2023年半導(dǎo)體行業(yè)砷化鎵、碳化硅專題研究

碳化硅專題爭論報告綜述物半導(dǎo)體材料在電子遷移速率、臨界擊穿電場、導(dǎo)熱力量等特性上具有獨(dú)特優(yōu)勢。砷化鎵PA平均單機(jī)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20232億美元提升2025年的3.5IDM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的最正確材料，行業(yè)進(jìn)展的核心受益環(huán)節(jié)是外IDM5%-10體模塊體積80〔以豐田PCU為例，降低電池本錢，縮短電池充電時間,適應(yīng)電動車電壓從500V左右向1200V進(jìn)展的高壓化趨勢,估量到2027年碳化硅功率器件市場規(guī)模超過100億美元，行業(yè)進(jìn)展的核心GaAs代工比例提高，外鄉(xiāng)代工廠迎來進(jìn)展時機(jī)：化合物半導(dǎo)體由于行業(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AXT90%的IQE53%的市場份額。IDM廠商Skyworks、QorvoGaAs射頻器件市場約70%市場份10%左右，而穩(wěn)懋占據(jù)其中超過70%市場份額。IDMFabless設(shè)PA設(shè)計公司如海思、SiC全球供需馬上失衡，跨過“奇點(diǎn)時刻”有望迎來大進(jìn)展：碳化硅本錢高昂及牢靠性問題是阻礙碳化硅進(jìn)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)10%，IGBT價格每年下降5%，電池本錢每年下降1082025件的構(gòu)造使得全產(chǎn)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)域樂觀布局。一、下游應(yīng)用驅(qū)動，GaAs、GaNSiC1.化合物半導(dǎo)體具有物理特性優(yōu)勢IV族半導(dǎo)體；其次階GaAs和InP為代表的III-VGaAsSiCGaN為比硅材料，化合物半導(dǎo)體材料在電子遷移速率、臨界擊穿電場、導(dǎo)熱力量等特性上具有獨(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%大的本錢優(yōu)勢，將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，賜予其在射頻、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-6G5G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；同時由于GaAs有比Si更高的擊穿電壓，所以砷化鎵更適合應(yīng)用sub-6G的5G時代，仍舊Qorvo報告，5G4G1030大器平均單機(jī)價值從4G手機(jī)的3.25美元增加至7.5美元，GaAs的另一個優(yōu)點(diǎn)是直接VCSELVCSEL3D感應(yīng)、后置LiDAR激光雷達(dá)等應(yīng)用帶GaN在5GPASi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)，GaN的〔小于1000V〕和激光器領(lǐng)域。相比硅LDMOS〔橫向雙集中金屬氧化物半導(dǎo)體技術(shù)〕和GaAsGaNGaN模MIMO高電子遷移率場效晶體管已經(jīng)成為5GGaN主要承受使用SiC襯底GaNonSi，由于SiC作為襯底材料和GaN的晶格失GaN外延層，能滿足宏基站高功率的應(yīng)用。GaN另外一個快速增長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SiConS。雖然在硅襯底上GaNSiC襯底，同時能滿推出相關(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GaNLED、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)體將來與GaNSiC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、抗輻射力量強(qiáng)等特點(diǎn)，并且與GaN相比，SiCGaN的三倍，并且能到達(dá)比GaN于600V甚至1200V快充充電樁、光伏和電網(wǎng)。300-400V左右。隨著技術(shù)的進(jìn)展，車企們追求更強(qiáng)動力性能和快充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?！