化合物半导体材料深度报告：3年规模翻7倍，统治 5G、IoT时代
化合物半导体， 5G、IoT时代的半导体C位材料。
随着 5G、IoT 物联网时代的来临，以砷化镓（GaAs）、氮化镓（GaN）、碳化硅（SiC）为代表的化合物半导体市场有望快速崛起。 其中，GaAs 是手机 PA和 Switch 的主流材料，在 5G 时代仍占有重要地位，据集邦咨询预测，2023 年中国手机砷化镓 PA 市场规模达到 57.27 亿美元。再者，以 VCSEL 为代表的光电器件可用于 3D 感知、LiDAR 等新应用场景，未来亦将成为 GaAs 增长新的驱动力。
GaN 高频性能突出，是 5G基站与数据中心器件的关键材料，并有望率先在快充领域大放异彩，Yole 预计 2023 年全球 GaN 功率器件市场规模将达到 13 亿美元。此外，5G 终端大用量规模与技术创新将为 GaN 射频前端带来红利，Yole 预计到 2025 年，GaN 射频器件将以 55%的占有率取代当前硅基 LDMOS 第一的市场地位。
目前 SiC 主要应用于新能源汽车及其配套充电桩等大功率场景，根据 IHS Markit 数据，2019 年 SiC 功率器件市场规模约 6.1 亿美元，受新能源汽车等领域快速崛起与光伏发电等“新基建”项目的需求驱动，2025 年 SiC 功率器件的市场规模将达到 30 亿美元，年均复合增速达到 30.4%。
01.
空间不断拓展，化合物半导体大有可为
半导体材料是半导体产业链上游中的重要组成部分，在集成电路、分立器件等半导体产品生产制造中起到关键性的作用。半导体材料可以根据半导体产品制造过程分为制造材料和封装材料，其中制造材料主要是制造硅晶圆半导体、砷化镓、氮化镓、碳化硅等化合物半导体的芯片过程中所需的各类材料，封装材料则是将制得的芯片在封装切割过程中所用到的材料。
2015 年至 2019 年，全球半导体制造材料销售规模由 240 亿美元增长到 293 亿美元，年均复合增长率 5.11%。未来，在半导体芯片工艺升级、芯片尺寸持续小型化，以及全球硅材料、化合物半导体材料的品种和性能不断迭代升级的影响下，半导体制造材料在材料销售规模的占比预计将持续提高。
▲2015-2019 年全球半导体材料销售规模
▲半导体材料特性对比
半导体衬底材料包括硅材料和 GaAs、SiC、GaN 等化合物半导体材料。凭借成熟制程及较低成本的优势，第一代硅质半导体材料制作的元器件已成为了电子电力设备中不可或缺的组成部分，硅也是目前技术最成熟、使用范围最广、市场占比最大的衬底材料。但硅质半导体材料受限于自身性能，无法在高温、高频、高压等环境中使用，化合物半导体材料因此崭露头角。
化合物半导体材料拥有高电子迁移率、直接能隙与宽能带等特性，恰好符合半导体产业发展所需，随着材制备技术与下游应用市场的成熟，以 GaAs、SiC、GaN 为代表的化合物半导体衬底材料市场空间不断拓展。
▲化合物半导体器件应用场景
现阶段，全球 95%以上的半导体芯片和器件是用硅片作为基础功能材料而生产的。硅片占整个半导体材料市场的 35%左右，市场空间约为 80 亿美元，硅基芯片市场规模高达 4000 多亿美元。然而，随着物联网、5G 时代的到来，以砷化镓（GaAs）、氮化镓（GaN）、碳化硅（SiC）等为代表的化合物半导体正快速崛起中。 据半导体行业观察的数据，2018 年 GaAs、GaN 与 SiC 的产业销售额分别约为 3500 亿元、238 亿元和 64 亿元，化合物半导体的市场规模在不断扩大。
