廠商是核心受益環(huán)節(jié)；而砷化鎵的 襯底和外延技術(shù)穩(wěn)定且成本占比相對較低，但是發(fā)展模式上越來越多砷化鎵射 頻供應(yīng)商提高使用代工的比例，因此射頻 IDM 廠商和砷化鎵代工廠都是核心受 益環(huán)節(jié)。對于氮化鎵，由于制造主要以 IDM 為主，因此核心受益環(huán)節(jié)是外延片 供應(yīng)商如 Sumitomo 及 IDM 廠商如 Qorvo。

 

 

高純度碳粉和硅粉提純不易、晶體生長緩慢、晶體切割速度慢且良品率低 共同導(dǎo)致碳化硅成本短期內(nèi)難以快速下降。碳化硅器件制作的主要工藝流程包 括單晶生長、晶片加工、外延、前道加工及后道封裝。

 

碳化硅襯底制造的核心關(guān)鍵技術(shù)點包括電子級高純粉料合成與提純技術(shù)、 數(shù)字仿真技術(shù)、單晶生長技術(shù)、單晶加工（切拋磨）技術(shù)。碳化硅襯底配方改 進困難、晶體生長緩慢、成品良品率低。具體而言：

 

高純碳粉是生長高質(zhì)量 SiC 晶體的基礎(chǔ)，尤其對半絕緣型 SiC 晶體生長 有至關(guān)重要的影響，涉及到制備技術(shù)、合成技術(shù)和提純技術(shù)。其中高純 度碳粉提純對工藝要求極高，而合成涉及到的配方技術(shù)需要長時間的摸 索和積累。

 

數(shù)字仿真技術(shù)：單晶生長溫度在 2350-2500 度，由于爐內(nèi)溫度不可測量， 通過高精度數(shù)字仿真技術(shù)可以節(jié)約大量的研發(fā)時間和成本，仿真水平的 高低也直接代表單晶企業(yè)的核心技術(shù)能力。

 

單晶生長技術(shù)：單晶生長緩慢是碳化硅襯底成本高居不下的重要原因。

 

目前 Cree 和國內(nèi)主流廠家都采用 PVT 物理氣相傳輸法。由于碳化硅晶 體生長速度遠(yuǎn)慢于硅晶體，8 寸硅晶圓 2-3 天可以生長至 1-2 米，而碳化 硅 4 寸晶圓一周只能生長 2-6cm。影響晶體生長的一個重要因素是仔晶 繁殖，仔晶是和碳化硅單晶晶體具有相同晶體結(jié)構(gòu)的“種子” 晶片，是 晶體生長之源，晶體生長附著凝結(jié)于仔晶之上。仔晶生長是碳化硅制備 的核心技術(shù)，也是評判所有碳化硅襯底企業(yè)的核心技術(shù)之一。仔晶一般 不對外銷售。

 

單晶加工技術(shù)：由于碳化硅硬度非常高且脆性高，使得打磨、切割、拋 光都耗時長且良品率低。硅片切割只用幾小時，而 6 寸碳化硅片切割要 上百小時。由于碳化硅功率器件主要用于汽車行業(yè)，因此對可靠性要求極高。硅功率 器件在長時間的質(zhì)量測試過程中被證實可靠，但是碳化硅則無法假設(shè)這一點。SiC 器件主要存在兩個可靠性問題——柵極氧化物穩(wěn)定性和閾值電壓穩(wěn)定性。

 

柵極氧化物穩(wěn)定性：與功率 MOSFET 類似，SiC 器件也是垂直器件，使 用與 MOSFET 相同的柵極氧化物材料（二氧化硅），但是 SiC 器件在更 高的內(nèi)部電場工作，因此柵極氧化物在實際工作中壽命可能縮短。目前 SiC 中的柵極氧化問題已經(jīng)被理解，TDDB(時變電介質(zhì)擊穿)是時效機制， 目前已經(jīng)已經(jīng)得到很大解決。

 

閾值電壓穩(wěn)定性：MOSFET 的閾值電壓會隨著偏置而變化，是由偏置溫 度不穩(wěn)定（BTI）的時效機制所引起。BTI是晶體管的退化現(xiàn)象。

