化合物半導(dǎo)體物理特性具有獨(dú)特優(yōu)勢。半導(dǎo)體材料領(lǐng)域共經(jīng)歷三個(gè)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(dú)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(dú)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(dú)特性能優(yōu)勢。

GaAs主導(dǎo)sub-6G 5G手機(jī)射頻

具體而言，GaAs在5G手機(jī)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(shí)具有較低的噪聲；同時(shí)因?yàn)镚aAs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?yàn)檫@些特性，砷化鎵在sub-6G的5G時(shí)代，仍然將是功率放大器及射頻開關(guān)等手機(jī)射頻器件的主要材料。根據(jù)Qorvo報(bào)告，5G手機(jī)中射頻開關(guān)從4G手機(jī)的10個(gè)增加至30個(gè)、功率放大器平均單機(jī)價(jià)值從4G手機(jī)的3.25美元增加至7.5美元，這些都帶動(dòng)砷化鎵器件市場規(guī)模的增長。GaAs的另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)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(jī)前置VCSEL3D感應(yīng)、后置LiDAR激光雷達(dá)等應(yīng)用帶動(dòng)下，光電子器件是砷化鎵器件增長的另外一個(gè)重要驅(qū)動(dòng)因素。

GaN在5G宏基站射頻PA的大發(fā)展

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(qiáng)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(diǎn)，具有低損耗和高開關(guān)頻率的特點(diǎn)，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(kuò)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(huì)取得飛躍，能比較好的適用于大規(guī)模MIMO技術(shù)，GaNHEMT（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(shí)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(yùn)用在基站，消費(fèi)電子快充市場是GaN另外一個(gè)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(jī)充電器體積。消費(fèi)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(shí)能滿足手機(jī)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(fèi)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(lán)光的獨(dú)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。

SiC有望顛覆汽車功率半導(dǎo)體未來

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(qiáng)度高、熱導(dǎo)率大、介電常數(shù)小、抗輻射能力強(qiáng)等特點(diǎn)，并且與GaN相比，SiC熱導(dǎo)率是GaN的三倍，并且能達(dá)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(dòng)車高壓化趨勢明顯。在乘用電動(dòng)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(qiáng)動(dòng)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(shí)捷Taycan電壓平臺為800V。超級快充和功率提升促使電動(dòng)汽車不斷邁向高壓化。

電動(dòng)車碳化硅方案帶來四大優(yōu)勢。目前電動(dòng)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(jī)驅(qū)動(dòng)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(dòng)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(dòng)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(dòng)汽車的6.6kW雙向OBC為例，典型AC/DC部分包括四個(gè)650 VIGBT、幾個(gè)二極管和一個(gè)700-µH電感，占材料清單成本的70%以上。通過使用四個(gè)650V SiC MOSFET實(shí)現(xiàn)，只需要230µH的電感。這比基于IGBT的設(shè)計(jì)降低了將近13%的材料清單成本。

4.縮短電池充電時(shí)間，由于更高的充電功率和更小的電池，可以大幅縮短電動(dòng)車充電時(shí)間。

電動(dòng)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(dòng)電機(jī)使車輛行駛。電動(dòng)汽車中，逆變器和電機(jī)取代了傳統(tǒng)發(fā)動(dòng)機(jī)的角色，因此逆變器的設(shè)計(jì)和效率至關(guān)重要，其好壞直接影響著電機(jī)的功率輸出表現(xiàn)和電動(dòng)車的續(xù)航能力。由于碳化硅的優(yōu)異特性，圍繞SiC MOSFET進(jìn)一步提高車用逆變器功率密度，降低電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)重量及成本，成為各車企的布局重點(diǎn)。

