半导体行业研究:砷化镓本土闭环,碳化硅等待“奇点时刻”

云脑智库 2021-07-27 01:02


(报告出品方/作者:国金证券,郑弼禹)

报告综述

化合物半导体在射频、光电子和功率领域有望获得大发展:化合物半导体材 料在电子迁移速率、临界击穿电场、导热能力等特性上具有独特优势。砷化 镓 PA 平均单机价值从 4G 的 3.25 美元增加至 5G 的 7.5 美元,砷化镓晶圆 市场规模从 2019年的 2 亿美元提升至 2025 年的 3.5 亿美元,核心受益环节 是代工厂和射频 IDM;氮化镓具有更高功率密度和更小损耗,GaN HEMT 相比砷化镓体积下降 82%,是 5G 宏基站 PA 的最佳材料,行业发展的核心 受益环节是外延片厂商和射频 IDM;碳化硅降低电动车能耗 5%-10%,缩小 整体模块体积 80%(以丰田 PCU 为例),降低电池成本,缩短电池充电时 间, 适应电动车电压从 500V 左右向 1200V 发展的高压化趋势,预计到 2027 年碳化硅功率器件市场规模超过 100 亿美元,行业发展的核心受益环节是衬 底生产厂商。

GaAs 代工比例提高,本土代工厂迎来发展机会:化合物半导体因为行业整 体规模较小,非标准化程度高,以代工模式为主。欧美主导砷化镓产业链, 中国台湾厂商垄断代工。日本的住友、德国的 Freiberger 和美国的 AXT 三家合 计约占全球半绝缘型衬底 90%的市场份额。英国 IQE 占据外延片市场 53% 的市场份额。IDM 厂商 Skyworks、Qorvo 和博通合计占 GaAs 射频器件市 场约 70%市场份额。砷化镓代工占全球砷化镓器件市场规模 10%左右,而 稳懋占据其中超过 70%市场份额。IDM 长为了维持高产能利用率使得产能 建设趋于保守,有意愿释放出更多代工订单,叠加高通等 Fabless 设计公司 在射频领域崛起使代工比例提升。国内 PA 设计公司如海思、唯捷创芯的成 长促进对本土砷化镓代工厂需求。

SiC 全球供需即将失衡,跨过“奇点时刻”有望迎来大发展:碳化硅成本高 昂及可靠性问题是阻碍碳化硅发展的最大障碍。两年之内,电动车的快速发 展或将造成全球碳化硅衬底的供需失衡。假设未来五年碳化硅模块价格每年 下降 10%,IGBT 价格每年下降 5%,电池成本每年下降 10%,中性预计全 碳化硅方案相比硅方案能降低能耗 8%,我们测算在 2025 年碳化硅将迎来 综合成本低于硅功率器件的 “奇点时刻”,之后迎来爆发增长。碳化硅成本 结构使得全产业链布局具有优势,器件厂商也逐渐布局上游材料。在颠覆汽 车功率器件进程中,目前车载领域市占率超过 80%的 Cree 有望成为最大赢 家,而国内企业也在相关领域积极布局。

一、下游应用驱动,GaAs、GaN 和 SiC 各领风骚

1.化合物半导体具有物理特性优势

化合物半导体物理特性具有独特优势。半导体材料领域共经历三个发展阶 段:第一阶段是以硅、锗为代表的 IV 族半导体;第二阶段是以 GaAs 和 InP 为 代表的 III-V 族化合物半导体,其中 GaAs 技术发展成熟,主要用于通讯领域;第三阶段主要是以 SiC、GaN 为代表的宽禁带半导体材料。硅材料技术成熟, 成本低,但是物理性质限制了其在光电子、高频高功率器件和耐高温器件上的 应用。相比硅材料,化合物半导体材料在电子迁移速率、临界击穿电场、导热 能力等特性上具有独特优势。

硅材料主导,化合物半导体在射频、功率等领域需求快速增长。目前全球 95%以上的芯片和器件是以硅作为基底材料,由于硅材料极大的成本优势,未来 在各类分立器件和集成电路领域硅仍将占据主导地位。但是化合物半导体材料独 特的物理特性优势,赋予其在射频、光电子、功率器件等领域的独特性能优势。


2.GaAs 主导 sub-6G 5G 手机射频

具体而言,GaAs 在 5G 手机射频和光电子领域占据主导地位。GaAs 是最 为成熟的化合物半导体,具有较高的饱和电子速率及电子迁移率,使得其适合 应用于高频场景,在高频操作时具有较低的噪声;同时因为 GaAs 有比 Si 更高 的击穿电压,所以砷化镓更适合应用在高功率场合。因为这些特性,砷化镓在 sub-6G 的 5G 时代,仍然将是功率放大器及射频开关等手机射频器件的主要材 料。根据 Qorvo 报告,5G 手机中射频开关从 4G 手机的 10 个增加至 30 个、功率放大器平均单机价值从 4G 手机的 3.25 美元增加至 7.5 美元,这些都带动 砷化镓器件市场规模的增长。GaAs 的另一个优点是直接能隙材料,所以可以 制作 VCSEL 激光器等光电子器件,在数据中心光模块、手机前置 VCSEL 3D 感应、后置 LiDAR 激光雷达等应用带动下,光电子器件是砷化镓器件增长的另 外一个重要驱动因素。

