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核心觀點：
- 化合物半導體性能優異，發展前景廣闊。化合物半導體主要指砷化鎵(GaAs)、氮化鎵(GaN)和碳化硅(SiC)等第二、第三代半導體，相比 第一代單質半導體，在高頻性能、高溫性能方面優異很多。砷化鎵:具有高 頻、抗輻射、耐高溫的特性，大規模應用於無線通訊領域，目前已經成為 PA 和 Switch 的主流材料;氮化鎵:主要被應用於通訊基站、功率器件等領 域，功放效率高、功率密度大，因而能節省大量電能，同時減少基站體積和 質量;碳化硅:主要用於大功率高頻功率器件，IHS 預測到 2025 年 SiC 功 率半導體的市場規模有望達到 30 億美元，在未來的 10 年內，SiC 器件將開 始大範圍地應用於工業及電動汽車領域，近期碳化硅產業化進度開始加速， 意法、英飛凌等中游廠商開始鎖定上游晶圓貨源。
- 5G 提速，射頻市場有望高速成長。4 月初，美、韓率先宣佈 5G 商用，日 本向四大運營商分配 5G頻段，預計明年春正式商用。在海外 5G 積極推進 商用的節奏下，全球 5G 推進提速預期強烈，從基站端到終端射頻需求都有 望加速增長。在射頻器件領域，目前 LDMOS、GaAs、GaN 三者佔比相差不 大，預計到 2025 年，在砷化鎵市場份額基本維持不變的情況下，氮化鎵有 望替代大部分 LDMOS 份額，佔據射頻器件市場半壁江山。
- 汽車電氣化推動碳化硅市場快速成長。據 IC insights預測，2021 年汽車 IC 市場將會增長到436億美元，2017 年到 2021 年之間的複合增長率為12.5%，為 IC 領域複合增長率最高的下游應用。同時，隨著汽車電氣化進 程不斷推進，尤其是電動車等新能源汽車的逐漸普及，使汽車硅含量不斷提 升，電動車以及由此帶動的各類基礎設施建設將成為碳化硅市場的主要 驅動力。
報告內容：
化合物半導體
什麼是化合物半導體?
半導體材料可分為單質半導體及化合物半導體兩類，前者如硅(Si)、鍺(Ge)等所形成 的半導體，後者為砷化鎵(GaAs)、氮化鎵(GaN)、碳化硅(SiC)等化合物形成。半導 體在過去主要經歷了三代變化，。砷化鎵(GaAs)、氮化鎵(GaN)和碳化硅(SiC)半 導體分別作為第二代和第三代半導體的代表，相比第一代半導體高頻性能、高溫性能優 異很多，製造成本更為高昂，可謂是半導體中的新貴。
三大化合物半導體材料中，GaAs 佔大頭，主要用於通訊領域，全球市場容量接近百億 美元，主要受益通信射頻芯片尤其是 PA 升級驅動;GaN 大功率、高頻性能更出色，主 要應用於軍事領域，目前市場容量不到 10 億美元，隨著成本下降有望迎來廣泛應用; SiC 主要作為高功率半導體材料應用於汽車以及工業電力電子，在大功率轉換應用中具 有巨大的優勢。
超越摩爾:光學、射頻、功率等模擬 IC 持續發展
摩爾定律放緩，集成電路發展分化。現在集成電路的發展主要有兩個反向:More Moore (深度摩爾)和 More than Moore (超越摩爾)。摩爾定律是指集成電路大概 18 個月的 時間裡，在同樣的面積上，晶體管數量會增加一倍，但是價格下降一半。但是在 28nm 時遇到了阻礙，其晶體管數量雖然增加一倍，但是價格沒有下降一半。More Moore (深 度摩爾)是指繼續提升製程節點技術，進入後摩爾時期。與此同時，More than Moore (超 越摩爾)被人們提出，此方案以實現更多應用為導向，專注於在單片 IC 上加入越來越多 的功能。