 

 

系統(tǒng)的角度看碳化硅具有綜合成本優(yōu)勢。從前面分析中，碳化硅方案相比 硅方案可以提高能效提升續(xù)航、減少電池容量縮減成本、降低無源器件及冷卻 系統(tǒng)體積從而縮減整體模塊體積、縮減尺寸。因此從車輛總成本的角度看，碳 化硅方案可以給汽車制造商帶來成本收益。

 

隨著 SiC 成本下降，碳化硅在電動車上的應(yīng)用將爆發(fā)性增長。從物料成本 角度看，目前新能源電動車采用硅基方案的全車功率器件價值約 400 美元左右， 我們預(yù)計目前在新能源車全碳化硅方案成本約為 1500-2000 美元，是硅基方案 成本的 4-5 倍。目前碳化硅方案成本高昂的重要原因是襯底材料成本高昂。我 們以 SiC JBS（碳化硅結(jié)勢壘肖特基二極管）為例，成本結(jié)構(gòu)中，襯底約占 50%、外延片約占 20%、晶圓加工約占 25%、封測約占 5%。

 

目前市場 4 英寸碳化硅襯底比較成熟，良率較高，同時價格較低，而 6 英 寸襯底價格由于供給少和成片良率低，價格遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于 4 寸片。未來推動碳化硅 襯底成本降低的三大驅(qū)動力：1.工藝和設(shè)備改進以加快長晶速度 2.缺陷控制改 進提升良率 3.設(shè)計改進降低使用器件的襯底使用面積。隨著產(chǎn)業(yè)成熟，預(yù)計襯 底價格未來五年以每年 10%-15%左右的幅度下降。因此我們預(yù)計分立器件成 本每年能以 10%左右價格下降。

 

假設(shè)未來五年碳化硅模塊價格每年下降 10%，IGBT 價格每年下降 5%，電 池成本每年下降 10%，中性預(yù)計全碳化硅方案相比硅方案能降低能耗 8%，僅 考慮相同續(xù)航下節(jié)省的電池成本，而忽略節(jié)省的散熱系統(tǒng)成本縮減、無源器件 成本縮減以及更好能效節(jié)省的使用成本，從 2025 年開始全碳化硅方案相比硅 方案就具有綜合物料成本優(yōu)勢，開始爆發(fā)式增長。在實現(xiàn)綜合成本優(yōu)勢之前， 碳化硅從售價相對高昂的車型開始被逐步采用，這部分需求也足夠拉動行業(yè)快 速增長。

 

 

化合物半導(dǎo)體行業(yè)因為整體規(guī)模較小，非標(biāo)準(zhǔn)化程度高，仍然以代工模式 為主，但是我們觀察到，在 GaAs 產(chǎn)業(yè)中，隨著產(chǎn)業(yè)逐漸走向成熟以及市場規(guī) 模增大，代工模式占比在逐漸提高。而在 SiC 產(chǎn)業(yè)中，越來越多企業(yè)逐步布局 全產(chǎn)業(yè)鏈。

 

 

跟硅半導(dǎo)體類似，化合物半導(dǎo)體行業(yè)商業(yè)模式主要分為 IDM(集成器件制 造)、Foundry( 晶圓代工)+Fabless(無工廠)?；衔锇雽?dǎo)體產(chǎn)業(yè)鏈分工模式跟 跟上文的 SiC 分工模式相同，主要分為單晶生長、晶片加工、外延、前道加工 及后道封裝。我們從下游應(yīng)用、生產(chǎn)模式、制程研發(fā)、財務(wù)及營銷等方面比較 硅晶圓代工和以砷化鎵為代表的化合物半導(dǎo)體晶圓代工的發(fā)展模式：

 