国内第三代半导体器件市场拥有巨大增长空间，倒逼上游材料端发展。据赛迪顾问统计，2019 年国内第三代半导体器件市场规模达到 86.29 亿元，增长率为99.7%，到 2022 年，中国第三代半导体器件市场规模有望冲破 608.21 亿元，增长率为 78.4%。 第三代半导体器件广泛应用于“新基建”项目，也是实现“碳中和“的重要路径。国内在 5G 通讯、新能源等新兴产业的技术水平、产业化规模等方面处于国际优势地位，下游应用需求强劲将促进国内上游半导体行业的持续发展，进一步提高半导体企业在国际市场的影响力。
▲2018 年三大主要化合物半导体产业销售额
▲中国第三代半导体器件市场规模增长空间巨大
第三代半导体行业是国内“新基建”战略的重要组成部分，有望引发科技变革并重塑国际半导体产业格局。“十三五”期间，国家科技部通过“国家重点研发计划”支持了第三代半导体发展，国家 2030 计划和“十四五”国家研发计划也已明确提出第三代半导体是重要发展方向，涉及第三代半导体产业的各研发项目均按照进度要求完成启动等工作，项目部署涵盖电力电子、微波射频和光电应用多个领域，紧贴产业发展实际需求和进程，在新能源汽车应用、电网应用前沿研究、光伏逆变器、小型化电源、农业应用、健康医疗应用、光通讯、紫外应用、激光应用、智慧照明等多个热点发挥了引导作用。
▲国家重点研发计划 2020 年度立项项目清单（第三代半导体相关）
目前，国内对于第三代半导体材料的投资热情势头不减。据 CASA Research 不完全统计，2020 年共 24 笔投资扩产项目（2019 年 17 笔），已披露的投资扩产金额达到 694 亿元（不含 GaN 光电子），较 2019 年同比增长 161%。分材料看，SiC 投资 17 笔，涉及金额 550 亿元；GaN 投资 7 笔，涉及金额 144 亿元。分环节看，衬底环节投资 12 笔（主要为 SiC 衬底），涉及金额 175 亿元；器件/模块环节投资 15 笔，涉及金额 520 亿元。在国家政策大力支持与“新基建”的引领下，第三代半导体产业将成为未来半导体产业发展的重要引擎。
02.
GaAs：立足射频前端应用
作为第二代半导体材料的代表，GaAs 具有宽禁带、高频、高压、抗辐射、耐高温及发光效率高等特性，被广泛应用于移动通信、无线通信、光纤通信、LED、光伏、卫星导航等领域。在微电子领域，GaAs 广泛应用于微波通信射频、消费电子射频领域（PA 和 Switch）等；在光电子领域，GaAs 则用于 LED、激光VCSEL、太阳能等领域。
GaAs 产业链包括晶圆（衬底、外延片），芯片设计、晶圆代工、封测、下游应用等环节。GaAs 产业最上游为衬底制造，其次为关键材料 GaAs 外延片，具体工艺包括 MOCVD（有机金属化学气相沉积法）及 MBE（分子束磊晶法）GaAs磊晶技术；中游为晶圆制造及封测等；下游则为手机、无线区域网路制造厂以及无线射频系统商等，整个产业链除晶圆制造外，设计与先进技术主要仍掌握在国际 IDM 大厂中。
▲GaAs 产业链及主要企业
从 GaAs 产品来看，GaAs 产品以手机射频 PA 为主。受到中美贸易摩擦及新冠肺炎疫情影响，基于 GaAs的射频器件市场受到不小震荡。据集邦咨询数据，2020年全球 GaAs 射频器件市场规模为 65.80 亿美元，较 2019 年有小幅下滑。
2012-2018 年，中国 GaAs 元器件市场经历了快速增长期。中国作为电子信息制造业大国，下游应用市场广阔。前瞻产业研究院预计，2019-2024 年，中国GaAs 元器件市场 CAGR 在 15%左右，增速高于全球市场同期增速，中国市场规模占全球比重将进一步提升。到 2024 年，中国 GaAs 元器件市场规模将达到551.3 亿元。
▲2020 年全球 GaAs 射频器件市场规模小幅下滑
▲ 2019-2024 年中国 GaAs 元器件市场规模
