化合物半導體在射頻、光電子和功率領域有望獲得大發展：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，核心受益環節 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，行業發展的核心 受益環節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, 適應電動車電壓從 500V 左右向 1200V 發展的高壓化趨勢,預計到 2027 年碳化硅功率器件市場規模超過 100 億美元，行業發展的核心受益環節是襯 底生產廠商。

 

GaAs 代工比例提高，本土代工廠迎來發展機會：化合物半導體因為行業整 體規模較小，非標準化程度高，以代工模式為主。歐美主導砷化鎵產業鏈， 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模 10%左右，而 穩懋占據其中超過 70%市場份額。IDM 長為了維持高產能利用率使得產能 建設趨于保守，有意愿釋放出更多代工訂單，疊加高通等 Fabless 設計公司 在射頻領域崛起使代工比例提升。國內 PA 設計公司如海思、唯捷創芯的成 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”有望迎來大發展：碳化硅成本高 昂及可靠性問題是阻礙碳化硅發展的最大障礙。兩年之內，電動車的快速發 展或將造成全球碳化硅襯底的供需失衡。假設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”，之后迎來爆發增長。碳化硅成本 結構使得全產業鏈布局具有優勢，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，目前車載領域市占率超過 80%的 Cree 有望成為最大贏 家，而國內企業也在相關領域積極布局。

 

 

化合物半導體物理特性具有獨特優勢。半導體材料領域共經歷三個發展階 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 技術發展成熟，主要用于通訊領域；第三階段主要是以 SiC、GaN 為代表的寬禁帶半導體材料。硅材料技術成熟， 成本低，但是物理性質限制了其在光電子、高頻高功率器件和耐高溫器件上的 應用。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勢。

 

硅材料主導，化合物半導體在射頻、功率等領域需求快速增長。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勢，未來 在各類分立器件和集成電路領域硅仍將占據主導地位。但是化合物半導體材料獨 特的物理特性優勢，賦予其在射頻、光電子、功率器件等領域的獨特性能優勢。

 

 

具體而言，GaAs 在 5G 手機射頻和光電子領域占據主導地位。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等手機射頻器件的主要材 料。根據 Qorvo 報告，5G 手機中射頻開關從 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 砷化鎵器件市場規模的增長。GaAs 的另一個優點是直接能隙材料，所以可以 制作 VCSEL 激光器等光電子器件，在數據中心光模塊、手機前置 VCSEL 3D 感應、后置 LiDAR 激光雷達等應用帶動下，光電子器件是砷化鎵器件增長的另 外一個重要驅動因素。

 

 

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、介電常數小 等特點，具有低損耗和高開關頻率的特點，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 的市場應用偏向微波器件領域、高頻小電力領域 （小于 1000V）和激光器領域。相比硅 LDMOS（橫向雙擴散金屬氧化物半導 體技術）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模 MIMO 技術，GaN HEMT（高電子遷移率場效晶體管）已經成為 5G 宏基站功 率放大器的重要技術。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 導率高，更容易生長高質量的 GaN 外延層，能滿足宏基站高功率的應用。

 

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推出相關產品， GaN 快充有望在消費電子領域快速普及。在光電子領域，憑借寬禁帶、激發藍光的獨特性質，GaN 在高亮度 LED、激光 器等應用領域具有明顯的競爭優勢。

 

 

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、熱導率大、介電常數小、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 和高壓領域應用更具優勢, 適用于 600V 甚至 1200V 以上的高溫大電力領域， 如新能源汽車、汽車快充充電樁、光伏和電網。

 