模擬 IC 更適合在More than Moore (超越摩爾)道路。先進製程與高集成度可以使 數字 IC 具有更好的性能和更低的成本，但是這不適用於模擬 IC。射頻電路等模擬電路 往往需要使用大尺寸電感，先進製程的集成度影響並不大，同時還會使得成本升高;先 進製程往往用於低功耗環境，但是射頻、電源等模擬 IC 會用於高頻、高功耗領域，先進 製程對性能甚至有負面影響;低電源和電壓下模擬電路的線性度也難以保證。PA 主要技 術是 GaAs，而開關主要技術是SOI，More than Moore (超越摩爾)可以實現使用不同 技術和工藝的組合，為模擬 IC 的進一步發展提供了道路。
第三代半導體適應更多應用場景。硅基半導體具有耐高溫、抗輻射性能好、製作方便、 穩定性好。可靠度高等特點，使得99%以上集成電路都是以硅為材料製作的。但是硅基 半導體不適合在高頻、高功率領域使用。2G、3G 和 4G 等時代 PA 主要材料是GaAs，但是進入 5G 時代以後，主要材料是GaN。5G 的頻率較高，其跳躍式的反射特性使其傳 輸距離較短。由於毫米波對於功率的要求非常高，而 GaN 具有體積小功率大的特性，是 目前最適合 5G時代的 PA 材料。SiC 和 GaN 等第三代半導體將更能適應未來的應用需求。
模擬 IC 關注電壓電流控制、失真率、功耗、可靠性和穩定性，設計者需要考慮各種元 器件對模擬電路性能的影響，設計難度較高。數字電路追求運算速度與成本，多采用 CMOS 工藝，多年來一直沿著摩爾定律發展，不斷採用地更高效率的算法來處理數字信 號，或者利用新工藝提高集成度降低成本。而過高的工藝節點技術往往不利於實現模擬IC實現低失真和高信噪比或者輸出高電壓或者大電流來驅動其他元件的要求，因此模擬 IC 對節點演進需求相對較低遠大於數字 IC。模擬芯片的生命週期也較長，一般長達 10 年及以上，如仙童公司在 1968 年推出的運放μA741 賣了近五十年還有客戶在用。
目前數字 IC 多采用 CMOS 工藝，而模擬IC採用的工藝種類較多，不受摩爾定律束縛。 模擬 IC 的製造工藝有 Bipolar 工藝、CMOS 工藝和 BiCMOS 工藝。在高頻領域，SiGe 工 藝、GaAs 工藝和SOI工藝還可以與 Bipolar 和 BiCMOS 工藝結合，實現更優異的性能。 而在功率領域，SOI工藝和 BCD(BiCMOS 基礎上集成 DMOS等功率器件)工藝也有更 好的表現。模擬IC應用廣泛，使用環節也各不相同，因此製造工藝也會相應變化。
砷化鎵(GaAs):無線通信核心材料，受益5G大趨勢
相較於第一代硅半導體，砷化鎵具有高頻、抗輻射、耐高溫的特性，因此廣泛應用在主 流的商用無線通信、光通訊以及國防軍工用途上。無線通信的普及與硅在高頻特性上的 限制共同催生砷化鎵材料脫穎而出，在無線通訊領域得到大規模應用。
基帶和射頻模塊是完成 3/4/5G 蜂窩通訊功能的核心部件。射頻模塊一般由收發器和前 端模組(PA、Switch、Filter)組成。其中砷化鎵目前已經成為PA和 Switch 的主流材料。
4G/5G頻段持續提升，驅動 PA 用量增長。由於單顆 PA 芯片僅能處理固定頻段的信號， 所以蜂窩通訊頻段的增加會顯著提升智能手機單機 PA 消耗量。隨著4G通訊的普及，移 動通訊的頻段由 2010 年的 6 個急速擴張到43個，5G 時代更有有望提升至 60 以上。目 前主流 4G通信採用 5 頻 13 模，平均使用7顆 PA，4 個射頻開關器。