3.GaN 在 5G 宏基站射频 PA的大发展

相较于 Si 和 GaAs 的前两代半导体材料,GaN 和 SiC 同属于宽禁带半导 体材料,具有击穿电场强度高、饱和电子漂移速度高、热导率大、介电常数小 等特点,具有低损耗和高开关频率的特点,适合于制作高频、大功率和小体积 高密度集成的电子器件。GaN 的市场应用偏向微波器件领域、高频小电力领域 (小于 1000V)和激光器领域。相比硅 LDMOS(横向双扩散金属氧化物半导 体技术)和 GaAs 解决方案,GaN 器件能够提供更高的功率和带宽,并且 GaN 芯片每年在功率密度和封装方面都会取得飞跃,能比较好的适用于大规模 MIMO 技术,GaN HEMT(高电子迁移率场效晶体管)已经成为 5G 宏基站功 率放大器的重要技术。目前在宏基站上 GaN 主要采用使用 SiC 衬底(GaN on SiC),由于 SiC 作为衬底材料和 GaN 的晶格失配率和热失配率较小,同时热 导率高,更容易生长高质量的 GaN 外延层,能满足宏基站高功率的应用。

除了运用在基站,消费电子快充市场是 GaN 另外一个快速增长的领域。相 较于硅基功率器件,GaN 能大大缩小手机充电器体积。消费电子级快充主要采 用硅基衬底(SiC on Si)。虽然在硅衬底上难生长高质量 GaN 外延层,但是成 本远低于 SiC 衬底,同时能满足手机充电等较小的功率需求。随着安卓厂商和 第三方配套厂商陆续推出相关产品, GaN 快充有望在消费电子领域快速普及。在光电子领域,凭借宽禁带、激发蓝光的独特性质,GaN 在高亮度 LED、激光 器等应用领域具有明显的竞争优势。

4.SiC 有望颠覆汽车功率半导体未来

与 GaN 同属于宽禁带材料的 SiC 同样具有饱和电子漂移速度高、击穿电 场强度高、热导率大、介电常数小、抗辐射能力强等特点,并且与 GaN 相比, SiC 热导率是 GaN 的三倍,并且能达到比 GaN 更高的崩溃电压,因此在高温 和高压领域应用更具优势, 适用于 600V 甚至 1200V 以上的高温大电力领域, 如新能源汽车、汽车快充充电桩、光伏和电网。

电动车高压化趋势明显。在乘用电动车领域,目前车辆电压普遍 300- 400V 左右。随着技术的发展,车企们追求更强动力性能和快充性能的意愿更为 迫切,比亚迪唐的额定电压超过 600V,保时捷 Taycan 电压平台为 800V。超 级快充和功率提升促使电动汽车不断迈向高压化。

电动车碳化硅方案带来四大优势。目前电动车(不包括 48V MHEV)系统 架构中涉及到功率器件的组件包括:电机驱动系统中的主逆变器、车载充电系 统(OBC,On-board charger)、电源转换系统(车载 DC-DC)和非车载充电 桩。电动汽车采用碳化硅解决方案可以带来四大大优势:1.可以提高开关频率 降低能耗。采用全碳化硅方案逆变器开关损耗下降 80%,整车能耗降低 5%- 10%;2.可以缩小动力系统整体模块尺寸,以丰田开发的碳化硅 PCU 为例,其 体积仅为传统硅 PCU 的五分之一 3.在相同续航情况下,使用更小电池,减少无源器件使用,降低整体物料成本。以电动汽车的 6.6kW 双向 OBC 为例,典 型 AC/DC 部分包括四个 650V IGBT、几个二极管和一个 700-µH 电感,占材料 清单成本的 70%以上。通过使用四个 650V SiC MOSFET 实现,只需要 230 µH 的电感。这比基于 IGBT 的设计降低了将近 13%的材料清单成本。4.缩短电 池充电时间,由于更高的充电功率和更小的电池,可以大幅缩短电动车充电时 间。



电动汽车的逆变器、OBC、大功率充电桩对碳化硅需求将大幅度增长。逆 变器从整车控制器(VCU)获取扭矩、转速指令,从电池包获取高压直流电, 将其转换成可控制幅值和频率的正弦波交流电,才能驱动电机使车辆行驶。电 动汽车中,逆变器和电机取代了传统发动机的角色,因此逆变器的设计和效率 至关重要,其好坏直接影响着电机的功率输出表现和电动车的续航能力。由于 碳化硅的优异特性,围绕 SiC MOSFET 进一步提高车用逆变器功率密度,降低 电机驱动系统重量及成本,成为各车企的布局重点。