膊话?8VMHEV〕系統(tǒng)架構(gòu)中涉及到功率器件的組件包括：電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)中的主逆變器、車載充電系統(tǒng)OB，On-boardcharge、電源轉(zhuǎn)換系統(tǒng)〔車載DC-DC〕和非車載充電樁。電動汽車承受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。承受全碳化硅方案逆變80%，5%-10%；2.可以縮小動力PCU統(tǒng)硅PCU的五分之一36.6kW雙向OBC為例，典型AC/DC650VIGBT、幾個二極管和一個700-μH70650VSiCMOSFET230μHIGBT了將近13%的材料清單本錢。4.縮短電池充電時間，由于更高的充電動汽車的逆變器、OBC、大功率充電樁對碳化硅需求將大幅度〔VCU〕獵取扭矩、轉(zhuǎn)速指令，從電池包獵取高壓直流電，將其轉(zhuǎn)換成可掌握幅值和頻率的正弦波溝通電，才能驅(qū)動電機(jī)使車輛行駛。電動汽車中，逆變器和電機(jī)取代了傳統(tǒng)特性，圍繞SiCMOSFET機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)重量及本錢，成為各車企的布局重點(diǎn)。2023Model3SiCMOSFET，24個SiCMOS2個SiC650V2023年比亞迪推出的漢EVSiC1200V硅基IGBTSiC方案NEDC3%-8%。估量到2023年，比SiC車用功率半導(dǎo)IGBT的全面替2023的其次代電驅(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20OBC中使用SiC+SICMOS”演進(jìn)；DCDC2023MOS轉(zhuǎn)向SiCMOS方案。60KW以上，而承受MOSFET/IGBT15-30kW水平。承受碳化優(yōu)勢。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、高牢靠和低本錢是光伏逆變器的將來進(jìn)展趨勢。隨著太陽能逆變器本錢的優(yōu)化，在組串式和集中SiCMOSFET作為主逆變器件，來替換原來的三電平逆變器掌握的簡單電路。1.進(jìn)展階段、核心驅(qū)動因素及受益環(huán)節(jié)分析我們認(rèn)為SiC、GaN和GaAsSiC行業(yè)而言，目前整體市場規(guī)模較小，20236億美IHSMarkit數(shù)據(jù)，受能源汽2027年碳100億美元,2023-2027年復(fù)合增為SiC行業(yè)一旦到達(dá)綜合器件本錢趨近于硅基功率器件的“奇點(diǎn)時GaNGrandview的測算及推測，2027年全球GaN58.5億美元，從2023-202719.8%，增速也較快。而GaAs2023-202510%-15%。SiCGaN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)，由于本錢是制約下游承受SiC行業(yè)進(jìn)展的最核心因素是本錢的下降速度。而GaAs襯底和外延片制備技術(shù)相對成熟，本錢趨于穩(wěn)定，5GGaAs行業(yè)最核心因素是5GGaN,一方面GaN外延片目前本錢昂揚(yáng)，另一方面需求主要來源于宏基站。由GaN行業(yè)的核心因素是5GGaN假設(shè)要運(yùn)用于毫米波手機(jī)射頻及中低壓功率器件，本錢相比現(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本錢構(gòu)造中60%-70%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)定且本錢占比相對較低，但是進(jìn)展模式上越來越多砷化鎵射頻供給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，IDMSumitomoIDMQorvo。SiC本錢昂揚(yáng)之源及牢靠性問題良品率低共同導(dǎo)致碳化硅本錢短期內(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：SiC晶體的根底，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2350-2500度，由于爐內(nèi)溫度不行測量，通過高精度數(shù)字仿真技術(shù)可以節(jié)約大量的研發(fā)時間和本錢，仿真水平的凹凸也直接代表單晶企業(yè)的核心技術(shù)力量。緣由。目前CreePVT物理氣相傳輸法。由于寸硅晶圓2-3天可以生長至1-242-6cm一個重要因素是仔晶生殖，仔晶是和碳化硅單晶晶體具有一樣晶體之上。仔晶生長是碳化硅制備的核心技術(shù)，也是評判全部碳化硅襯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)，因此對牢靠性要求極高。硅功率器件在長時間的質(zhì)量測試過程中被證明SiC器件主要存在兩個牢靠性問題——柵極氧化物穩(wěn)定性和閾值電壓穩(wěn)定性。