電動車高壓化趨勢明顯。在乘用電動車領域，目前車輛電壓普遍 300- 400V 左右。隨著技術的發展，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勢。目前電動車（不包括 48V MHEV）系統 架構中涉及到功率器件的組件包括：電機驅動系統中的主逆變器、車載充電系 統（OBC，On-board charger）、電源轉換系統（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勢：1.可以提高開關頻率 降低能耗。采用全碳化硅方案逆變器開關損耗下降 80%，整車能耗降低 5%- 10%；2.可以縮小動力系統整體模塊尺寸，以豐田開發的碳化硅 PCU 為例，其 體積僅為傳統硅 PCU 的五分之一 3.在相同續航情況下，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，只需要 230 µH 的電感。這比基于 IGBT 的設計降低了將近 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、轉速指令，從電池包獲取高壓直流電， 將其轉換成可控制幅值和頻率的正弦波交流電，才能驅動電機使車輛行駛。電 動汽車中，逆變器和電機取代了傳統發動機的角色，因此逆變器的設計和效率 至關重要，其好壞直接影響著電機的功率輸出表現和電動車的續航能力。由于 碳化硅的優異特性，圍繞 SiC MOSFET 進一步提高車用逆變器功率密度，降低 電機驅動系統重量及成本，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，供應商為意法半導體。2020 年比亞迪推出的漢 EV 高性能四驅版本是 國內首款在主逆變器中應用自主開發 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 SiC 車用功率半導IGBT 的全面替代。2021 年蔚來最新發布的首款純電轎車也將搭載采用碳化硅 模塊的第二代電驅平臺。

 

除逆變器之外，碳化硅在 OBC 中已經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 轉換器上從 2018 年開 始從硅基 MOS 轉向 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用領域。用 SiC MOSFET 或 SiC MOSFET 與 SiC SBD 結合的功率模塊的光伏逆變器，峰值能 源轉換效率可從 96%提升至 99%以上，逆變器能量損耗降低 50%以上，設備 循環壽命提升 50 倍，從而能夠縮小系統體積、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展趨勢。隨著太陽能逆變器 成本的優化，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雜電路。

 

 

我們認為 SiC、GaN 和 GaAs 處于不同發展階段。對于 SiC 行業而言，目 前整體市場規模較小，2020 年全球市場規模約 6 億美元。但是下游需求確定且巨大，根據 IHSMarkit 數據，受新能源汽車龐大需求的驅動以及電力設備等領 域的帶動，預計到 2027 年碳化硅功率器件的市場規模將超過 100 億美 元,2020-2027 年復合增速比較。目前制約行業發展的主要成本高昂和性能可靠 性。我們認為 SiC 行業一旦到達綜合器件成本趨近于硅基功率器件的“奇點時 刻”，行業將迎來爆發性增長。對于 GaN,根據 Grand view research 的測算及 預測，2027 年全球 GaN 器件市場規模預計達到 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 行業發展較為成熟，預計 2020-2025 年全球復合增速約 10%-15%。

 

我們認為未來五年驅動 SiC、GaN 和 GaAs 行業的核心驅動因素和核心受 益環節不同。對于碳化硅行業，由于成本是制約下游采用的最重要因素，因此 驅動 SiC 行業發展的最核心因素是成本的下降速度。而 GaAs 襯底和外延片制 備技術相對成熟，成本趨于穩定，而需求增長點主要來源于 5G 手機射頻和小 基站。因此驅動 GaAs 行業最核心因素是 5G 技術的更新及基站建設周期。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，因此短期驅動 GaN 行業的核心因素 是 5G 的建設周期，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，成本相比現在也需要有很大幅度下降。

 

核心受益環節方面，由于目前碳化硅芯片成本結構中 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節；而砷化鎵的 襯底和外延技術穩定且成本占比相對較低，但是發展模式上越來越多砷化鎵射 頻供應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 益環節。對于氮化鎵，由于制造主要以 IDM 為主，因此核心受益環節是外延片 供應商如 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 共同導致碳化硅成本短期內難以快速下降。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鍵技術點包括電子級高純粉料合成與提純技術、 數字仿真技術、單晶生長技術、單晶加工（切拋磨）技術。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量 SiC 晶體的基礎，尤其對半絕緣型 SiC 晶體生長 有至關重要的影響，涉及到制備技術、合成技術和提純技術。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需要長時間的摸 索和積累。