2018 年特斯拉已在 Model 3 的主驱逆变器中使用 SiC MOSFET,每个电 机中采用 24 个 SiC MOS 单管模块,拆开封装每颗有 2 个 SiC 裸晶,耐压为 650V,供应商为意法半导体。2020 年比亚迪推出的汉 EV 高性能四驱版本是 国内首款在主逆变器中应用自主开发 SiC 模块的电动汽车,与当前的 1200V 硅 基 IGBT 模块相较,采用 SiC 方案 NEDC 工况下电控效率提升 3%-8%。预计 到 2023 年,比亚迪将在旗下的电动车中,实现 SiC 车用功率半导IGBT 的全面替代。2021 年蔚来最新发布的首款纯电轿车也将搭载采用碳化硅 模块的第二代电驱平台。

除逆变器之外,碳化硅在 OBC 中已经得到较为广泛的运用,目前有超过 20 家汽车厂商在 OBC 中使用 SiC 器件,随着车载充电机功率的提高,碳化硅 方案也从二极管向“二极管+SIC MOS”演进;DCDC 转换器上从 2018 年开 始从硅基 MOS 转向 SiC MOS 方案 。对于充电桩,采用碳化硅模块,充电模 块功率可以达到 60KW 以上,而采用 MOSFET/IGBT 单管的设计还是在 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块数量。因此,对于城市大功率充电站、充电桩,碳化硅带来的小体积在特定场景中具 有优势。

除了电动汽车,光伏逆变器是碳化硅另一个快速增长的应用领域。用 SiC MOSFET 或 SiC MOSFET 与 SiC SBD 结合的功率模块的光伏逆变器,峰值能 源转换效率可从 96%提升至 99%以上,逆变器能量损耗降低 50%以上,设备 循环寿命提升 50 倍,从而能够缩小系统体积、延长器件使用寿命。高效、高 功率密度、高可靠和低成本是光伏逆变器的未来发展趋势。随着太阳能逆变器 成本的优化,在组串式和集中式光伏逆变器中,越来越多的厂商将会使用 SiC MOSFET 作为主逆变器件,来替换原来的三电平逆变器控制的复杂电路。


二、产业化正循环,“奇点时刻”加速到来

1.发展阶段、核心驱动因素及受益环节分析

我们认为 SiC、GaN 和 GaAs 处于不同发展阶段。对于 SiC 行业而言,目 前整体市场规模较小,2020 年全球市场规模约 6 亿美元。但是下游需求确定且巨大,根据 IHSMarkit 数据,受新能源汽车庞大需求的驱动以及电力设备等领 域的带动,预计到 2027 年碳化硅功率器件的市场规模将超过 100 亿美 元,2020-2027 年复合增速比较。目前制约行业发展的主要成本高昂和性能可靠 性。我们认为 SiC 行业一旦到达综合器件成本趋近于硅基功率器件的“奇点时 刻”,行业将迎来爆发性增长。对于 GaN,根据 Grand view research 的测算及 预测,2027 年全球 GaN 器件市场规模预计达到 58.5 亿美元,从 2020-2027 年复合增速有望达到 19.8%,增速也较快。而 GaAs 行业发展较为成熟,预计 2020-2025 年全球复合增速约 10%-15%。

我们认为未来五年驱动 SiC、GaN 和 GaAs 行业的核心驱动因素和核心受 益环节不同。对于碳化硅行业,由于成本是制约下游采用的最重要因素,因此 驱动 SiC 行业发展的最核心因素是成本的下降速度。而 GaAs 衬底和外延片制 备技术相对成熟,成本趋于稳定,而需求增长点主要来源于 5G 手机射频和小 基站。因此驱动 GaAs 行业最核心因素是 5G 技术的更新及基站建设周期。对 于 GaN,一方面 GaN 外延片目前成本高昂,另一方面需求主要来源于宏基站。由于宏基站对功率器件成本相对敏感度低,因此短期驱动 GaN 行业的核心因素 是 5G 的建设周期,长期来看 GaN 如果要运用于毫米波手机射频及中低压功率 器件,成本相比现在也需要有很大幅度下降。

核心受益环节方面,由于目前碳化硅芯片成本结构中 60%-70%是衬底和 外延片,其中衬底约占 40%-50%, 因此材料厂商是核心受益环节;而砷化镓的 衬底和外延技术稳定且成本占比相对较低,但是发展模式上越来越多砷化镓射 频供应商提高使用代工的比例,因此射频 IDM 厂商和砷化镓代工厂都是核心受 益环节。对于氮化镓,由于制造主要以 IDM 为主,因此核心受益环节是外延片 供应商如 Sumitomo 及 IDM 厂商如 Qorvo。

2.SiC 成本高昂之源及可靠性问题

高纯度碳粉和硅粉提纯不易、晶体生长缓慢、晶体切割速度慢且良品率低 共同导致碳化硅成本短期内难以快速下降。碳化硅器件制作的主要工艺流程包 括单晶生长、晶片加工、外延、前道加工及后道封装。