在下游應(yīng)用方面，材料特性及晶圓結(jié)構(gòu)的不同導(dǎo)致了制造成本的區(qū)別以及 使用場景的區(qū)別。硅晶圓材料生產(chǎn)成本低，普遍用在信息、消費及通訊市場；而砷化鎵材料耐高溫及高頻性能佳，但材料成本貴，目前主要用在無線及光電 市場。在生產(chǎn)模式方面，硅晶圓代工行業(yè)在設(shè)計階段即提供設(shè)計服務(wù)，IP 專業(yè) 化及自動化設(shè)計工具發(fā)展成熟，設(shè)計分工及設(shè)計自動化工具發(fā)展都很成熟，代 工廠可以快速響應(yīng)客戶的需求；而砷化鎵代工因為外延片需要根據(jù)客戶不同定 制，同時生產(chǎn)良率低及生產(chǎn)制程沒有標(biāo)準(zhǔn)化而使得生產(chǎn)成本較高。目前砷化鎵 代工產(chǎn)業(yè)主要競爭對手是國際 IDM 廠商，他們通過合作及共同開發(fā)的策略持續(xù) 使用彼此的產(chǎn)品，使得 IC 設(shè)計公司不易取得市場份額；而在硅晶圓代工行業(yè)， 競爭對手主要是世界上幾家大型代工廠。

 

在制程研發(fā)方面，制程微縮效應(yīng)在砷化鎵器件上體現(xiàn)得不明顯。目前 GaAs 器件以 0.13μm、0.18μm 以上制程工藝為主，Qorvo 正在進行 90nm 工藝研發(fā)；受襯底尺寸限制，目前的生產(chǎn)線以 4 英寸和 6 英寸晶圓為主，部分 企業(yè)也開始導(dǎo)入 8 英寸產(chǎn)線，但還沒有形成主流。由于砷化鎵是以 Emitterbase-Collector 垂直結(jié)構(gòu)為主，晶體管數(shù)量只在百顆數(shù)量級；而硅晶圓是 Source Gate Drain 的平面設(shè)計，晶體管數(shù)量達到數(shù)千萬數(shù)量級，所以砷化鎵在 制程研發(fā)上并沒有像硅晶圓代工行業(yè)那樣明顯的優(yōu)勢。財務(wù)及營銷方面，硅基 晶圓廠的巨額投資額已經(jīng)形成了資本競爭障礙；相比硅晶圓的投資，砷化鎵的 固定資產(chǎn)投資相對較小。砷化鎵市場主要以功率放大器為主，砷化鎵代工行業(yè) 過去不易因為新產(chǎn)品持續(xù)升級而產(chǎn)生客戶忠誠，客戶只要對不同代工廠進行認(rèn) 證通過，就較容易因為價格因素而更換代工廠。

 

綜上，化合物半導(dǎo)體行業(yè)之所以未出現(xiàn)像硅半導(dǎo)體行業(yè)中大規(guī)模的專業(yè)晶 圓代工的根本原因是相比硅半導(dǎo)體，化合物半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)規(guī)模較小使得高度專業(yè) 分工不能帶來明顯的成本優(yōu)勢；制程優(yōu)勢不明顯，不用追求先進制程導(dǎo)致固定 資產(chǎn)投資壁壘相對較低，所以無需通過多個客戶提高產(chǎn)能利用率從而分擔(dān)資本 開支壓力。

 

 

砷化鎵產(chǎn)業(yè)鏈上游材料端以歐美日為主。半絕緣型襯底主要由日本的住友、 德國的 Freiberger、和美國的 AXT 壟斷，三家公司合計約占全球 90%的市場份 額。住友是全球半絕緣型砷化鎵單晶片水平最高的公司，以 VB 法生產(chǎn)砷化鎵 為主，能夠量產(chǎn) 4 寸和 6 寸單晶片；德國 Freiberger 主要以 VGF、LEC 法生產(chǎn) 2 到 6 英寸砷化鎵襯底，產(chǎn)品全部用于微電子領(lǐng)域；美國 AXT 產(chǎn)品中一半用于LED，一半用作微電子襯底。國內(nèi)供應(yīng)商砷化鎵襯底主要用于 LED 芯片，少數(shù) 公司如云南鍺業(yè)用于射頻的砷化鎵襯底逐漸放量。

 