 

數字仿真技術：單晶生長溫度在 2350-2500 度，由于爐內溫度不可測量， 通過高精度數字仿真技術可以節約大量的研發時間和成本，仿真水平的 高低也直接代表單晶企業的核心技術能力。

 

單晶生長技術：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構的“種子” 晶片，是 晶體生長之源，晶體生長附著凝結于仔晶之上。仔晶生長是碳化硅制備 的核心技術，也是評判所有碳化硅襯底企業的核心技術之一。仔晶一般 不對外銷售。

 

單晶加工技術：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，因此對可靠性要求極高。硅功率 器件在長時間的質量測試過程中被證實可靠，但是碳化硅則無法假設這一點。SiC 器件主要存在兩個可靠性問題——柵極氧化物穩定性和閾值電壓穩定性。

 

柵極氧化物穩定性：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被理解，TDDB(時變電介質擊穿)是時效機制， 目前已經已經得到很大解決。

 

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

 

 

系統的角度看碳化硅具有綜合成本優勢。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航、減少電池容量縮減成本、降低無源器件及冷卻 系統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用將爆發性增長。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 SiC JBS（碳化硅結勢壘肖特基二極管）為例，成本結構中，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動力：1.工藝和設備改進以加快長晶速度 2.缺陷控制改 進提升良率 3.設計改進降低使用器件的襯底使用面積。隨著產業成熟，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 考慮相同續航下節省的電池成本，而忽略節省的散熱系統成本縮減、無源器件 成本縮減以及更好能效節省的使用成本，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勢，開始爆發式增長。在實現綜合成本優勢之前， 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快 速增長。

 

 

化合物半導體行業因為整體規模較小，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 產業中，隨著產業逐漸走向成熟以及市場規 模增大，代工模式占比在逐漸提高。而在 SiC 產業中，越來越多企業逐步布局 全產業鏈。

 

 

跟硅半導體類似，化合物半導體行業商業模式主要分為 IDM(集成器件制 造)、Foundry( 晶圓代工)+Fabless(無工廠)。化合物半導體產業鏈分工模式跟 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。我們從下游應用、生產模式、制程研發、財務及營銷等方面比較 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展模式：

 

在下游應用方面，材料特性及晶圓結構的不同導致了制造成本的區別以及 使用場景的區別。硅晶圓材料生產成本低，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。在生產模式方面，硅晶圓代工行業在設計階段即提供設計服務，IP 專業 化及自動化設計工具發展成熟，設計分工及設計自動化工具發展都很成熟，代 工廠可以快速響應客戶的需求；而砷化鎵代工因為外延片需要根據客戶不同定 制，同時生產良率低及生產制程沒有標準化而使得生產成本較高。目前砷化鎵 代工產業主要競爭對手是國際 IDM 廠商，他們通過合作及共同開發的策略持續 使用彼此的產品，使得 IC 設計公司不易取得市場份額；而在硅晶圓代工行業， 競爭對手主要是世界上幾家大型代工廠。

 

在制程研發方面，制程微縮效應在砷化鎵器件上體現得不明顯。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；受襯底尺寸限制，目前的生產線以 4 英寸和 6 英寸晶圓為主，部分 企業也開始導入 8 英寸產線，但還沒有形成主流。由于砷化鎵是以 Emitterbase-Collector 垂直結構為主，晶體管數量只在百顆數量級；而硅晶圓是 Source Gate Drain 的平面設計，晶體管數量達到數千萬數量級，所以砷化鎵在 制程研發上并沒有像硅晶圓代工行業那樣明顯的優勢。財務及營銷方面，硅基 晶圓廠的巨額投資額已經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 過去不易因為新產品持續升級而產生客戶忠誠，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，化合物半導體行業之所以未出現像硅半導體行業中大規模的專業晶 圓代工的根本原因是相比硅半導體，化合物半導體產業規模較小使得高度專業 分工不能帶來明顯的成本優勢；制程優勢不明顯，不用追求先進制程導致固定 資產投資壁壘相對較低，所以無需通過多個客戶提高產能利用率從而分擔資本 開支壓力。