碳化硅衬底制造的核心关键技术点包括电子级高纯粉料合成与提纯技术、 数字仿真技术、单晶生长技术、单晶加工(切抛磨)技术。碳化硅衬底配方改 进困难、晶体生长缓慢、成品良品率低。具体而言:

高纯碳粉是生长高质量 SiC 晶体的基础,尤其对半绝缘型 SiC 晶体生长 有至关重要的影响,涉及到制备技术、合成技术和提纯技术。其中高纯 度碳粉提纯对工艺要求极高,而合成涉及到的配方技术需要长时间的摸 索和积累。

数字仿真技术:单晶生长温度在 2350-2500 度,由于炉内温度不可测量, 通过高精度数字仿真技术可以节约大量的研发时间和成本,仿真水平的 高低也直接代表单晶企业的核心技术能力。



单晶生长技术:单晶生长缓慢是碳化硅衬底成本高居不下的重要原因。

目前 Cree 和国内主流厂家都采用 PVT 物理气相传输法。由于碳化硅晶 体生长速度远慢于硅晶体,8 寸硅晶圆 2-3 天可以生长至 1-2 米,而碳化 硅 4 寸晶圆一周只能生长 2-6cm。影响晶体生长的一个重要因素是仔晶 繁殖,仔晶是和碳化硅单晶晶体具有相同晶体结构的“种子” 晶片,是 晶体生长之源,晶体生长附着凝结于仔晶之上。仔晶生长是碳化硅制备 的核心技术,也是评判所有碳化硅衬底企业的核心技术之一。仔晶一般 不对外销售。

单晶加工技术:由于碳化硅硬度非常高且脆性高,使得打磨、切割、抛 光都耗时长且良品率低。硅片切割只用几小时,而 6 寸碳化硅片切割要 上百小时。由于碳化硅功率器件主要用于汽车行业,因此对可靠性要求极高。硅功率 器件在长时间的质量测试过程中被证实可靠,但是碳化硅则无法假设这一点。SiC 器件主要存在两个可靠性问题——栅极氧化物稳定性和阈值电压稳定性。

栅极氧化物稳定性:与功率 MOSFET 类似,SiC 器件也是垂直器件,使 用与 MOSFET 相同的栅极氧化物材料(二氧化硅),但是 SiC 器件在更 高的内部电场工作,因此栅极氧化物在实际工作中寿命可能缩短。目前 SiC 中的栅极氧化问题已经被理解,TDDB(时变电介质击穿)是时效机制, 目前已经已经得到很大解决。

阈值电压稳定性:MOSFET 的阈值电压会随着偏置而变化,是由偏置温 度不稳定(BTI)的时效机制所引起。BTI是晶体管的退化现象。

3.预计 SiC“奇点时刻”五年之内到来

系统的角度看碳化硅具有综合成本优势。从前面分析中,碳化硅方案相比 硅方案可以提高能效提升续航、减少电池容量缩减成本、降低无源器件及冷却 系统体积从而缩减整体模块体积、缩减尺寸。因此从车辆总成本的角度看,碳 化硅方案可以给汽车制造商带来成本收益。


随着 SiC 成本下降,碳化硅在电动车上的应用将爆发性增长。从物料成本 角度看,目前新能源电动车采用硅基方案的全车功率器件价值约 400 美元左右, 我们预计目前在新能源车全碳化硅方案成本约为 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衬底材料成本高昂。我 们以 SiC JBS(碳化硅结势垒肖特基二极管)为例,成本结构中,衬底约占 50%、外延片约占 20%、晶圆加工约占 25%、封测约占 5%。

目前市场 4 英寸碳化硅衬底比较成熟,良率较高,同时价格较低,而 6 英 寸衬底价格由于供给少和成片良率低,价格远远高于 4 寸片。未来推动碳化硅 衬底成本降低的三大驱动力:1.工艺和设备改进以加快长晶速度 2.缺陷控制改 进提升良率 3.设计改进降低使用器件的衬底使用面积。随着产业成熟,预计衬 底价格未来五年以每年 10%-15%左右的幅度下降。因此我们预计分立器件成 本每年能以 10%左右价格下降。

假设未来五年碳化硅模块价格每年下降 10%,IGBT 价格每年下降 5%,电 池成本每年下降 10%,中性预计全碳化硅方案相比硅方案能降低能耗 8%,仅 考虑相同续航下节省的电池成本,而忽略节省的散热系统成本缩减、无源器件 成本缩减以及更好能效节省的使用成本,从 2025 年开始全碳化硅方案相比硅 方案就具有综合物料成本优势,开始爆发式增长。在实现综合成本优势之前, 碳化硅从售价相对高昂的车型开始被逐步采用,这部分需求也足够拉动行业快 速增长。