2018年特斯拉已在Model 3的主驅(qū)逆變器中使用SiC MOSFET，每個(gè)電機(jī)中采用24個(gè)SiC MOS單管模塊，拆開封裝每顆有2個(gè)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(dòng)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(jì)到2023年，比亞迪將在旗下的電動(dòng)車中，實(shí)現(xiàn)SiC車用功率半導(dǎo)體對硅基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(yùn)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(jī)功率的提高，碳化硅方案也從二極管向“二極管+SIC MOS”演進(jìn)；DCDC轉(zhuǎn)換器上從2018年開始從硅基MOS轉(zhuǎn)向SiCMOS方案。對于充電樁，采用碳化硅模塊，充電模塊功率可以達(dá)到60KW以上，而采用MOSFET/IGBT單管的設(shè)計(jì)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(dòng)汽車，光伏逆變器是碳化硅另一個(gè)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(huì)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。

發(fā)展階段、核心驅(qū)動(dòng)因素及受益環(huán)節(jié)分析

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(dòng)以及電力設(shè)備等領(lǐng)域的帶動(dòng)，預(yù)計(jì)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(dá)綜合器件成本趨近于硅基功率器件的“奇點(diǎn)時(shí)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(jì)達(dá)到58.5億美元，從2020-2027年復(fù)合增速有望達(dá)到19.8%，增速也較快。而GaAs行業(yè)發(fā)展較為成熟，預(yù)計(jì)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(dòng)SiC、GaN和GaAs行業(yè)的核心驅(qū)動(dòng)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(dòng)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(diǎn)主要來源于5G手機(jī)射頻和小基站。因此驅(qū)動(dòng)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(dòng)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(yùn)用于毫米波手機(jī)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。

SiC成本高昂之源及可靠性問題

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(diǎn)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(jìn)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(shí)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(shí)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(gè)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(shí)長且良品率低。硅片切割只用幾小時(shí)，而6寸碳化硅片切割要上百小時(shí)。

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(shí)間的質(zhì)量測試過程中被證實(shí)可靠，但是碳化硅則無法假設(shè)這一點(diǎn)。SiC器件主要存在兩個(gè)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(shí)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(shí)變電介質(zhì)擊穿)是時(shí)效機(jī)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(huì)隨著偏置而變化，是由偏置溫度不穩(wěn)定（BTI）的時(shí)效機(jī)制所引起。BTI是晶體管的退化現(xiàn)象。

預(yù)計(jì)SiC“奇點(diǎn)時(shí)刻”五年之內(nèi)到來

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(dòng)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(dòng)車采用硅基方案的全車功率器件價(jià)值約400美元左右，我們預(yù)計(jì)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SiCJBS（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(shí)價(jià)格較低，而6英寸襯底價(jià)格由于供給少和成片良率低，價(jià)格遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于4寸片。未來推動(dòng)碳化硅襯底成本降低的三大驅(qū)動(dòng)力：1.工藝和設(shè)備改進(jìn)以加快長晶速度2.缺陷控制改進(jìn)提升良率3.設(shè)計(jì)改進(jìn)降低使用器件的襯底使用面積。隨著產(chǎn)業(yè)成熟，預(yù)計(jì)襯底價(jià)格未來五年以每年10%-15%左右的幅度下降。因此我們預(yù)計(jì)分立器件成本每年能以10%左右價(jià)格下降。

假設(shè)未來五年碳化硅模塊價(jià)格每年下降10%，IGBT價(jià)格每年下降5%，電池成本每年下降10%，中性預(yù)計(jì)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(shí)現(xiàn)綜合成本優(yōu)勢之前，碳化硅從售價(jià)相對高昂的車型開始被逐步采用，這部分需求也足夠拉動(dòng)行業(yè)快速增長。

化合物半導(dǎo)體行業(yè)因?yàn)檎w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。

化合物半導(dǎo)體行業(yè)以IDM模式為主

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)。化合物半導(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(cái)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(fèi)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(jì)階段即提供設(shè)計(jì)服務(wù)，IP專業(yè)化及自動(dòng)化設(shè)計(jì)工具發(fā)展成熟，設(shè)計(jì)分工及設(shè)計(jì)自動(dòng)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?yàn)橥庋悠枰鶕?jù)客戶不同定制，同時(shí)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(jì)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(jìn)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Emitter-Base-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(jì)，晶體管數(shù)量達(dá)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(cái)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?yàn)樾庐a(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(jìn)行認(rèn)證通過，就較容易因?yàn)閮r(jià)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(jìn)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(gè)客戶提高產(chǎn)能利用率從而分擔(dān)資本開支壓力。