GaAs 衬底的下游应用主要应用于射频（47%）、LED（42%）、激光二极管（10%）三大领域。其中，以半绝缘型 GaAs 为主的射频应用占比最高，主要应用于手机 PA、Switch、基站射频等方面；其次为 LED，以半导体型 GaAs 材料为主。据Yole Development 统计，GaAs 晶圆的整体市场规模将从 2019 年的 2 亿美元增长到 2025 年的超过 3.48 亿美元，复合年增长率为 10%。
▲GaAs 衬底各类应用占比
▲ 2019-2025 年 GaAs 晶圆市场规模应用拆分
手机市场已成为GaAs器件发展的一大动力。4G时代手机端PA的工艺以CMOS和 GaAs 为主。由于 5G 通讯对频率、功率与效率的要求更高，对 PA 的性能要求也相应提高。GaAs 的高线性度和高输出功率特性满足 5G 设备对低延迟超高速的需求，使 GaAs 成为射频前端模组中 PA 材料的理想选择。
同时，5G 技术对 PA 的需求量至少是 4G 对 PA 的需求量的 2 倍，从而增加了 RF 前端的总功率放大器面积和功率放大器数量，带动 GaAs 晶圆和芯片的出货量增加。
5G 时代 GaAs 仍将主导智能手机 PA 市场。在过去的几年中，RF 一直作为 GaAs晶圆市场的成长驱动力。据 Yole Development 数据，2019 年 RF 占 GaAs 晶圆市场总量的 33%和市场价值的 37%，占 GaAs 外延片市场的 67%。5G 时代 sub6GHz 频段中，GaAs HBT 仍是 PA 的最重要的技术；5G 新增毫米波频段，GaAspHEMT 则为重要的技术路线。
据 Yole Development 估计，射频 GaAs 芯片市场规模将从 2019 年的 28 亿美元左右增长至 2025 年的 36 亿美元以上。由于在5G 时代单部手机中 PA 的数量和单价都比 4G 时代有大幅的提升，据集邦咨询预测，中国手机 GaAs PA 市场将从 2019 年的 18.76 亿美元增长到 2023 年的57.27 亿美元，年复合增长率达到 19.17%。
▲智能手机 PA 主导 GaAs 芯片市场（百万美元）
▲中国智能手机 GaAs PA 市场规模持续增长
以 VCSEL 为代表的光电子领域将成为 GaAs 增长的驱动力之一。VCSEL 是一种化合物半导体激光器，可用作光纤通信和自由空间光通信的发射器。与传统发射激光器相比，VCSEL 具有较小的原场发散角、调制频率高且易于实现大规模阵列及光电集成等优点，广泛应用于光通信、3D 传感、面部识别、车载激光雷达等场景，且短期内不易被其他技术取代。随着手机 3D 面部感应渗透率提高、大容量光纤通信激光器的需求拉动，据 Yole Development 统计数据，全球VCSEL的市场规模将从2020年的11亿美元增长至2025年的27亿美元，CAGR达 18.4%。
▲2020-2025 年 VCSEL 市场 CAGR 达 18.4%
移动和消费领域的 3D 应用蓬勃发展。2017 年以前 VCSEL 市场主要由数据通信应用驱动。自苹果率先将 VCSEL 解决方案应用于 iPhone 的 Face ID 模块之后，VCSEL 市场驱动力逐渐被 3D 传感所取代。2017 年，iPhone 中共装配了4100 万件 VCSEL，2020 预期将有超过 3.25 亿件 VCSEL 被安装在 iPhone 中。
安卓系厂商也在其智能手机的正面应用 3D 传感模块进行人脸识别。除人脸识别功能外，3D 传感也被应用于后置摄像头以满足摄像功能提升的需求。YoleDevelopment 统计显示，2020 年移动设备中的 3D 传感约占 VCSEL 总市场规模的 75%，预计 2025 年达到 21 亿美元的规模。从竞争格局来看，Lumentum 作为苹果的主要供应商，2020 年市占率达 68%，具有明显领先地位。