目前砷化鎵龍頭企業仍以 IDM 模式為主，包括美國 Skyworks、Qorvo、 Broadcom/Avago、Cree、德國 Infineon 等。同時我們也注意到產業發展模式開始 逐漸由 IDM模式轉為設計+代工生產，典型事件為代工比例持續提升、avago 去年將科 羅拉多廠出售給穩懋等。我們認為 GaAs 襯底和器件技術不斷成熟和標準化，產品多樣 化、器件設計的價值顯著，設計+製造的分工模式開始增加。
從 Yole Development 等第三方研究機構估算來看，2017 年全球用於 PA的 GaAs 器 件市場規模達到 80-90 億美元，大部分的市場份額集中於 Skyworks、Qorvo、Avago 三 大巨頭。預計隨著通信升級未來兩年有望正式超過100億美元。
同時應用市場決定無需 60 nm 線寬以下先進製程工藝，不追求最先進製程工藝是另外 一個特點。化合物半導體面向射頻、高電壓大功率、光電子等領域，無需先進工藝。GaAs 和 GaN 器件以 0.13、0.18μm 以上工藝為主。Qorvo 正在進行 90nm 工藝研發。此外由 於受 GaAs和 SiC 襯底尺寸限制，目前生產線基本全為 4 英寸和 6 英寸。以 Qorvo 為例， 我們統計下來氮化鎵製程基本線寬在 0.25-0.50um，生產線以 4 英寸為主。
氮化鎵&碳化硅:高壓高頻優勢顯著
氮化鎵(GaN)和碳化硅(SiC)並稱為第三代半導體材料的雙雄，由於性能不同，二者的 應用領域也不相同。由於氮化鎵具有禁帶寬度大、擊穿電場高、飽和電子速率大、熱導 率高、化學性質穩定和抗輻射能力強等優點，成為高溫、高頻、大功率微波器件的首選 材料之一。
氮化鎵:5G時代來臨，射頻應用前景廣闊
目前氮化鎵器件有三分之二應用於軍工電子，如軍事通訊、電子干擾、雷達等領域;在 民用領域，氮化鎵主要被應用於通訊基站、功率器件等領域。氮化鎵基站 PA 的功放效 率較其他材料更高，因而能節省大量電能，且其可以幾乎覆蓋無線通訊的所有頻段，功 率密度大，能夠減少基站體積和質量。
特色工藝代工廠崛起，分工大勢所趨。全球半導體分為 IDM(Integrated Device Manufacture，集成電路製造)模式和垂直分工模式兩種商業模式，老牌大廠由於歷史原 因，多為 IDM 模式。隨著集成電路技術演進，摩爾定律逼近極限，各環節技術、資金壁 壘日漸提高，傳統 IDM 模式弊端凸顯，新銳廠商多選擇 Fabless(無晶圓廠)模式，輕 裝追趕。同時英飛凌、TI、AMD 等老牌大廠也逐漸將全部或部分製造、封測環節外包， 轉向 Fab-Lite(輕晶圓廠)甚至 Fabless 模式。
氮化鎵射頻器件高速成長，複合增速 23%，下游市場結構整體保持穩定。研究機構 Yole Development 數據顯示，2017 年氮化鎵射頻市場規模為3.8億美元，將於 2023 年增長 至 13 億美元，複合增速為22.9%。下游應用結構整體保持穩定，以通訊與軍工為主， 二者合計佔比約為 80%。
碳化硅:功率器件核心材料，新能源汽車驅動成長
SiC主要用於大功率高頻功率器件。以 SiC 為材料的二極管、MOSFET、IGBT 等器件未 來有望在汽車電子領域取代 Si。目前 SiC 半導體仍處於發展初期，晶圓生長過程中易出現材料的基面位錯，以致SiC器件可靠性下降。另一方面，晶圓生長難度導致 SiC 材料價格昂貴，預計想要大規模得到應用仍需一段時期的技術改進。
Die Size 和成本是碳化硅技術產業化的核心變量。我們比較目前市場主流 1200V 硅基 IGBT 及碳化硅基MOSFET，可以發現 SiC 基 MOSFET 產品較 Si 基產品能夠大幅減少Die Size，且表現性能更好。但是目前最大阻礙仍在於 Wafer Cost，根據 yole development 測算，單片成本 SiC 比 Si 基產品高出 7-8 倍。