 

 

砷化鎵產業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 法生產砷化鎵 為主，能夠量產 4 寸和 6 寸單晶片；德國 Freiberger 主要以 VGF、LEC 法生產 2 到 6 英寸砷化鎵襯底，產品全部用于微電子領域；美國 AXT 產品中一半用于LED，一半用作微電子襯底。國內供應商砷化鎵襯底主要用于 LED 芯片，少數 公司如云南鍺業用于射頻的砷化鎵襯底逐漸放量。

 

英國 IQE 占據外延片市場 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 合計占據射頻外延片市 場約 80%的份額。而光電子外延片，不同下游應用有所區別：應用于數據中心 的光模塊器件主要由 Finisar 和 Avago 這些垂直供應商提供，而應用于消費電 子 VCSEL 等 3D 感應的外延片主要由外部供應商 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 廠擴產趨于謹慎，會選擇將毛利率較低的 4G 產品外包給砷化鎵代工廠商 使產能優先滿足高毛利產品，在需求旺盛自身產能滿載的時候也會外包部分 5G 訂單。

 

穩懋是砷化鎵代工市場絕對龍頭。砷化鎵代工市場規模占全球砷化鎵器件 市場規模 10%左右，其中穩懋、環宇和宏捷科約占這其中 90%的市場份額，而 穩懋占據其中超過 70%市場份額。截至 2020 年三季度，穩懋月產能達到 4.1 萬片。砷化鎵代工廠主要生產功率放大器，穩懋和環宇超過 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 億美元入股穩懋，深度綁定和穩懋的合作關系。博通在 5G 和光通訊有強 大的布局，并且這種合作關系使得博通無需自己擴充產能，能專心作在它的強 項產品設計。過去博通的 HBT 有一半自己做，一半由穩懋代工，未來有望也會 把另外一半的訂單逐步轉移給穩懋，除博通外，Skyworks、Qorvo 和紫光展銳 也是穩懋的重要客戶。宏捷營收來源高度依賴 Skyworks，其營收中約 8 成左右 來自于 Skyworks。環宇與三安成立了合作公司，而全球重要的 LED 外延片生 產企業中國臺灣晶電與環宇戰略合作，并為環宇提供 6 寸晶圓代工服務。

 

 

隨著射頻、光電子等應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 和代工廠自身擴產的節奏。隨著代工廠技術的成熟以及長期合作過程中打消技 術泄密的疑慮，同時 IDM 廠了維持高產能利用率使得產能建設趨于保守，因此 IDM 廠有意愿釋放出更多代工訂單。除此之外，高通、聯發科、海思等 Fabless 設計公司在射頻領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，代工廠大舉擴產應對。穩懋擬投資 200 億元人民幣在高雄建廠，計劃分三年投資，新增總產能超過 10 萬片/月，公司 現有月產能約 4.1萬片，新增產能超過現有產等的兩倍。預計 2021年一季度宏 捷科月產能達到 1.5 萬片，2021 年底達到 2 萬片月產能。三安集成 2020 年底 產能在 3000 片-4000 片，預計 2021年一季度擴產到 8000 片。

 

 