▲消费电子领域的 3D 传感占总规模的 75%
▲ 2019 年 VSCEL 市场竞争格局
目前，GaAs 产业链环节以欧美、日本和台湾厂商为主导。从 GaAs 外延片生产环节来看，根据 Strategy Analytics 数据，前四大 GaAs 外延片厂商为英国厂商 IQE、台湾地区厂商全新光电、日本厂商住友化学与台系厂商英特磊，分别占市场的 54%、25%、13%、6%，CR4 高达 98%。在 GaAs 晶圆制造环节，台系代工厂稳懋一家独大，占据了 GaAs 晶圆代工市场的 71%份额，其次为台湾地区的宏捷（9%）与美国的 GCS（8%）。
▲全球 GaAs 衬底材料市场格局
▲全球 GaAs 晶圆制造（IDM+代工）格局
从竞争格局来看，GaAs 器件市场参与者较多，多为美国、日本与台系厂商，其中美国厂商占据前三地位，Skyworks 以 30.7%的市占率成为行业领导者，其次为 Qorvo（28%）与 Avago（7.4%）。中国企业起步晚，在产业链中话语权较弱。
从全球 GaAs 晶圆代工角度看，据 Strategy Analytics 数据，全球 GaAs 器件市场主要参与者中，美国企业占全球市场份额的 75%，占有明显优势。从 GaAs晶圆代工格局来看，台系厂商稳懋占龙头地位，市场份额达 72.7%，GCS 以约8.4%的市占率居于第二。
▲GaAs 器件（PA 为主）市场格局
▲全球 GaAs 晶圆代工格局
03.
GaN：5G器件关键材料
氮化镓（GaN）是由氮和镓组成的一种半导体材料，因为其禁带宽度大于 2.2eV，故被称为宽禁带半导体材料。GaN 材料作为微波功率晶体管的优良材料与蓝色光发光器件中的一种具有重要应用价值的半导体，是目前全球半导体研究的前沿和热点。
与传统半导体材料硅相比，由于 GaN 禁带宽度是硅的 3-4 倍、热导率是硅的 2 倍，使得 GaN 器件可在 300℃以上的高温下工作，能够承载更高的能量密度，可靠性更高；其击穿场强比硅高 10 倍，使得器件导通电阻减少，有利于提升器件整体的能效；饱和电子迁移速度是硅的 2-4 倍，因此允许器件更高速地工作。GaN 器件在光电子、高温大功率器件和高频微波器件应用方面有着广阔的前景。
▲GaN 优异特性
GaN 外延片可分为同质外延片与异质外延片。在 GaN 单晶衬底上生长的 GaN为同质外延片，以 GaN 单晶材料作为衬底可以大大提高外延膜的晶体质量，降低错位密度，提高器件工作寿命。但由于 GaN 材料硬度高，熔点高，衬底制作难度高，位错缺陷密度较高导致良率低，技术进步缓慢。因此 GaN 晶圆的成本仍然居高不下，GaN 厚膜衬底的应用受到限制。
除了同质外延片外，GaN 还可以生长在其他衬底材料上，称之为异质外延片。目前常用的衬底材料包括蓝宝石、SiC、硅与金刚石。其中蓝宝石 GaN 只能用来做 LED；硅基 GaN（GaN on Si）可以做功率器件和小功率的射频器件；碳化硅基 GaN（GaN on SiC）可以制造大功率 LED、功率器件和大功率射频芯片。GaN on SiC 和 GaN on Si 是未来的主流技术方向。
▲GaN 优异特性
GaN 器件产业链各环节依次为：衬底、材料外延、器件设计与制造及下游应用。目前产业以 IDM 企业为主，但是设计与制造环节已经开始出现分工。在上游衬底方面，GaN 衬底大部分由日本公司生产，包括住友电工、三菱化学等。其中，住友电工的市场份额已经超过 90%。GaN 外延片相关企业主要有比利时的EpiGaN、英国的 IQE、日本的 NTT-AT。GaN 器件设计厂商方面，美国的 EPC、MACOM、Transphom，德国的 Dialog 等为主要参与者。IDM企业中日本的住友电工与美国的 Cree 为行业龙头，市场占有率均超过 30%。