三、GaAs 代工比例提高,打造本土产业链闭环

化合物半导体行业因为整体规模较小,非标准化程度高,仍然以代工模式 为主,但是我们观察到,在 GaAs 产业中,随着产业逐渐走向成熟以及市场规 模增大,代工模式占比在逐渐提高。而在 SiC 产业中,越来越多企业逐步布局 全产业链。

1.化合物半导体行业以 IDM 模式为主

跟硅半导体类似,化合物半导体行业商业模式主要分为 IDM(集成器件制 造)、Foundry( 晶圆代工)+Fabless(无工厂)。化合物半导体产业链分工模式跟 跟上文的 SiC 分工模式相同,主要分为单晶生长、晶片加工、外延、前道加工 及后道封装。我们从下游应用、生产模式、制程研发、财务及营销等方面比较 硅晶圆代工和以砷化镓为代表的化合物半导体晶圆代工的发展模式:

在下游应用方面,材料特性及晶圆结构的不同导致了制造成本的区别以及 使用场景的区别。硅晶圆材料生产成本低,普遍用在信息、消费及通讯市场;而砷化镓材料耐高温及高频性能佳,但材料成本贵,目前主要用在无线及光电 市场。在生产模式方面,硅晶圆代工行业在设计阶段即提供设计服务,IP 专业 化及自动化设计工具发展成熟,设计分工及设计自动化工具发展都很成熟,代 工厂可以快速响应客户的需求;而砷化镓代工因为外延片需要根据客户不同定 制,同时生产良率低及生产制程没有标准化而使得生产成本较高。目前砷化镓 代工产业主要竞争对手是国际 IDM 厂商,他们通过合作及共同开发的策略持续 使用彼此的产品,使得 IC 设计公司不易取得市场份额;而在硅晶圆代工行业, 竞争对手主要是世界上几家大型代工厂。

在制程研发方面,制程微缩效应在砷化镓器件上体现得不明显。目前 GaAs 器件以 0.13μm、0.18μm 以上制程工艺为主,Qorvo 正在进行 90nm 工艺研发;受衬底尺寸限制,目前的生产线以 4 英寸和 6 英寸晶圆为主,部分 企业也开始导入 8 英寸产线,但还没有形成主流。由于砷化镓是以 EmitterBase-Collector 垂直结构为主,晶体管数量只在百颗数量级;而硅晶圆是 Source Gate Drain 的平面设计,晶体管数量达到数千万数量级,所以砷化镓在 制程研发上并没有像硅晶圆代工行业那样明显的优势。财务及营销方面,硅基 晶圆厂的巨额投资额已经形成了资本竞争障碍;相比硅晶圆的投资,砷化镓的 固定资产投资相对较小。砷化镓市场主要以功率放大器为主,砷化镓代工行业 过去不易因为新产品持续升级而产生客户忠诚,客户只要对不同代工厂进行认 证通过,就较容易因为价格因素而更换代工厂。

综上,化合物半导体行业之所以未出现像硅半导体行业中大规模的专业晶 圆代工的根本原因是相比硅半导体,化合物半导体产业规模较小使得高度专业 分工不能带来明显的成本优势;制程优势不明显,不用追求先进制程导致固定 资产投资壁垒相对较低,所以无需通过多个客户提高产能利用率从而分担资本 开支压力。

2.欧美主导产业链,中国台湾厂商垄断代工

砷化镓产业链上游材料端以欧美日为主。半绝缘型衬底主要由日本的住友、 德国的 Freiberger、和美国的 AXT 垄断,三家公司合计约占全球 90%的市场份 额。住友是全球半绝缘型砷化镓单晶片水平最高的公司,以 VB 法生产砷化镓 为主,能够量产 4 寸和 6 寸单晶片;德国 Freiberger 主要以 VGF、LEC 法生产 2 到 6 英寸砷化镓衬底,产品全部用于微电子领域;美国 AXT 产品中一半用于LED,一半用作微电子衬底。国内供应商砷化镓衬底主要用于 LED 芯片,少数 公司如云南锗业用于射频的砷化镓衬底逐渐放量。

英国 IQE 占据外延片市场 53%的市场份额。具体而言,约 90%射频客户 采购外部外延片,射频市场被 IQE 垄断,IQE 和 VPEC 合计占据射频外延片市 场约 80%的份额。而光电子外延片,不同下游应用有所区别:应用于数据中心 的光模块器件主要由 Finisar 和 Avago 这些垂直供应商提供,而应用于消费电 子 VCSEL 等 3D 感应的外延片主要由外部供应商 IQE 提供。

GaAs 射频器件市场主要由 IDM 厂商 Skyworks、Qorvo、博通和日本村田 等垄断,其中 Skyworks、Qorvo 和博通市场份额合计约 70%。而这些大型 IDM 厂扩产趋于谨慎,会选择将毛利率较低的 4G 产品外包给砷化镓代工厂商 使产能优先满足高毛利产品,在需求旺盛自身产能满载的时候也会外包部分 5G 订单。