MOSFETSiC件，使用與MOSFET一樣的柵極氧化物材料〔二氧化硅，但是器件在更高的內(nèi)部電場工作，因此柵極氧化物在實際工作中壽命可SiCTDDB(時變電介質(zhì)閾值電壓穩(wěn)定性：MOSFET的閾值電壓會隨著偏置而變化，是由象。估量SiC“奇點(diǎn)時刻”五年之內(nèi)到來方案相比硅方案可以提高能效提升續(xù)航、削減電池容量縮減本錢、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。因此從車輛總本錢的角度看，碳化硅方案可以給汽車制造商帶來本錢收益。隨著SiC本錢下降，碳化硅在電動車上的應(yīng)用將爆發(fā)性增長。從物料本錢角度看，目前能源電動車承受硅基方案的全車功率器件價值約400本約為1500-20234-5倍。目前碳化硅化硅結(jié)勢壘肖特基二極管〕50%、外延20%25%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64寸片。將來推動碳化硅襯底本錢降低的三大驅(qū)動力：1.工藝和設(shè)備2.缺陷掌握改進(jìn)提升良率3.設(shè)計改進(jìn)降低使每年10%-15以10%左右價格下降。10%，IGBT價格每年下510%，中性估量全碳化硅方案相比硅方案8散熱系統(tǒng)本錢縮減、無源器件本錢縮減以及更好能效節(jié)約的使用本錢，從2025增長。三、GaAs代工比例提高，打造外鄉(xiāng)產(chǎn)業(yè)鏈閉環(huán)GaAs產(chǎn)業(yè)中，隨著產(chǎn)業(yè)漸漸走向成熟以及市場規(guī)模增大，代工模式占比在漸漸提高。而在SiCIDM模式為主IDM(集Foundry(晶圓代工)+FablessSiC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)體晶圓代工的進(jìn)展模式：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)分工及設(shè)計自動化工具進(jìn)展都很成熟，代工廠可以快速響應(yīng)客戶的需求；而砷化鎵代工由于外延片需要依據(jù)客戶不同定制，同時生產(chǎn)良率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)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)在砷化鎵器件上表達(dá)得不明顯。GaAs0.13μm0.18μmQorvo在進(jìn)展90nm4英寸和68英寸產(chǎn)線，但還沒有EmitterBase-Collector垂直構(gòu)造為主，SourceGateDrain砷化鎵代工行業(yè)過去不易由于產(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(jìn)展認(rèn)證通過，就較簡潔由于價格因素而更換代工廠。的專業(yè)晶圓代工的根本緣由是相比硅半導(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本錢優(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，所以無需歐美主導(dǎo)產(chǎn)業(yè)鏈，中國臺灣廠商壟斷代工本的住友、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VB4寸和6寸FreibergerVGFLEC法生產(chǎn)2到6英寸砷AXT產(chǎn)品中一半用于LED，LED芯片，少數(shù)公司如云南鍺業(yè)用于射頻的砷化鎵襯底漸漸放量。英國IQE53%的市場份額。具體而言，約90%IQEIQEVPEC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Finisar和AvagoVCSEL等3D感應(yīng)IQEGaAsIDM廠商SkyworksQorvoSkyworks、Qorvo和博通市場份額合計約70%。而這些大型IDM廠擴(kuò)產(chǎn)趨于慎重，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5G訂單?；壠骷袌鲆?guī)模10%左右，其中穩(wěn)懋、環(huán)宇和宏捷科約占這其中90702023年三季度，穩(wěn)懋月產(chǎn)能到達(dá)4.1萬片。砷化鎵代工廠主要生產(chǎn)功率放90202330%-402023年121.85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)大產(chǎn)能，能認(rèn)真作在它的強(qiáng)項產(chǎn)品設(shè)計。