研究機構 IHS 預測到 2025 年 SiC 功率半導體的市場規模有望達到 30 億美元。在未來 的 10 年內，SiC 器件將開始大範圍地應用於工業及電動汽車領域。縱觀全球 SiC 主要市 場，電力電子佔據了 2016-2017 年最大的市場份額。該市場增長的主要驅動因素是由於 電源供應和逆變器應用越來越多地使用 SiC 器件。
SiC近期產業化進度加速，上游產業鏈開始擴大規模和鎖定貨源。我們根據整理 CREE 公告，可以發現近期碳化硅產業化進度開始加速，ST、英飛凌等中游廠商開始鎖定上游 晶圓貨源:
Ø2019 年 1 月公告:CREE 與 ST 簽署一項為期多年的 2.5 億美元規模的生產供應協議，Wolfspeed 將會向 ST 供應 150 mm SiC 晶圓。
Ø2018 年 10 月公告:CREE 宣佈了一項價值 8,500 萬美元的長期協議，將為一家未公佈名稱的“領先電力設備公司”生產和供應 SiC 晶圓。
Ø2018 年 2 月公告:Cree 與英飛凌簽訂了 1 億美元的長期供應協議，為其光伏逆變器、機器人、充電基礎設施、工業電源、牽引和變速驅動器等產品提供 SiC 晶圓。
兩大驅動力:5G提速+汽車電氣化
5G 加速推進，射頻市場有望高速成長
海外率先商用，5G 提速預期強烈
海外 5G 率先商用，國內5G推進有望加速!4 月 3 日，美國運營商Verizon宣佈在部分 地區推出 5G 服務;4 月 5 日，韓國三大運營商宣佈開始針對普通消費者的5G商用服務; 4 月 10 日，日本政府向四大運營商分配5G頻段，預計明年春正式商用;我們認為，在 海外 5G積極推進商用的節奏下，國內 5G 有望加速。
隨著 5G 的推廣，從5G的建設需求來看，5G 將會採取"宏站加小站"組網覆蓋的模式， 歷次基站的升級，都會帶來一輪原有基站改造和新基站建設潮。2017 年我國 4G 廣覆蓋 階段基本結束，4G 宏基站達到 328 萬個。根據賽迪顧問預測，5G 宏基站總數量將會是 4G 宏基站1.1~1.5倍，對應 360 萬至 492 萬 5G 宏基站。
於此同時在小站方面，毫米波高頻段的小站覆蓋範圍是 10~20m，應用於熱點區域或更 高容量業務場景，其數量保守估計將是宏站的 2 倍，由此我們預計 5G 小站將達到950萬個。
氮化鎵將佔射頻器件市場半壁江山
基站建設將是氮化鎵市場成長的主要驅動力之一。Yole development 數據顯示，2018 年，基站端氮化鎵射頻器件市場規模不足 2 億美元，預計到 2023 年，基站端氮化鎵市 場規模將超 5億美元。氮化鎵射頻器件市場整體將保持 23%的複合增速，2023 年市場 規模有望達 13億美元。
氮化鎵將佔射頻器件市場半壁江山。在射頻器件領域，目前 LDMOS(橫向擴散金屬氧化 物半導體)、GaAs(砷化鎵)、GaN(氮化鎵)三者佔比相差不大，但據 Yole development 預測，至 2025 年，砷化鎵市場份額基本維持不變的情況下，氮化鎵有望替代大部分LDMOS份額，佔據射頻器件市場約 50%的份額。
汽車電氣化推動碳化硅市場快速成長
汽車半導體市場快速增長
汽車 IC 快速增長，成半導體增長亮點。根據 IC Insights 數據，預計 2018 年汽車 IC 增 速可達 18.5%，規模可達 323 億美元。到 2021 年，汽車 IC 市場將會增長到 436 億 美元，2017 年到 2021 年之間的複合增長率為 12.5%，為複合增長率最高的細分市場模塊，也是未來的主要驅動力之一。