歐美主導(dǎo)產(chǎn)業(yè)鏈，臺灣廠商壟斷代工

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(jì)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漕l市場被IQE壟斷，IQE和VPEC合計(jì)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(fèi)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(jì)約70%。而這些大型IDM廠擴(kuò)產(chǎn)趨于謹(jǐn)慎，會(huì)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(shí)候也會(huì)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(dá)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?duì)I收貢獻(xiàn)占比達(dá)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(qiáng)大的布局，并且這種合作關(guān)系使得博通無需自己擴(kuò)充產(chǎn)能，能專心作在它的強(qiáng)項(xiàng)產(chǎn)品設(shè)計(jì)。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(huì)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)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)。

代工比例提升，代工廠大舉擴(kuò)產(chǎn)

隨著射頻、光電子等應(yīng)用帶動(dòng)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(dòng)取決于IDM廠的盈利情況帶來的釋放訂單意愿的強(qiáng)弱和代工廠自身擴(kuò)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(shí)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(jì)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(kuò)產(chǎn)應(yīng)對。穩(wěn)懋?dāng)M投資200億元人民幣在高雄建廠，計(jì)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(jì)2021年一季度宏捷科月產(chǎn)能達(dá)到1.5萬片，2021年底達(dá)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(jì)2021年一季度擴(kuò)產(chǎn)到8000片。

國內(nèi)PA產(chǎn)業(yè)鏈閉環(huán)，代工不可或缺

砷化鎵主要用于手機(jī)PA、WifiPA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(dá)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(jī)客戶需求；在5G領(lǐng)域，針對華為海思的制裁或?qū)⒀泳弮?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(jī)會(huì)在5G PA上取得突破，預(yù)計(jì)在2021年會(huì)有部分出貨。

Wi-FiPA是除手機(jī)PA外的第二大增長點(diǎn)。WifiPA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WIFI4PA，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WIFI5PA，國內(nèi)康希5.8G中功率FEM性能上最好;對于WIFI6FEM（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WIFI6FEM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(jì)和制造工藝緊密結(jié)合，使得射頻Fabless設(shè)計(jì)公司更傾向與有豐富經(jīng)驗(yàn)的臺灣代工廠合作，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(jī)會(huì)，這一過程中三安集成和威海華芯有望受益。

三安光電：全面布局化合半導(dǎo)體

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(shí)現(xiàn)銷售收入3.75億元。砷化鎵射頻出貨客戶累計(jì)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(jì)超過60家，27種產(chǎn)品已進(jìn)入批量量產(chǎn)階段；光通訊業(yè)務(wù)除擴(kuò)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10GAPD/25GPD、VCSEL和DFB發(fā)射端產(chǎn)品均已在行業(yè)重要客戶處驗(yàn)證通過，進(jìn)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(xiàng)目，項(xiàng)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(jī)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(jī)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(yàn)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(jìn)行，公司從SiC襯底到外延到模組都有布局。三安光電長沙項(xiàng)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(xiàng)目意向。在國家電網(wǎng)方面，已進(jìn)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(jìn)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(dòng)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。

全產(chǎn)業(yè)布局占優(yōu),國內(nèi)追趕海外巨頭

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(gè)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(dá)和東天岳，6寸襯底開始規(guī)模化生產(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N(yùn)orstel，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(gè)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。

需求增長，全球供需即將失衡

特斯拉Model3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(gè)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(dá)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(dòng)車的快速發(fā)展或?qū)⒃斐商蓟枰r底短時(shí)間的失衡。

在此背景下，全球加大碳化硅襯底投資：2020年Cree計(jì)劃投資10億美元用于碳化硅產(chǎn)能擴(kuò)充，這次產(chǎn)能擴(kuò)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(cái)年碳化硅生產(chǎn)能力相比2019財(cái)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。