稳懋是砷化镓代工市场绝对龙头。砷化镓代工市场规模占全球砷化镓器件 市场规模 10%左右,其中稳懋、环宇和宏捷科约占这其中 90%的市场份额,而 稳懋占据其中超过 70%市场份额。截至 2020 年三季度,稳懋月产能达到 4.1 万片。砷化镓代工厂主要生产功率放大器,稳懋和环宇超过 90%营收来自于功 率放大器。

绑定下游大客户,锁定客户需求是化合半导体主要策略。以稳懋为例,第 一大客户博通在 2019 年营收贡献占比达到 30%-40%。2017 年 12 月,博通以 1.85 亿美元入股稳懋,深度绑定和稳懋的合作关系。博通在 5G 和光通讯有强 大的布局,并且这种合作关系使得博通无需自己扩充产能,能专心作在它的强 项产品设计。过去博通的 HBT 有一半自己做,一半由稳懋代工,未来有望也会 把另外一半的订单逐步转移给稳懋,除博通外,Skyworks、Qorvo 和紫光展锐 也是稳懋的重要客户。宏捷营收来源高度依赖 Skyworks,其营收中约 8 成左右 来自于 Skyworks。环宇与三安成立了合作公司,而全球重要的 LED 外延片生 产企业中国台湾晶电与环宇战略合作,并为环宇提供 6 寸晶圆代工服务。

3.代工比例提升,代工厂大举扩产

随着射频、光电子等应用带动砷化镓器件等下游需求快速增长,GaAs 代 工比例逐步提升。过去几年砷化镓器件代工比例保持稳定。从 2013 年-2019年, 砷化镓器件代工比例逐渐小幅提升,从 2014 年的 7.5%提升至 2019 年的 10.3%。代工比例的波动取决于 IDM 厂的盈利情况带来的释放订单意愿的强弱 和代工厂自身扩产的节奏。随着代工厂技术的成熟以及长期合作过程中打消技 术泄密的疑虑,同时 IDM 厂了维持高产能利用率使得产能建设趋于保守,因此 IDM 厂有意愿释放出更多代工订单。除此之外,高通、联发科、海思等 Fabless 设计公司在射频领域崛起都新增加砷化镓代工需求。

针对快速增加的砷化镓代工需求,代工厂大举扩产应对。稳懋拟投资 200 亿元人民币在高雄建厂,计划分三年投资,新增总产能超过 10 万片/月,公司 现有月产能约 4.1万片,新增产能超过现有产等的两倍。预计 2021年一季度宏 捷科月产能达到 1.5 万片,2021 年底达到 2 万片月产能。三安集成 2020 年底 产能在 3000 片-4000 片,预计 2021年一季度扩产到 8000 片。

4.国内 PA产业链闭环,代工不可或缺

砷化镓主要用于手机 PA、Wifi PA 和小基站 PA。目前国产 PA 在 4G 领域 已具备比较成熟的性能和量产能力,市占率达 10%-20%,在中功率 4G PA, 国产产品与国外基本相差不大,而在高功率 4G PA,虽然整体性能还有部分差 距,但是足够满足手机客户需求;在 5G 领域,针对华为海思的制裁或将延缓 内 PA 领域的追赶。除海思外,唯捷创芯、昂瑞微、慧智微、紫光展锐等厂家 有机会在 5G PA 上取得突破,预计在 2021 年会有部分出货。

Wi-Fi PA 是除手机 PA 外的第二大增长点。Wifi PA 也正在经历国产替代, 主要差距体现在高功率产品上。具体而言,对于 WIFI 4 PA,国内中功率产品 成本优势明显,整体性能上也已经不差于 Skyworks 和 Qorvo; 对于 WIFI 5 PA, 国内康希 5.8G 中功率 FEM 性能上最好; 对于 WIFI 6 FEM(射频前端模块), 国产 WIFI6 中功率已经面世, 2018 年 Skyworks 和 Qorvo 高功率的 WIFI6 FEM 面世,预估国内产品的差距至少是 3 年。

国产砷化镓代工必不可缺,国内厂商有望受益。虽然对于射频器件来说, 设计和制造工艺紧密结合,使得射频 Fabless 设计公司更倾向与有丰富经验的 中国台湾代工厂合作,但是在外部环境导致供应链不确定性加大的背景下,国内砷 化镓代工厂也有望获得更多参与机会,这一过程中三安集成和威海华芯有望受 益。

5.三安光电:全面布局化合半导体

2014 年三安光电成立全资子公司三安集成,是中国第一家 6 寸化合物半导 体晶圆代工厂,开发砷化镓、氮化镓外延片和衬底,涵盖射频、电力电子、光 通讯和滤波器板块。2020 年上半年三安集成实现销售收入 3.75 亿元。砷化镓 射频出货客户累计将近 100 家、氮化镓射频产品重要客户产能正逐步爬坡;电 力电子产品客户累计超过 60 家,27 种产品已进入批量量产阶段;光通讯业务 除扩大现有中低速 PD/MPD 产品的市场领先份额外,高端产品 10G APD/25G PD、VCSEL 和 DFB 发射端产品均已在行业重要客户处验证通过,进入批量试 产阶段。公司在长沙设立子公司湖南三安从事碳化硅等第三代半导体的研发及 产业化项目,项目正处于建设阶段。