英國 IQE 占據(jù)外延片市場 53%的市場份額。具體而言，約 90%射頻客戶 采購?fù)獠客庋悠?，射頻市場被 IQE 壟斷，IQE 和 VPEC 合計占據(jù)射頻外延片市 場約 80%的份額。而光電子外延片，不同下游應(yīng)用有所區(qū)別：應(yīng)用于數(shù)據(jù)中心 的光模塊器件主要由 Finisar 和 Avago 這些垂直供應(yīng)商提供，而應(yīng)用于消費電 子 VCSEL 等 3D 感應(yīng)的外延片主要由外部供應(yīng)商 IQE 提供。

 

GaAs 射頻器件市場主要由 IDM 廠商 Skyworks、Qorvo、博通和日本村田 等壟斷，其中 Skyworks、Qorvo 和博通市場份額合計約 70%。而這些大型 IDM 廠擴產(chǎn)趨于謹(jǐn)慎，會選擇將毛利率較低的 4G 產(chǎn)品外包給砷化鎵代工廠商 使產(chǎn)能優(yōu)先滿足高毛利產(chǎn)品，在需求旺盛自身產(chǎn)能滿載的時候也會外包部分 5G 訂單。

 

穩(wěn)懋是砷化鎵代工市場絕對龍頭。砷化鎵代工市場規(guī)模占全球砷化鎵器件 市場規(guī)模 10%左右，其中穩(wěn)懋、環(huán)宇和宏捷科約占這其中 90%的市場份額，而 穩(wěn)懋占據(jù)其中超過 70%市場份額。截至 2020 年三季度，穩(wěn)懋月產(chǎn)能達到 4.1 萬片。砷化鎵代工廠主要生產(chǎn)功率放大器，穩(wěn)懋和環(huán)宇超過 90%營收來自于功 率放大器。

 

綁定下游大客戶，鎖定客戶需求是化合半導(dǎo)體主要策略。以穩(wěn)懋為例，第 一大客戶博通在 2019 年營收貢獻占比達到 30%-40%。2017 年 12 月，博通以 1.85 億美元入股穩(wěn)懋，深度綁定和穩(wěn)懋的合作關(guān)系。博通在 5G 和光通訊有強 大的布局，并且這種合作關(guān)系使得博通無需自己擴充產(chǎn)能，能專心作在它的強 項產(chǎn)品設(shè)計。過去博通的 HBT 有一半自己做，一半由穩(wěn)懋代工，未來有望也會 把另外一半的訂單逐步轉(zhuǎn)移給穩(wěn)懋，除博通外，Skyworks、Qorvo 和紫光展銳 也是穩(wěn)懋的重要客戶。宏捷營收來源高度依賴 Skyworks，其營收中約 8 成左右 來自于 Skyworks。環(huán)宇與三安成立了合作公司，而全球重要的 LED 外延片生 產(chǎn)企業(yè)中國臺灣晶電與環(huán)宇戰(zhàn)略合作，并為環(huán)宇提供 6 寸晶圓代工服務(wù)。

 

 

隨著射頻、光電子等應(yīng)用帶動砷化鎵器件等下游需求快速增長，GaAs 代 工比例逐步提升。過去幾年砷化鎵器件代工比例保持穩(wěn)定。從 2013 年-2019年， 砷化鎵器件代工比例逐漸小幅提升，從 2014 年的 7.5%提升至 2019 年的 10.3%。代工比例的波動取決于 IDM 廠的盈利情況帶來的釋放訂單意愿的強弱 和代工廠自身擴產(chǎn)的節(jié)奏。隨著代工廠技術(shù)的成熟以及長期合作過程中打消技 術(shù)泄密的疑慮，同時 IDM 廠了維持高產(chǎn)能利用率使得產(chǎn)能建設(shè)趨于保守，因此 IDM 廠有意愿釋放出更多代工訂單。除此之外，高通、聯(lián)發(fā)科、海思等 Fabless 設(shè)計公司在射頻領(lǐng)域崛起都新增加砷化鎵代工需求。

 

