电子行业深度报告：化合物半导体，5G与新能源车驱动高成长

证券分析师：骆思远 A0230517100006联系人：唐宗其 A02305190900022020.09.29化合物半导体：5G与新能源车驱动高成长电子行业深度报告 www.swsresearch.com2核心观点第三代化合物半导体迎来快速成长期。目前绝大多数的集成电路以硅为原材料制作，具有集成度高、稳定性好、功耗低等优点。但摩尔定律逐渐遇到瓶颈，除了更高集成度的发展方向之外，通过不同材料在模拟IC上实现更优质的性能是发展方向之一。同时随着5G、新能源汽车等产业的发展，对高频、高功率、高压的半导体需求，硅基半导体由于材料特性难以完全满足，以GaAs、GaN、SiC为代表的第二代和第三代半导体迎来发展契机。目前GaAs产业相对较为成熟、以稳懋为代表的相关代工厂近年来取得了快速的成长。GaAs具备高功率密度、低能耗、抗高温、高发光效率、抗辐射、击穿电压高等特性， 在射频、功率器件、光电子及国防军工等应用领域优势显著。20世纪90年代以来，砷化镓技术开始迅速发展，并且逐渐成为主流半导体材料，长时间的技术积累，使得GaAs相对于SiC和GaN等新兴材料而言，技术更为成熟，成本也较低。一开始化合物半导体以IDM公司为主，但专业代工成本优势逐渐体现，自2006年起，IDM公司对于产能扩充较为保守，释放更多的订单给晶圆制造代工厂。同时，稳懋等代工厂从较低毛利的产品提升为较高毛利的产品开发与早期量产技术提供者。5G等行业演进对高频高功率半导体器件需求激增，GaN发展迎来契机。相比于第一代的硅（Si）以及第二代的砷化镓（GaAs）等，GaN具备许多比较突出的优势特性，由于禁带宽度大、导热率高、电子饱和速度快，GaN适用于高温、高频、高功率等场景。根据 CASA 报告显示，2019 年各厂家在售的各类GaN产品种类较2017年增加了6成，仅2019年就新增了321款新品。同时随着技术发展，GaN的成本不断下滑，以射频产品为例，RF GaN HEMT 近期降价显著，2019 年底平均价格较 2018 年降幅近 23%。新能源车及充电桩行业景气上行，市场及渗透率双提升。碳化硅具有宽禁带、高击穿场强、高的热导率和强的抗辐射能力，因此有更高工作温度和可靠性、更耐压，更小的尺寸。SiC电力电子器件已覆盖较多应用，2019年各厂商新推出数款车规级产品。SiC功率模块2019年推出模块新品数量占新品总数一半以上。博世预计2020-2024年，碳化硅市场年复合增长率接近30%，到2024年将达20亿美元的规模。根据 Yole 预测，2023年SiC电力电子器件的市场渗透率将达到 3.75%。风险提示：5G进展不及预期；新能源汽车进展不及预期；技术良率突破不及预期。 mRsOoMzRvN6M8QbRnPrRoMpPiNrRwPjMpMpP9PoPrPxNqNqRuOrRsM主要内容1. GaAs：技术趋于成熟，产业规模商用2. GaN：5G高频高功率特性拉动市场高增3. SiC：高阶应用场景进阶，助力新能源车腾飞3 www.swsresearch.com41.1 GaAs材料特征与优势GaAs具备高功率密度、低能耗、抗高温、高发光效率、抗辐射、击穿电压高等特性，在射频、功率器件、光电子及国防军工等应用领域优势显著。•GaAs具有半绝缘性,通过区域离子注入,其衬底内部仍然能保持电隔离。使其非常适合用作生产集成电路所用衬底的材料。另外,半绝缘砷化镓材料制成的器件,其寄生电容很小,这样可用来制造一些快速器件,比如开发的单片微波集成电路性质相关参数性质相关参数晶体结构闪锌矿热导率0.55 W/(cm C)品格常数5.65A介电系数12.85密度5.32g/cm^3禁带宽度1.42 e V原子密度4.5x10^22个/cm击穿场强3.3 kV/cm分子式重量144.64饱合漂移速度2.1x10^7cm/s纵向弹性模量7.55x10^11dyn/cm^2电子迁移率(非掺)8500 cm^2/(V·s)横向弹性模量3.26x10^11dyn/rm电子迁移率(掺硅1x10^18/cm时)1500 cm/(v.s)热膨胀系数5.8x10^-6 K^-1空穴迁移率(非掺)400 cm/(V ^3)热容量0.327 J/(g·K) 熔点1238 C资料来源：chemical book，申万宏源研究表1：砷化镓相关性质 www.swsresearch.com51.2 主要应用领域微电子•射频（PA、RFSwitch，LNA）:GaAs 具有载波聚合和多输入多输出技术所需的高功率和高线性度，是 6 GHz 以下频段的主流技术。光电子•激光（VCSEL激光器、光电二极管）：激光器件体积很小, 使用寿命长，容量大。•LED（红橙黄LED、红外LED）•光伏（太阳能电池、新型光伏器件）:转换效率高、抗辐射能力强、耐高温。图1：砷化镓产品：功放、VCSEL激光器、太阳能电池资料来源： 电子工程世界，申万宏源研究 www.swsresearch.com61.3 下游主要厂商下游：射频器件、LED、激光、光伏器件•射频器件：主要是滤波器和功率放大器。代表公司为Skyworks、Qorvo、Broadcom•LED：虽然目前成熟的工艺仍然以蓝宝石为主，但GaAs作为四元系红黄光的衬底材料优势明显，主要厂商包括欧司朗、三安、晶电等•激光器：之前主要用于制作Vcsel，主要用于数据中心，后面3D传感、人脸识别、激光雷达等会带来新增量•光伏器件：宇宙空间探测的太阳能电池，地面还未大规模使用表2:下游主要厂商射频器件LED激光器光伏器件Skyworks欧司朗FinisarEmcoreQorvo三安光电LumentumSpectroLabBroadcom晶元光电纵慧光电中国航天科技集团乾照光电华芯半导体中电科第18研究所资料来源：新材料在线，申万宏源研究 www.swsresearch.com71.4 行业发展现状技术较为成熟，成本相对更有优势•20世纪90年代以来，砷化镓技术开始迅速发展，并且逐渐成为主流半导体材料，长时间的技术积累，使得GaAs相对于SiC和GaN等新兴材料而言，技术更为成熟，成本也较低。受益5G，产值有望稳步增长•近年来，GaAs产量稳定增长，虽然19年由于手机出货量下滑，砷化镓产值受到一些影响，但是随着5G手机的不断普及，未来仍有较大的成长空间。Yole预测，2019年以后产值将以不低于年复合10%的增长率增长。010203040506070809010020122013201420152016201720182019砷化镓市场总产值（单位：亿美元）图2：砷化镓市场稳步增长资料来源： Yole，申万宏源研究 www.swsresearch.com81.4 行业发展现状不同产业链环节国内外发展差距较大•我国砷化镓行业产业链中，原材料较为丰富，具备较大竞争力•单晶制造环节已有较多企业布局，工艺较为成熟，主要满足国内需求，直接面临国际领先企业在华工厂的竞争•外延片制造环节中国部分上市企业布局了LED芯片的制造•IC设计、晶圆制造、封装测试等环节也主要围绕LED芯片的垂直整合，通讯元件方面的布局才刚起步。环节内资企业外资企业原材料