汽車模擬 IC 增長強勁，實現對智能手機的超越。智能手機的高速增長曾經是帶動半導 體市場增長的主要驅動力，如今汽車成為下一位選手。根據HIS數據，從體量上看，2015 年汽車模擬 IC 市場將已經超過的智能手機市場，預計2018年汽車模擬 IC 市場規模可 達 102 億美元。與此同時，由於汽車市場增速高於其他子行業，其模擬IC銷售佔比也 逐年增加。
環保需求持續驅動汽車電氣化進程
環保節能需求推動汽車電氣化，新能源汽車快速增長。由於各國政府對能源和環境問題 高度重視，紛紛提出禁售燃油車計劃，汽車電氣化幾乎是必然趨勢。Katusa Research 數據顯示，中國，美國和德國將成為電動汽車的主要推廣者，致使 2040 年電動汽車年 均銷售量可達 6 千萬量。新能源汽車能夠有效降低燃油消耗量，而新能源汽車需要用到大量的電源類 IC(比如升降電壓用的DC/DC)，模擬 IC 行業可從中受益。
汽車硅含量持續提升，碳化硅市場顯著受益
汽車電氣化程度逐步加深，硅價值量持續增長。各車企紛紛推出新能源車，以實現汽車 電動化的軟替代，常見的新能源汽車包括混合動力汽車、插電式混合動力汽車、增程式 電動汽車、純電動汽車。隨著電氣化程度的提升，汽車半導體價值量也水漲船高。2018 年中度混合動力汽車、插電式混合動力汽車和純電動汽車單車半導體價值量分別達 475、 740 和 750 美元，根據 Strategy Analytics 預測，2025 年度混合動力汽車、插電式混合 動力汽車和純電動汽車銷量分別可達到 0.17 億、0.13 億、0.08 億，合計半導體市場規 模可達 237億美元。
電動車市場將是碳化硅器件成長的主要驅動力。根據 Yole development 預測，未來幾年 新能源汽車、電機驅動、鐵路對碳化硅市場增長影響較大，其中增量價值最高的為新能 源汽車，包括汽車本身以及由此帶動的各類基礎設施建設。
汽車處於安全性考慮，需要包含各個子系統的穩壓、靜電保護、信號隔絕等需求，同時 還需要眾多與電力系統配套的功率半導體產品，包括充電器、電池管理、逆變器、次逆 變器、DC/DC以及各種接口等。因此汽車電動化給功率半導體帶來了更廣闊的市場空間。
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三安光電:全工藝平臺佈局，持續加碼化合物半導體，III-V 族龍頭正式起 航
我們認為 III-V 族化合物半導體是三安光電下一個十年的核心成長驅動及跟蹤重點，5G 無線通訊基站、智能手機、WiFi 與光纖等高速數據傳輸、汽車/工業/太陽能等功率芯 片，都將對化合物半導體產生強勁的需求。
繼此前與華芯投資(集成電路產業大基金託管人)簽署戰略協議開展不超過 25 億美元 的合作，擬合資設立III—V族化合物集成電路發展專項基金，公司 17 年 12 月再度公 告加碼，擬投資總額333億元在福建泉州成立項目公司，全部項目五年內實現投產，七 年內全部項目實現達產，經營期限不少於25年。產業化項目包括:
- 高端氮化鎵 LED襯底、外延、芯片的研發與製造; Ø高端砷化鎵 LED 外延、芯片的研發與製造;
- 大功率氮化鎵激光器的研發與製造;
- 光通訊器件的研發與製造;
- 射頻、濾波器的研發與製造;
- 功率型半導體(電力電子)的研發與製造;
- 特種襯底材料研發與製造、特種封裝產品應用研發與製造。
三安光電作為 LED 芯片國際龍頭，依託 LED 外延、芯片工藝在III-V族化合物半導體 佈局深厚，成立時間、規模及品質均為國內領先。333 億元議案再度加碼彰顯公司決心， 未來將立足於III-V族化合物半導體材料的研發與應用，以砷化鎵、氮化鎵、碳化硅、磷 化銦等半導體新材料所涉及到的核心主業做大做強!