▲GaN 器件产业链及主要企业
亚太地区占据了全球 GaN 衬底市场的主要份额。2019 年亚太地区占全球 GaN衬底市场的 36.34%。由于 GaN 终端应用日益普及，Transparency MarketResearch 预计，2019 至 2027 年亚太地区将继续占据主导地位。除亚太地区外，北美与欧洲地区也成为GaN衬底的重要市场，2019年分别占有28.18%、23.94%的市场份额，GaN 在汽车行业中应用为北美与欧洲两个地区的 GaN 市场提供了巨大的机遇。
在应用领域方面，目前 GaN 主要应用于射频器件和电力电子器件的制造。2019年，射频 GaN 的市场规模占 GaN 器件整体规模的比重达 91%，电力电子 GaN 市场规模仅占 9%。2019 年国内 GaN 产业实现高速增长。据 CASA 初步统计，2019 年国内 GaN 微波射频产值规模近 38 亿元，同比增长 74%。未来随着 5G商用的扩大，现行厂商将进一步由原先的 4G 设备更新至 5G。5G 基站的布建密度高于 4G，而基站内部使用的材料多为 GaN 材料，赛迪顾问预计，到 2022 年国内 GaN 衬底市场规模将达到 5.67 亿元。
▲2019 年 GaN 市场份额（按地区）
▲国内 GaN 微波射频产业产值持续上升
GaN 作为第三代半导体材料，有更高的禁带宽度，是迄今理论上电光、光电转换效率最高的材料体系，下游应用包括微波射频器件（通信基站等），电力电子器件（电源等），光电器件（LED 照明、激光等），其中光电器件仍是 GaN 的主要应用方向。目前 GaN 器件多应用于军工电子，如军事通讯、电子干扰、雷达等领域；在民用领域，GaN 主要被应用于通讯基站、功率器件等领域。
据 YoleDevelopment 数据，2019 年全球 GaN 功率器件市场规模为 1996.4 万美元，预计 GaN 市场将在 2025 年达到 6.8 亿美元以上，CAGR 高达 80.04%。随着 5G时代的到来，5G 基站与数据中心的建设将大幅度带动 GaN 射频与功率器件市场，GaN 在快充等电源控制方面的应用也成为的新的需求增长点。
▲2019 年国内 GaN 行业需求分布
▲ 2025 年全球 GaN 功率器件规模达 6.8 亿美元
5G 终端蓄势待发，大用量规模与技术创新为射频前端带来红利。2020 年，5G已经进入商用部署的快车道。IDC 预计 2020 年，中国 5G 连接终端用户将超过2 亿，VR/AR 等虚拟现实市场也将在未来三年呈现爆发增长的态势。Qorvo 表示在未来 10 年内，5G 终端将会成为手机产业中发展最快的部分。
5G 需要满足行业海量物联网设备的通信需求。在人与人的连接场景之外，连接技术与行业数字化场景的融合也将成为 5G 通信发展的新机遇。IDC 预测，到 2024 年全球物联网的联接量将接近 650 亿，是手机联接量的 11.4 倍，以 5G 为代表的蜂窝物联网技术将发挥重要作用。
5G 时代 GaN 射频市场占比进一步上升，未来将不断占领 LDMOS 市场空间。5G 时代高速增长的数据流量使得调制解调难度不断增加，需要的频段越来越多，对射频前端器件的性能要求也越来越高。目前在射频前端应用中，硅基 LDMOS器件和 GaAs 仍是主流器件。通常来说，LDMOS 适用于 3.5GHz 以下的应用，GaAs 适用于 40GHz 以下的场景，但器件尺寸较大。GaN 在高频环境下能够保持高功率输出，可以有效减少晶体管的数量，从而缩小器件尺寸。