針對快速增加的砷化鎵代工需求，代工廠大舉擴產(chǎn)應(yīng)對。穩(wěn)懋?dāng)M投資 200 億元人民幣在高雄建廠，計劃分三年投資，新增總產(chǎn)能超過 10 萬片/月，公司 現(xiàn)有月產(chǎn)能約 4.1萬片，新增產(chǎn)能超過現(xiàn)有產(chǎn)等的兩倍。預(yù)計 2021年一季度宏 捷科月產(chǎn)能達到 1.5 萬片，2021 年底達到 2 萬片月產(chǎn)能。三安集成 2020 年底 產(chǎn)能在 3000 片-4000 片，預(yù)計 2021年一季度擴產(chǎn)到 8000 片。

 

 

砷化鎵主要用于手機 PA、Wifi PA 和小基站 PA。目前國產(chǎn) PA 在 4G 領(lǐng)域 已具備比較成熟的性能和量產(chǎn)能力，市占率達 10%-20%，在中功率 4G PA， 國產(chǎn)產(chǎn)品與國外基本相差不大，而在高功率 4G PA，雖然整體性能還有部分差 距，但是足夠滿足手機客戶需求；在 5G 領(lǐng)域，針對華為海思的制裁或?qū)⒀泳?內(nèi) PA 領(lǐng)域的追趕。除海思外，唯捷創(chuàng)芯、昂瑞微、慧智微、紫光展銳等廠家 有機會在 5G PA 上取得突破，預(yù)計在 2021 年會有部分出貨。

 

Wi-Fi PA 是除手機 PA 外的第二大增長點。Wifi PA 也正在經(jīng)歷國產(chǎn)替代， 主要差距體現(xiàn)在高功率產(chǎn)品上。具體而言，對于 WIFI 4 PA，國內(nèi)中功率產(chǎn)品 成本優(yōu)勢明顯，整體性能上也已經(jīng)不差于 Skyworks 和 Qorvo; 對于 WIFI 5 PA， 國內(nèi)康希 5.8G 中功率 FEM 性能上最好; 對于 WIFI 6 FEM（射頻前端模塊）， 國產(chǎn) WIFI6 中功率已經(jīng)面世， 2018 年 Skyworks 和 Qorvo 高功率的 WIFI6 FEM 面世，預(yù)估國內(nèi)產(chǎn)品的差距至少是 3 年。

 

國產(chǎn)砷化鎵代工必不可缺，國內(nèi)廠商有望受益。雖然對于射頻器件來說， 設(shè)計和制造工藝緊密結(jié)合，使得射頻 Fabless 設(shè)計公司更傾向與有豐富經(jīng)驗的 中國臺灣代工廠合作，但是在外部環(huán)境導(dǎo)致供應(yīng)鏈不確定性加大的背景下，國內(nèi)砷 化鎵代工廠也有望獲得更多參與機會，這一過程中三安集成和威海華芯有望受 益。

 

 

2014 年三安光電成立全資子公司三安集成，是中國第一家 6 寸化合物半導(dǎo) 體晶圓代工廠，開發(fā)砷化鎵、氮化鎵外延片和襯底，涵蓋射頻、電力電子、光 通訊和濾波器板塊。2020 年上半年三安集成實現(xiàn)銷售收入 3.75 億元。砷化鎵 射頻出貨客戶累計將近 100 家、氮化鎵射頻產(chǎn)品重要客戶產(chǎn)能正逐步爬坡；電 力電子產(chǎn)品客戶累計超過 60 家，27 種產(chǎn)品已進入批量量產(chǎn)階段；光通訊業(yè)務(wù) 除擴大現(xiàn)有中低速 PD/MPD 產(chǎn)品的市場領(lǐng)先份額外，高端產(chǎn)品 10G APD/25G PD、VCSEL 和 DFB 發(fā)射端產(chǎn)品均已在行業(yè)重要客戶處驗證通過，進入批量試 產(chǎn)階段。公司在長沙設(shè)立子公司湖南三安從事碳化硅等第三代半導(dǎo)體的研發(fā)及 產(chǎn)業(yè)化項目，項目正處于建設(shè)階段。

 