砷化鎵主要用于手機 PA、Wifi PA 和小基站 PA。目前國產 PA 在 4G 領域 已具備比較成熟的性能和量產能力，市占率達 10%-20%，在中功率 4G PA， 國產產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 領域，針對華為海思的制裁或將延緩 內 PA 領域的追趕。除海思外，唯捷創芯、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 也正在經歷國產替代， 主要差距體現在高功率產品上。具體而言，對于 WIFI 4 PA，國內中功率產品 成本優勢明顯，整體性能上也已經不差于 Skyworks 和 Qorvo; 對于 WIFI 5 PA， 國內康希 5.8G 中功率 FEM 性能上最好; 對于 WIFI 6 FEM（射頻前端模塊）， 國產 WIFI6 中功率已經面世， 2018 年 Skyworks 和 Qorvo 高功率的 WIFI6 FEM 面世，預估國內產品的差距至少是 3 年。

 

國產砷化鎵代工必不可缺，國內廠商有望受益。雖然對于射頻器件來說， 設計和制造工藝緊密結合，使得射頻 Fabless 設計公司更傾向與有豐富經驗的 中國臺灣代工廠合作，但是在外部環境導致供應鏈不確定性加大的背景下，國內砷 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 體晶圓代工廠，開發砷化鎵、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、氮化鎵射頻產品重要客戶產能正逐步爬坡；電 力電子產品客戶累計超過 60 家，27 種產品已進入批量量產階段；光通訊業務 除擴大現有中低速 PD/MPD 產品的市場領先份額外，高端產品 10G APD/25G PD、VCSEL 和 DFB 發射端產品均已在行業重要客戶處驗證通過，進入批量試 產階段。公司在長沙設立子公司湖南三安從事碳化硅等第三代半導體的研發及 產業化項目，項目正處于建設階段。

 

射頻是三安集成短期內收入的主要來源。公司射頻業務產品應用于 2G-5G 手機射頻功放 WiFi、物聯網、路由器、通信基站射頻信號功放等市場應用；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（異質結雙極型晶體管）、pHEMT（偽型態高電子遷移率晶 體管）、BiHEMT（異質結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。650V GaN工 藝開發已經取得突破，某國際化大客戶下單，開始流片驗證。

 

電力電子業務布局逐漸完善。公司電力電子業務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—封裝產業鏈。

 

公司化合物半導體業務客戶開拓取得積極拓展。在射頻代工領域，國內主 要客戶包括海思、紫光展銳、昂瑞微等。在光通訊領域，PD 產品的客戶包括 瑞谷、銘普、儲翰等；數通產品領域客戶中際旭創、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項目意向。在國家 電網方面，已進入南瑞、許繼電器供應鏈，并已小量試產；充電樁方面，產品 已進入行業領先客戶永聯供應鏈的樣品測試階段；在交通領域，公司已正式啟 動汽車行業認證體系；在數據中心電源行業龍頭的科華恒盛、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，但是隨著收入規模上升公司虧損幅度收窄。由于前期產能利用率低，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。

 

 

成本結構導致 SiC 全產業鏈布局具有優勢。以碳化硅為襯底的產業鏈主要 分為襯底、外延和器件三個環節。由于襯底在器件中的高成本占比，使得掌握 襯底工藝和產能的企業在競爭中具有優勢。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業鏈生產能力，所生產的碳化硅襯底除 對外銷售外，其余部分為自用。目前 Cree 在襯底方面產能和市占率領先所有 競爭者，2019 年宣布建設 8 英寸襯底產線，2020 年全球市場份額約 50%。除 了 Cree 和羅姆，在襯底方面處于領先地位的還有 II-VI，國內的有天科合達和 東天岳，6 寸襯底開始規模化生產或者開始建設產線。

 

外延片市場主要被 IDM 公司主導，如三菱、英飛凌和意法半導體。在國內 純粹做外延片的有瀚天天成和東莞天域，均可供應 4-6 英寸外延片，中電科 13 所、55 所亦均有內部供應的外延片生產部門。器件方面，意法半導體、安森美、 英飛凌和羅姆都是重要供應商，華潤微的國內首條 6 寸商用 SiC 產線已經正式 量產，三安光電擬投資 160 億元的碳化硅全產業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構導致全產業鏈的優勢，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 億美元現金收 購了瑞典 SiC 晶圓制造商 Norstel，Norstel 生產 6 英寸 SiC 襯底和外延晶圓。在碳化硅產業鏈各個環節，國內領先水平與國際領先水平仍有一定差距， 但是工藝水平和發展狀況的差距遠小于相比硅半導體。