从电压角度来看，LDMOS 的工作电压约为 6V，GaAs 为 10V，GaN 可以工作于 28V 或更高的电压，工作性能优于 LDMOS 与 GaAs，潜在市场空间巨大。据 YoleDevelopment 数据，2015 年射频功率放大器市场中，LDMOS 市场有率为第一，占比约为 50%，GaN 射频器件约占 20%，预计到 2025 年，GaN 射频器件将以55%的占有率取代 LDMOS 第一的市场地位，LDMOS 市场占有率则下降至11.8%。GaN 发展势头良好，5G 时代中 GaN 射频器件的市场占比将进一步上升。
▲2019-2024 年全球连接规模预测
5G 基站射频系统非常复杂，GaN 器件的小尺寸、高效率和大功率密度等特点可实现高集化的解决方案。5G 射频系统需要使用高载波频率和宽频带的新技术，包括载波聚合、Massive MIMO 等，GaN 在性能、体积、重量以及效率等方面具备独特优势，使其成为高射频、大功耗应用的技术首选。
以 Qorvo 的 MIMO天线为例，与锗化硅基 MIMO 天线相比，GaN 基 MIMO 天线功耗降低了 40%，裸片面积减少 94%，成本降低 80%。据 Qorvo 数据显示，2022 年全球用于Sub-6GHz 频段的 M-MIMO PA 器件年复合增长率将达到 135%，用于 5G 毫米波频段的射频前端模块年复合增长率将达到 119%。
▲GaN 在基站应用中的市场规模（亿美元）
通信基站应用领域中，GaN 是未来最具增长潜质的第三代半导体材料之一。5G基站是“新基建”重要组成部分之一，根据工信部的数据，截至 2020 年底国内已建成全球最大 5G 网络，累计建成 5G 基站 71.8 万个，推动共建共享 5G 基站33 万个。宏基站建设将会拉动基站端 GaN 射频器件的需求量。
由于 5G 基站天线采用 Massive MIMO 技术，天线和 RRU（射频拉远单元）合设，组成 AAU。假设 Massive MIMO 天线为 64T64R，则单个宏基站天线数量为 192 个，放大器数量为 192 个。考虑到 5G 基站的建设周期，拓墣产业研究院预计到 2023 年基站端 GaN 射频器件规模达到顶峰，达到 112.6 亿元。
▲中国 5G 宏基站 PA 市场测算
▲2019-2024 年宏基站 PA 使用量预测
▲ 2019-2024 年基站端 GaN 射频器件规模及预测
5G 小基站布局带动 GaN 射频器件规模增大。5G 的高传输速度和广覆盖将需要搭建更多更复杂的基站，大量的毫米波微基站、Sub-6GHz 微基站对于 GaN 器件的需求也将大幅提升。由于小基站不能对宏基站造成干扰，故频率较宏基站更高，GaN 射频器件成为不二之选。
据赛迪智库测算数据，中国 5G 网络小基站需求约为宏基站的 2 倍，即需要 1000 万站小基站。按照每个小基站需要 2 个放大器，小基站建设进度落后宏基站 1 年测算，拓墣产业研究院预计，到 2024 年基站端 GaN 射频器件规模达到峰值，市场规模可达 9.4 亿元。
▲中国 5G 小基站 GaN 射频器件市场规模预测
▲中国 5G 小基站 PA 市场测算
数据中心电源效率要求提升，GaN 的市场前景明朗。随着网络、云计算的发展，新物联网设备和边缘计算需求的激增，数据中心重要程度逐渐凸显。受新冠疫情影响，Gartner 调查显示，2020 年数据中心基础设施支出同比下降了 10.3%，约 60%的新数据中心设施建设受阻。但疫情导致的远程工作比例提高，实际上数据中心处理的数据量有大幅增长，能源效率与功率、数据密度的需求持续提升。
GaN 技术使得电源体积进一步缩小，从而允许在同一机架空间中添加更多的存储和内存，并使数据中心的功率密度由 30 瓦/立方英寸提升至 50-60 瓦/立方英寸甚至更高，即无需实际构建更多的数据中心即可增加数据中心的容量。2023年欧盟将提高对数据中心电源效率的要求，将进一步促进 GaN 在数据中心中的使用。Gartner 预计 2021 年全球最终用户数据中心基础设施支出将以 6%的增速达到 2000 亿美元。