射頻是三安集成短期內(nèi)收入的主要來源。公司射頻業(yè)務(wù)產(chǎn)品應(yīng)用于 2G-5G 手機射頻功放 WiFi、物聯(lián)網(wǎng)、路由器、通信基站射頻信號功放等市場應(yīng)用；其 中手機用射頻器件以 GaAs 為主，基站用射頻器件以 GaN 為主。三安射頻工藝 制程主要包括 HBT（異質(zhì)結(jié)雙極型晶體管）、pHEMT（偽型態(tài)高電子遷移率晶 體管）、BiHEMT（異質(zhì)結(jié)雙極暨假晶高電子遷移率晶體管外延芯片）。目前用 于無線基站功放的 GaN射頻工藝，已獲得主流基站的性能認(rèn)可。650V GaN工 藝開發(fā)已經(jīng)取得突破，某國際化大客戶下單，開始流片驗證。

 

電力電子業(yè)務(wù)布局逐漸完善。公司電力電子業(yè)務(wù)主要在湖南全資子公司進 行，公司從 SiC 襯底到外延到模組都有布局。三安光電長沙項目將包括長晶— 襯底制作—外延生長—芯片制備—封裝產(chǎn)業(yè)鏈。

 

公司化合物半導(dǎo)體業(yè)務(wù)客戶開拓取得積極拓展。在射頻代工領(lǐng)域，國內(nèi)主 要客戶包括海思、紫光展銳、昂瑞微等。在光通訊領(lǐng)域，PD 產(chǎn)品的客戶包括 瑞谷、銘普、儲翰等；數(shù)通產(chǎn)品領(lǐng)域客戶中際旭創(chuàng)、AOI、光迅、劍橋等，公 司目前已處于送樣評估階段。在電力電子板塊，公司已布局能源市場領(lǐng)域：在 逆變器方面，三安集成與主要客戶陽光電源確認(rèn)了合作開發(fā)項目意向。在國家 電網(wǎng)方面，已進入南瑞、許繼電器供應(yīng)鏈，并已小量試產(chǎn)；充電樁方面，產(chǎn)品 已進入行業(yè)領(lǐng)先客戶永聯(lián)供應(yīng)鏈的樣品測試階段；在交通領(lǐng)域，公司已正式啟 動汽車行業(yè)認(rèn)證體系；在數(shù)據(jù)中心電源行業(yè)龍頭的科華恒盛、長城電源都已成 功送樣并測試通過，目前正在小量樣品導(dǎo)入階段。

 

三安集成營收規(guī)模增長，公司虧損幅度收窄。三安集成目前雖仍處于虧損 狀態(tài)，但是隨著收入規(guī)模上升公司虧損幅度收窄。由于前期產(chǎn)能利用率低，良 品率低，三安集成 2017-2019 年分別虧損 9600 萬元、1700 萬元和 8200 萬元， 2020 年上半年虧損幅度收窄至 1100 萬元。

 

 

成本結(jié)構(gòu)導(dǎo)致 SiC 全產(chǎn)業(yè)鏈布局具有優(yōu)勢。以碳化硅為襯底的產(chǎn)業(yè)鏈主要 分為襯底、外延和器件三個環(huán)節(jié)。由于襯底在器件中的高成本占比，使得掌握 襯底工藝和產(chǎn)能的企業(yè)在競爭中具有優(yōu)勢。美國的 Cree 和日本的羅姆都是擁 有從襯底、外延片到器件的碳化硅全產(chǎn)業(yè)鏈生產(chǎn)能力，所生產(chǎn)的碳化硅襯底除 對外銷售外，其余部分為自用。目前 Cree 在襯底方面產(chǎn)能和市占率領(lǐng)先所有 競爭者，2019 年宣布建設(shè) 8 英寸襯底產(chǎn)線，2020 年全球市場份額約 50%。除 了 Cree 和羅姆，在襯底方面處于領(lǐng)先地位的還有 II-VI，國內(nèi)的有天科合達和 東天岳，6 寸襯底開始規(guī)?；a(chǎn)或者開始建設(shè)產(chǎn)線。