 

 

特斯拉 Model 3 逆變器集成意法半導體的 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 萬片晶圓產量。目前全球碳化硅襯底產能為 40-60 萬片。因此電動車的快速發展或將造成碳化硅襯底短時間的失衡。

 

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 元用于碳化硅產能擴充，這次產能擴大在 2024 年全部完工后，將帶來碳化硅 晶圓制造產能的 30 倍增長和碳化硅材料生產的 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 財年碳化硅生產能力相比 2019 財年 提升 5 倍以上。

 

國際企業通過提前鎖定襯底產能保證未來供應。如 Cree 與英飛凌、意法 半導體等歐美主要碳化硅下游企業簽訂長期供貨協議，公司四分之三的材料業 務都簽訂了長期協議。

 

 

Cree 是碳化硅領域的絕對領先者。其在導電型碳化硅襯底的市場占有率約 60%，車載領域市占率超過 80%，公司在 SiC 基板領域研發超過 35 年，主要 技術來源實際是北卡萊羅納大學，1991 年即發布世界上第一個商業 SiC 晶片。國內襯底技術與 Cree 存在差距。目前國內長晶爐效率不到 Cree 的五分之 一。Cree 在車載領域市占率超過 80%，而車規級 SiC MOSFET 單價達到 7~10 美元/顆，而工業級碳化硅二極管產品單價是幾毛到幾塊錢不等。公司 2020年旗下 Wolfspeed 實現營收約 4.7 億美元左右， 公司預計 2025年實現營 收 15 億美元，實現毛利率 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 技術工廠。在宣布的 10 億美元擴產中，GaN 的外延（on SiC）和器件制造也 包含其中。Cree 在寬禁帶半導體上的技術、應用、資產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體，是我們在此領域建 議關注的重點公司。

 

 

英飛凌是全球最大的功率器件供應商。碳化硅布局方面，2018 年公司收購 初創公司 Siltectra，其研發了冷切割技術，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，使單片晶圓可產出的芯片數量翻倍，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議，進一步確保未來碳化硅材料供應需 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+外部驅動器；多片集成，開關和驅動采用不同的襯底， 但是封裝在同一個殼子里；單片集成，氮化鎵的開關、驅動、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 術和氮化鎵采取穩扎穩打推進的方式，利用覆蓋從前端到后端的研發能力，從 材料到封裝端確保自身優勢。

 

 

公司是國內最大的 MOSFET 功率器件公司,2020 年實現營收約 70 億元， 實現歸母凈利潤 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 碳化硅外延片企業瀚天天成 3.2%的股權; 2020 年 7 月正式發布 1200V 和 650V 工業級 SiC 肖特基二極管功率器件產品系列，1200V 產品電流等級從 2A 到 40A，主要聚焦于太陽能、UPS 電源、充電樁、儲能、車載電源等應用領域， 650V 產品電流等級為 4A 到 16A，主要瞄準服務器電源、通訊電源等高效開關 電源應用市場；與此同時公司的國內首條 6 英寸商用 SiC 晶圓產線正式量產。在 GaN 方面，公司利用現有的全產業鏈和足夠的現金流支持從襯底材料、器件 設計、制造工藝，封裝工藝全面的硅基氮化鎵的研發工作。

 

 

在新能源汽車剛性需求驅動下，碳化硅產業鏈在實現綜合成本優勢之后， 有望迎來爆發式增長；砷化鎵未來仍將繼續主導 sub-6G 手機射頻，同時國內 PA 廠商的發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 得大發展。