過去博通的HBT訂單逐步轉(zhuǎn)移給穩(wěn)懋，除博通外，Skyworks、Qorvo和紫光展銳也Skywork8成左右來自于Skyworks的LED6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2023年-20232023年的7.52023年的10.3IDM廠同時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)域崛起都增加砷化鎵代工需求。投資200億元人民幣在高雄建廠，打算分三年投資，增總產(chǎn)能超過10萬片/4.12023年一季度宏捷科月產(chǎn)能到達(dá)1.52023年底到達(dá)22023年底產(chǎn)能在3000片-4000202380004.PAPA、WifiPAPA。目前國產(chǎn)PA在4G10%-20%，在中功率4GPA4GPA，5G領(lǐng)PA領(lǐng)域的追趕。除海思外，5GPA上取2023年會有局部出貨。Wi-FiPAPA外的其次大增長點(diǎn)。WifiPA也正在經(jīng)受WIFI4PASkyworksQorvo;WIFI5PA5.8G中功率FEM對于WIFI6FE〔射頻前端模塊，國產(chǎn)WIFI62023年SkyworksQorvoWIFI6FEM面3年。Fabless設(shè)計公司更傾向與有豐富閱歷的中國臺灣代工廠合作，但是在外部環(huán)境導(dǎo)致供給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5.三安光電：全面布局化合半導(dǎo)體20236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2023年上半年三安集成實現(xiàn)銷3.75億元。砷化鎵射頻出貨客戶累計將近100家、氮化鎵60家，27PD/MPD10GAPD/25GPD、VCSEL和DFB放射端產(chǎn)品均已在行業(yè)重要客戶處驗證通過，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)體的研于2G-5GWiFi、物聯(lián)網(wǎng)、路由器、通信基站射頻信號GaAs為主，基站用射頻GaNHBT〔異質(zhì)結(jié)雙極型極暨假晶高電子遷移率晶體管外延芯片GaN650VGaN經(jīng)取得突破，某國際化大客戶下單，開頭流片驗證。SiC沙工程將包括長晶—襯底制作—外延生長—芯片制備—封裝產(chǎn)業(yè)鏈。PD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)工程意向。在國家電網(wǎng)方面，已進(jìn)入南瑞、許繼電器供給鏈，并已小量試產(chǎn)；充電樁方面，產(chǎn)品已進(jìn)入行業(yè)領(lǐng)先成功送樣并測試通過，目前正在小量樣品導(dǎo)入階段。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2023-2023年分別虧損9600萬元、1700萬元和8200萬元，2023年上半年虧損幅度收窄至1100四、Cree引領(lǐng)SiC產(chǎn)業(yè)，全球供需馬上失衡1.全產(chǎn)業(yè)布局占優(yōu),國內(nèi)追趕海外巨頭本錢構(gòu)造導(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本錢占比，使得把握襯底工藝和產(chǎn)能的企業(yè)在競爭中具有優(yōu)勢。美國的Cree硅全產(chǎn)業(yè)鏈生產(chǎn)力量，所生產(chǎn)的碳化硅襯底除對外銷售外，其余局部為自用。目前Cree20238英寸襯底產(chǎn)線，202350%。除了CreeII-VI，國內(nèi)的有天科合達(dá)和東天岳，6寸襯底開頭規(guī)模化生產(chǎn)或者開頭建設(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每天成和東莞天域，均可供給4-613所、55所亦均有內(nèi)部供給的外延片生產(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給6寸商用SiC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20232023年2月份以1.4SiCNorstel，Norstel產(chǎn)6英寸SiC先水平與國際領(lǐng)先水平仍有肯定差距，但是工藝水平和進(jìn)展?fàn)顩r的差距遠(yuǎn)小于相比硅半導(dǎo)體。2.需求增長，全球供需馬上失衡特斯拉Model3SiCMOSFETOBC、DCDCSiC0.5片6英寸碳化硅襯底。202349.9635.87%。假設(shè)2023100萬輛的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。因此電動車的快速進(jìn)展或?qū)⒃斐商蓟枰r底短時間的失衡。在此背景下，全球加