 

外延片市場主要被 IDM 公司主導(dǎo)，如三菱、英飛凌和意法半導(dǎo)體。在國內(nèi) 純粹做外延片的有瀚天天成和東莞天域，均可供應(yīng) 4-6 英寸外延片，中電科 13 所、55 所亦均有內(nèi)部供應(yīng)的外延片生產(chǎn)部門。器件方面，意法半導(dǎo)體、安森美、 英飛凌和羅姆都是重要供應(yīng)商，華潤微的國內(nèi)首條 6 寸商用 SiC 產(chǎn)線已經(jīng)正式 量產(chǎn)，三安光電擬投資 160 億元的碳化硅全產(chǎn)業(yè)鏈布局的湖南子公司也于 2020 年開工。由于碳化硅器件的成本結(jié)構(gòu)導(dǎo)致全產(chǎn)業(yè)鏈的優(yōu)勢，我們看到器件 公司逐步布局上游材料，如意法半導(dǎo)體在 2020 年 2 月份以 1.4 億美元現(xiàn)金收 購了瑞典 SiC 晶圓制造商 Norstel，Norstel 生產(chǎn) 6 英寸 SiC 襯底和外延晶圓。在碳化硅產(chǎn)業(yè)鏈各個環(huán)節(jié)，國內(nèi)領(lǐng)先水平與國際領(lǐng)先水平仍有一定差距， 但是工藝水平和發(fā)展?fàn)顩r的差距遠(yuǎn)小于相比硅半導(dǎo)體。

 

 

特斯拉 Model 3 逆變器集成意法半導(dǎo)體的 SiC MOSFET 的功率模塊，該主 逆變器需要 24 個電源模塊。另外假如 OBC、DCDC 轉(zhuǎn)換器、快充電樁等都使 用 SiC 的話，每臺特斯拉約消耗 0.5 片 6 英寸碳化硅襯底。

 

2020 年特斯拉全年共交付新車 49.96 萬輛，同比增長 35.87%。如果 2022 年特斯拉車型全部采用碳化硅，交付量達到 100 萬輛的話，那么僅特斯 拉一年就將消耗掉 50 萬片晶圓產(chǎn)量。目前全球碳化硅襯底產(chǎn)能為 40-60 萬片。因此電動車的快速發(fā)展或?qū)⒃斐商蓟枰r底短時間的失衡。

 

在此背景下，全球加大碳化硅襯底投資：2020 年 Cree 計劃投資 10 億美 元用于碳化硅產(chǎn)能擴充，這次產(chǎn)能擴大在 2024 年全部完工后，將帶來碳化硅 晶圓制造產(chǎn)能的 30 倍增長和碳化硅材料生產(chǎn)的 30 倍增長，以滿足 2024 年之 前的預(yù)期市場增長。羅姆公司也宣布 2024 財年碳化硅生產(chǎn)能力相比 2019 財年 提升 5 倍以上。

 

國際企業(yè)通過提前鎖定襯底產(chǎn)能保證未來供應(yīng)。如 Cree 與英飛凌、意法 半導(dǎo)體等歐美主要碳化硅下游企業(yè)簽訂長期供貨協(xié)議，公司四分之三的材料業(yè) 務(wù)都簽訂了長期協(xié)議。

 

 

Cree 是碳化硅領(lǐng)域的絕對領(lǐng)先者。其在導(dǎo)電型碳化硅襯底的市場占有率約 60%，車載領(lǐng)域市占率超過 80%，公司在 SiC 基板領(lǐng)域研發(fā)超過 35 年，主要 技術(shù)來源實際是北卡萊羅納大學(xué)，1991 年即發(fā)布世界上第一個商業(yè) SiC 晶片。國內(nèi)襯底技術(shù)與 Cree 存在差距。目前國內(nèi)長晶爐效率不到 Cree 的五分之 一。Cree 在車載領(lǐng)域市占率超過 80%，而車規(guī)級 SiC MOSFET 單價達到 7~10 美元/顆，而工業(yè)級碳化硅二極管產(chǎn)品單價是幾毛到幾塊錢不等。公司 2020年旗下 Wolfspeed 實現(xiàn)營收約 4.7 億美元左右， 公司預(yù)計 2025年實現(xiàn)營 收 15 億美元，實現(xiàn)毛利率 50%。