射频是三安集成短期内收入的主要来源。公司射频业务产品应用于 2G-5G 手机射频功放 WiFi、物联网、路由器、通信基站射频信号功放等市场应用;其 中手机用射频器件以 GaAs 为主,基站用射频器件以 GaN 为主。三安射频工艺 制程主要包括 HBT(异质结双极型晶体管)、pHEMT(伪型态高电子迁移率晶 体管)、BiHEMT(异质结双极暨假晶高电子迁移率晶体管外延芯片)。目前用 于无线基站功放的 GaN射频工艺,已获得主流基站的性能认可。650V GaN工 艺开发已经取得突破,某国际化大客户下单,开始流片验证。

电力电子业务布局逐渐完善。公司电力电子业务主要在湖南全资子公司进 行,公司从 SiC 衬底到外延到模组都有布局。三安光电长沙项目将包括长晶— 衬底制作—外延生长—芯片制备—封装产业链。

公司化合物半导体业务客户开拓取得积极拓展。在射频代工领域,国内主 要客户包括海思、紫光展锐、昂瑞微等。在光通讯领域,PD 产品的客户包括 瑞谷、铭普、储翰等;数通产品领域客户中际旭创、AOI、光迅、剑桥等,公 司目前已处于送样评估阶段。在电力电子板块,公司已布局能源市场领域:在 逆变器方面,三安集成与主要客户阳光电源确认了合作开发项目意向。在国家 电网方面,已进入南瑞、许继电器供应链,并已小量试产;充电桩方面,产品 已进入行业领先客户永联供应链的样品测试阶段;在交通领域,公司已正式启 动汽车行业认证体系;在数据中心电源行业龙头的科华恒盛、长城电源都已成 功送样并测试通过,目前正在小量样品导入阶段。

三安集成营收规模增长,公司亏损幅度收窄。三安集成目前虽仍处于亏损 状态,但是随着收入规模上升公司亏损幅度收窄。由于前期产能利用率低,良 品率低,三安集成 2017-2019 年分别亏损 9600 万元、1700 万元和 8200 万元, 2020 年上半年亏损幅度收窄至 1100 万元。

四、Cree 引领 SiC 产业,全球供需即将失衡

1.全产业布局占优,国内追赶海外巨头

成本结构导致 SiC 全产业链布局具有优势。以碳化硅为衬底的产业链主要 分为衬底、外延和器件三个环节。由于衬底在器件中的高成本占比,使得掌握 衬底工艺和产能的企业在竞争中具有优势。美国的 Cree 和日本的罗姆都是拥 有从衬底、外延片到器件的碳化硅全产业链生产能力,所生产的碳化硅衬底除 对外销售外,其余部分为自用。目前 Cree 在衬底方面产能和市占率领先所有 竞争者,2019 年宣布建设 8 英寸衬底产线,2020 年全球市场份额约 50%。除 了 Cree 和罗姆,在衬底方面处于领先地位的还有 II-VI,国内的有天科合达和 东天岳,6 寸衬底开始规模化生产或者开始建设产线。


外延片市场主要被 IDM 公司主导,如三菱、英飞凌和意法半导体。在国内 纯粹做外延片的有瀚天天成和东莞天域,均可供应 4-6 英寸外延片,中电科 13 所、55 所亦均有内部供应的外延片生产部门。器件方面,意法半导体、安森美、 英飞凌和罗姆都是重要供应商,华润微的国内首条 6 寸商用 SiC 产线已经正式 量产,三安光电拟投资 160 亿元的碳化硅全产业链布局的湖南子公司也于 2020 年开工。由于碳化硅器件的成本结构导致全产业链的优势,我们看到器件 公司逐步布局上游材料,如意法半导体在 2020 年 2 月份以 1.4 亿美元现金收 购了瑞典 SiC 晶圆制造商 Norstel,Norstel 生产 6 英寸 SiC 衬底和外延晶圆。在碳化硅产业链各个环节,国内领先水平与国际领先水平仍有一定差距, 但是工艺水平和发展状况的差距远小于相比硅半导体。

2.需求增长,全球供需即将失衡

特斯拉 Model 3 逆变器集成意法半导体的 SiC MOSFET 的功率模块,该主 逆变器需要 24 个电源模块。另外假如 OBC、DCDC 转换器、快充电桩等都使 用 SiC 的话,每台特斯拉约消耗 0.5 片 6 英寸碳化硅衬底。

