2020年半導體行業(yè)砷化鎵、碳化硅專題研究

2020年半導體行業(yè)砷化鎵、

碳化硅專題研究報告綜述化合物半導體在射頻、光電子和功率領(lǐng)域有望獲得大發(fā)展：化合物半導體材料在電子遷移速率、臨界擊穿電場、導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，GaNHEMT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：化合物半導體因為行業(yè)整體規(guī)模較小，非標準化程度高，以代工模式為主。歐美主導砷化鎵產(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。一、下游應(yīng)用驅(qū)動，GaAs、GaN和SiC各領(lǐng)風騷1.化合物半導體具有物理特性優(yōu)勢化合物半導體物理特性具有獨特優(yōu)勢。半導體材料領(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族半導體；第二階段是以GaAs和InP為代表的III-V族化合物半導體，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，化合物半導體材料在電子遷移速率、臨界擊穿電場、導熱能力等特性上具有獨特優(yōu)勢。硅材料主導，化合物半導體在射頻、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)主導地位。但是化合物半導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。2.GaAs主導sub-6G5G手機射頻具體而言，GaAs在5G手機射頻和光電子領(lǐng)域占據(jù)主導地位。GaAs是最為成熟的化合物半導體，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VCSEL3D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。3.GaN在5G宏基站射頻PA的大發(fā)展相較于Si和GaAs的前兩代半導體材料，GaN和SiC同屬于寬禁帶半導體材料，具有擊穿電場強度高、飽和電子漂移速度高、熱導率大、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)，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（GaNonSiC），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（SiConSi）。雖然在硅襯底上難生長高質(zhì)量GaN外延層，但是成本遠低于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。4.SiC有望顛覆汽車功率半導體未來與GaN同屬于寬禁帶材料的SiC同樣具有飽和電子漂移速度高、擊穿電場強度高、熱導率大、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48VMHEV）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-boardcharger）、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650VIGBT、幾個二極管和一個700-NH電感，占材料清單成本的70%以上。通過使用四個650VSiCMOSFET實現(xiàn)，只需要230四的電感。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SiCMOSFET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Model3的主驅(qū)逆變器中使用SiCMOSFET，每個電機中采用24個SiCMOS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+SICMOS”演進；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SiCMOSFET或SiCMOSFET與SiCSBD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SiCMOSFET作為主逆變器件，來替換原來的三電平逆變器控制的復雜電路。二、產(chǎn)業(yè)化正循環(huán)，“奇點時刻”加速到來1.發(fā)展階段、核心驅(qū)動因素及受益環(huán)節(jié)分析我們認為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)Grandviewresearch的測算及預測，2027年全球GaN器件市場規(guī)模預計達到58.5億美元，從2020-2027年復合增速有望達到19.8%，增速也較快。而GaAs行業(yè)發(fā)展較為成熟，預計2020-2025年全球復合增速約10%-15%。我們認為未來五年驅(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。2.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。國表18:碳化硅晶體制作中的數(shù)字仿真品CT國表18:碳化硅晶體制作中的數(shù)字仿真品CT牛世學華里耗時的過墟而工藝并同京爻有景多」因比采用數(shù)字由更樸術(shù)進行I暮能計阜非意藥齒^KEL源牌M培秘H圖裝19:碳化硅阜晶生長工藝工藝珞既物理氣杷借物法(PVT)高溫牝?qū)W氣和沉積強(H1TVD)法柏外廷法(LPH)示意圖同「可1Si 11顆巾方n?"5?1工藝簡介在高溫11將材料升華，熱后熱送到冷球區(qū)比其就為性和菠？.耀過全凝或悔描性威.抵律劑同由漕'N■睚元恚的一科或見鐘毛植化會物金,*茶、在襯旗也面上運有牝?qū)W總曲生或再奧的方法潢桶外里走在圜體時隔裊面從過冬能和注液中析出用相粉原生箕斗尋標單蘇溥理的才％優(yōu)挑點髭點；熱體生凡成本低,日加商用晟廣泛的工藝*A：前＜2品催再條戚流史的控制問噫.統(tǒng)少--悵化生產(chǎn)設(shè)各世，船品年比比畸高，可實班近與速品體生代硒:忐:土和物展丹州摘反應(yīng)連成吒相或分波動，相響生果品體我度量.孔依生捏成丸核扇優(yōu)點：生長讓度和4可拉、實現(xiàn)五槌晉墟特岳偉生長破點：的溶制對入體疝產(chǎn)重污架，耳性及擦虻去較高工藝溫度211仆2450七和22WfC14lK)J80ot主要「商Crl.11VhDowComingsSicrj^uik天'科合達Nursicli日本也使天施石fe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。3.預計SiC“奇點時刻”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，價格遠遠高于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。三、GaAs代工比例提高，打造本土產(chǎn)業(yè)鏈閉環(huán)化合物半導體行業(yè)因為整體規(guī)模較小，非標準化程度高，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。.化合物半導體行業(yè)以IDM模式為主跟硅半導體類似，化合物半導體行業(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)制程沒有標準化而使得生產(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0.13um、0.18um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SourceGateDrain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，化合物半導體行業(yè)之所以未出現(xiàn)像硅半導體行業(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體，化合物半導體產(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)能利用率從而分擔資本開支壓力。.歐美主導產(chǎn)業(yè)鏈，中國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%射頻客戶采購外部外延片，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)。.代工比例提升，代工廠大舉擴產(chǎn)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)懋擬投資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，預計2021年一季度擴產(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10%-20%，在中功率4GPA，國產(chǎn)產(chǎn)品與國外基本相差不大，而在高功率4GPA，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會在5GPA上取得突破，預計在2021年會有部分出貨。Wi-FiPA是除手機PA外的第二大增長點。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。.三安光電：全面布局化合半導體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10GAPD/25GPD、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可。650VGaN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。四、Cree引領(lǐng)SiC產(chǎn)業(yè)，全球供需即將失衡.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1『丫1,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。舀表38:2018年全球?qū)щ娦吞蓟璐＞奘袌稣加新署跬庋悠袌鲋饕籌DM公司主導，如三菱、英飛凌和意法半導體。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)展狀況的差距遠小于相比硅半導體。.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體的SiCMOSFET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