 

而在 GaN 上，Cree 也積極布局。2018 年，Cree 以 3.45 億歐元的對價收 購英飛凌的射頻部門，其中包括位于加利福尼亞州摩根希爾的 LDMOS 和 GaN 技術(shù)工廠。在宣布的 10 億美元擴產(chǎn)中，GaN 的外延（on SiC）和器件制造也 包含其中。Cree 在寬禁帶半導(dǎo)體上的技術(shù)、應(yīng)用、資產(chǎn)和市場上有三十多年積 累，2019 年剝離照明部門之后專注于寬禁帶化合物半導(dǎo)體，是我們在此領(lǐng)域建 議關(guān)注的重點公司。

 

 

英飛凌是全球最大的功率器件供應(yīng)商。碳化硅布局方面，2018 年公司收購 初創(chuàng)公司 Siltectra，其研發(fā)了冷切割技術(shù)，可高效處理晶體材料，并最大限度 減少材料損耗可用于切割碳化硅晶圓，使單片晶圓可產(chǎn)出的芯片數(shù)量翻倍，公 司推出了 650V和 1700V的 CoolSiC MOSFET 系列，2020年 12月公司與 GT Advanced 簽訂碳化硅晶錠五年供貨協(xié)議，進一步確保未來碳化硅材料供應(yīng)需 求。2020 財年英飛凌來自于碳化硅營收達到 8000 萬歐元。

 

英飛凌在氮化鎵上提供豐富的解決方案。市場上 GaN 方案主要分成三種方 式，分別是：分立式+外部驅(qū)動器；多片集成，開關(guān)和驅(qū)動采用不同的襯底， 但是封裝在同一個殼子里；單片集成，氮化鎵的開關(guān)、驅(qū)動、其他器件作為同 襯底的一個解決方案。而英飛凌能滿足不同解決方案需求。公司對于碳化硅技 術(shù)和氮化鎵采取穩(wěn)扎穩(wěn)打推進的方式，利用覆蓋從前端到后端的研發(fā)能力，從 材料到封裝端確保自身優(yōu)勢。

 

 

公司是國內(nèi)最大的 MOSFET 功率器件公司,2020 年實現(xiàn)營收約 70 億元， 實現(xiàn)歸母凈利潤 9.6 億元。在碳化硅方面，公司通過華潤微電子控股參股國內(nèi) 碳化硅外延片企業(yè)瀚天天成 3.2%的股權(quán); 2020 年 7 月正式發(fā)布 1200V 和 650V 工業(yè)級 SiC 肖特基二極管功率器件產(chǎn)品系列，1200V 產(chǎn)品電流等級從 2A 到 40A，主要聚焦于太陽能、UPS 電源、充電樁、儲能、車載電源等應(yīng)用領(lǐng)域， 650V 產(chǎn)品電流等級為 4A 到 16A，主要瞄準(zhǔn)服務(wù)器電源、通訊電源等高效開關(guān) 電源應(yīng)用市場；與此同時公司的國內(nèi)首條 6 英寸商用 SiC 晶圓產(chǎn)線正式量產(chǎn)。在 GaN 方面，公司利用現(xiàn)有的全產(chǎn)業(yè)鏈和足夠的現(xiàn)金流支持從襯底材料、器件 設(shè)計、制造工藝，封裝工藝全面的硅基氮化鎵的研發(fā)工作。

 

 

在新能源汽車剛性需求驅(qū)動下，碳化硅產(chǎn)業(yè)鏈在實現(xiàn)綜合成本優(yōu)勢之后， 有望迎來爆發(fā)式增長；砷化鎵未來仍將繼續(xù)主導(dǎo) sub-6G 手機射頻，同時國內(nèi) PA 廠商的發(fā)展也帶來本土代工需求；GaN 在 5G 宏基站和消費級快充上將取 得大發(fā)展。