2020 年特斯拉全年共交付新车 49.96 万辆,同比增长 35.87%。如果 2022 年特斯拉车型全部采用碳化硅,交付量达到 100 万辆的话,那么仅特斯 拉一年就将消耗掉 50 万片晶圆产量。目前全球碳化硅衬底产能为 40-60 万片。因此电动车的快速发展或将造成碳化硅衬底短时间的失衡。

在此背景下,全球加大碳化硅衬底投资:2020 年 Cree 计划投资 10 亿美 元用于碳化硅产能扩充,这次产能扩大在 2024 年全部完工后,将带来碳化硅 晶圆制造产能的 30 倍增长和碳化硅材料生产的 30 倍增长,以满足 2024 年之 前的预期市场增长。罗姆公司也宣布 2024 财年碳化硅生产能力相比 2019 财年 提升 5 倍以上。

国际企业通过提前锁定衬底产能保证未来供应。如 Cree 与英飞凌、意法 半导体等欧美主要碳化硅下游企业签订长期供货协议,公司四分之三的材料业 务都签订了长期协议。

3.Cree: 宽禁带化合物半导体的引领者

Cree 是碳化硅领域的绝对领先者。其在导电型碳化硅衬底的市场占有率约 60%,车载领域市占率超过 80%,公司在 SiC 基板领域研发超过 35 年,主要 技术来源实际是北卡莱罗纳大学,1991 年即发布世界上第一个商业 SiC 晶片。国内衬底技术与 Cree 存在差距。目前国内长晶炉效率不到 Cree 的五分之 一。Cree 在车载领域市占率超过 80%,而车规级 SiC MOSFET 单价达到 7~10 美元/颗,而工业级碳化硅二极管产品单价是几毛到几块钱不等。公司 2020年旗下 Wolfspeed 实现营收约 4.7 亿美元左右, 公司预计 2025年实现营 收 15 亿美元,实现毛利率 50%。

而在 GaN 上,Cree 也积极布局。2018 年,Cree 以 3.45 亿欧元的对价收 购英飞凌的射频部门,其中包括位于加利福尼亚州摩根希尔的 LDMOS 和 GaN 技术工厂。在宣布的 10 亿美元扩产中,GaN 的外延(on SiC)和器件制造也 包含其中。Cree 在宽禁带半导体上的技术、应用、资产和市场上有三十多年积 累,2019 年剥离照明部门之后专注于宽禁带化合物半导体,是我们在此领域建 议关注的重点公司。

4.英飞凌:全球最大功率 IDM,布局 SiC/GaN

英飞凌是全球最大的功率器件供应商。碳化硅布局方面,2018 年公司收购 初创公司 Siltectra,其研发了冷切割技术,可高效处理晶体材料,并最大限度 减少材料损耗可用于切割碳化硅晶圆,使单片晶圆可产出的芯片数量翻倍,公 司推出了 650V和 1700V的 CoolSiC MOSFET 系列,2020年 12月公司与 GT Advanced 签订碳化硅晶锭五年供货协议,进一步确保未来碳化硅材料供应需 求。2020 财年英飞凌来自于碳化硅营收达到 8000 万欧元。

英飞凌在氮化镓上提供丰富的解决方案。市场上 GaN 方案主要分成三种方 式,分别是:分立式+外部驱动器;多片集成,开关和驱动采用不同的衬底, 但是封装在同一个壳子里;单片集成,氮化镓的开关、驱动、其他器件作为同 衬底的一个解决方案。而英飞凌能满足不同解决方案需求。公司对于碳化硅技 术和氮化镓采取稳扎稳打推进的方式,利用覆盖从前端到后端的研发能力,从 材料到封装端确保自身优势。

5.华润微:国内首家量产 SiC 商用产线

公司是国内最大的 MOSFET 功率器件公司,2020 年实现营收约 70 亿元, 实现归母净利润 9.6 亿元。在碳化硅方面,公司通过华润微电子控股参股国内 碳化硅外延片企业瀚天天成 3.2%的股权; 2020 年 7 月正式发布 1200V 和 650V 工业级 SiC 肖特基二极管功率器件产品系列,1200V 产品电流等级从 2A 到 40A,主要聚焦于太阳能、UPS 电源、充电桩、储能、车载电源等应用领域, 650V 产品电流等级为 4A 到 16A,主要瞄准服务器电源、通讯电源等高效开关 电源应用市场;与此同时公司的国内首条 6 英寸商用 SiC 晶圆产线正式量产。在 GaN 方面,公司利用现有的全产业链和足够的现金流支持从衬底材料、器件 设计、制造工艺,封装工艺全面的硅基氮化镓的研发工作。

五、投资建议

在新能源汽车刚性需求驱动下,碳化硅产业链在实现综合成本优势之后, 有望迎来爆发式增长;砷化镓未来仍将继续主导 sub-6G 手机射频,同时国内 PA 厂商的发展也带来本土代工需求;GaN 在 5G 宏基站和消费级快充上将取 得大发展。

详见报告原文。

(本文仅供参考,不代表我们的任何投资建议。如需使用相关信息,请参阅报告原文。)

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