由三安光電研發的III-V 族化合物半導體材料的應用領域從原有的 LED 外延片、芯片，延 伸到了光通訊器件、射頻與濾波器、功率型半導體三個新領域，基本涵蓋了今後III-V 族 化合物半導體材料應用的重要領域。這一佈局，除了將為三安光電每年在營收上帶來貢 獻，進一步擴大公司體量。
目前三安集成全工藝平臺佈局，在 HBT、pHEMT、GaN 以及碳化硅領域均進行工藝開 發及工藝鑑定試驗:
根據三安集成官網 12 月 19 日正式發佈，三安公佈商業版本的6英寸碳化硅晶圓製造 流程，宣佈完成全部工藝鑑定試驗，並將其加入到代工服務組合中。公司目前生產的碳 化硅晶圓，是用於電力電子中電路設計的最成熟的寬禁帶(WBG)半導體，可以為650V、 1200V 和更高額定肖特基勢壘二極管(SBD)提供器件結構，不久後會推出針對 900V、 1200V 和更高額定肖特基勢壘二極管的碳化硅MOS場效應晶體管工藝(SiC MOSFETs)。
CREE:碳化硅基氮化鎵龍頭，Wolfspeed 持續高增長
CREE成立於 1987 年，1993 年上市，為全球LED外延、芯片、封裝、LED 照明解決方案、化合物半導體材料、功率器件和射頻於一體的著名製造商和行業領先者。
CREE在氮化鎵射頻領域，專利護城河全球第一。根據專利研究機構 KnowMade 對 3750 項氮化鎵射頻領域專利的研究，基於數量與質量等多個維度的綜合考量，CREE 毫無疑 問為全球第一，尤其在碳化硅基氮化鎵領域。
公司在 2018 年 2月的投資者日提出了未來的發展規劃，推動 Wolfspeed 成為增長引擎， 將 LED 聚焦於更加差異化的市場。Wolfspeed 專注於碳化硅與氮化鎵領域，產品包括碳 化硅材料、射頻器件、功率器件。下游包括電動車、通訊、工業、國防、航天航空。
Wolfspeed收入規模高速增長，毛利率維持高位。2019 財年第二財季，對應公曆 18Q4，Wolfspeed收入同比增長 92%，環比增長6%至 1.35 億美元;不計入收購英飛凌部分業 務時，同比增長超過 50%;毛利率為47.8%，環比增加40個基點;預計 FQ3 收入將環 比繼續增長几個百分點，利潤率目標為 48%。
從市場空間看，CREE 碳化硅、氮化鎵下游目標市場均有高速成長的趨勢，根據 CREE 在 2018 年 2 月投資者日公佈的相關數據，在碳化硅功率、氮化鎵射頻、碳化硅材料三大市 場，2017 年合計規模為 7.42 億美元，2022 年 CREE 可服務市場規模為73.22美元，5 年有望增長近乎 10 倍。
從市場份額看，CREE 均佔據領先地位，2017 年，碳化硅功率分立器件市場規模約為3億美元，CREE 佔比 26%;碳化硅晶圓市場規模約為 8000 萬美元，CREE 佔比 52%。兩 大領域份額均居首位。
2019年 3 月 15 日，CREE 宣佈出售其照明產品業務部門(Cree Lighting)給 IDEAL INDUSTRIES，其中包括面向商業、工業及消費者的 LED 照明燈具、光源和照明解決方 案業務。該交易稅前價約為 3.1億美元(約合人民幣 20.8 億元)。出售照明業務部門 符合公司戰略，有助於為 Wolfspeed 半導體業務提供增長資本，預計公司資本配臵將優 先用於 wolfspeed 業務，進一步增強公司在碳化硅、氮化鎵領域的競爭力。
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（報告來源：國盛證券；分析師：鄭震湘、佘凌星、徐斌毅 ）
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