▲2019-2021 年全球数据中心基础设施支出金额
GaN 电源市场成长动力十足。随着多端口适配器的兴起，OEM 厂商将推出更多GaN 充电器。凭借设备设计、性能等要求的提高，GaN 充电器满足了便携、快充等不断发展的客户需求，并逐渐转变为主流标准。从技术角度分析，采用 GaN技术的充电器外形尺寸可比传统的基于硅的充电器减少 30-50%，整体系统效率可提升至 95%，在相同尺寸和相同输出功率的情况下，充电器外壳温度将比传统充电器更低。
此外，GaN 充电器可以使用较小的变压器和较小的机械散热器，因此整体重量可减少 15-30%。Yole Development 预测，2019 年 GaN 电源目标市场约为 9000 万美元，2021 年将达到 1.6 亿美元，而在 2022 年将增长到 2.4亿美元。2020 年美国 CES 展会中，参展的 GaN 充电器数量已经多达 66 款，涵盖了 18W、30W、65W、100W 等多个功率段，GaN 充电器市场迎来爆发期。
▲2019-2022 年 GaN 电源市场营收增速较快
音频设备为 GaN 器件应用新亮点。音频是一个拥有众多细分市场的庞大的市场，从专业音响，家庭音响到便携音响的所有细分市场中，高质量音频均为首要评判标准。引入 GaN D 类放大器的音频系统能在不需要牺牲声音质量的前提下，以更小更轻的设计提供更多的功率和更多的通道，满足消费者市场对出色音质的追求。2020 年，GaN System 发布了一款为高音质 12V 音频系统开发的参考设计， 该参考设计有两个通道，每通道（8 欧姆负载）Class-D 音频放大器支持 200 瓦功率，允许 12V 电源升压到 18V 给音频系统供电，并支持+-32V 输出。
GaN 器件使用，在保证音质的前提下，将这款 400 瓦音频产品的成本和功率输出能力上做到了很好的平衡。Semiconductor Digest 认为，到 2021 年底，音频市场会有更多品牌配备 GaN 音频放大器和配套电源，对高质量音频的需求正在推动 D类音频放大器市场的增长。BCC Research 数据显示，全球 D 类音频放大器市场将从 2020 年的 24 亿美元增长到 2025 年的 35 亿美元，2020-2025 年 CAGR为 7.7%。
▲高质量音频的需求推动全球 D 类音频放大器市场
GaN 下游应用行业拥有大量的市场参与者。这些公司包括恩智浦、英飞凌、GaNSystem、Efficient Power、Qorvo、Cree 等。全球 GaN 市场的主要参与者通过在销售、市场和技术方面的密切合作显示出协同效应。
GaN 衬底供应商也通过与同行以及各种研究机构建立战略联盟来扩大规模，以建立自己在全球市场的参与者地位。意法半导体在 2018 年与 CEA-Leti 展开功率 GaN 合作，主要涉及常关型氮化镓 HEMT 和氮化镓二极管设计及研发，并于 2020 年 3 月收购法国 GaN创新企业 Exagan 公司的多数股权；2018 年，Cree 收购了英飞凌的 RF 部门成为了全球最大的 GaN 射频器件供应商；国内企业闻泰科技 2019 年以 268 亿元成功收购行业内唯一量产交付客户 GaN FET 产品的化合物功率半导体公司安世半导体，成为国内首家世界级 IDM 半导体公司。
▲GaN 射频器件市场格局
▲ GaN 功率器件市场集中度较低
04.
SiC：高温大功率材料首选
碳化硅（SiC）由硅元素与碳元素组成，是原子的复合体，其物理特性取决于晶体中碳、硅原子的排列结构，性能差异主要取决于硅和碳原子的相对数目，以及原子排列的不同结构。目前已发现的 SiC 同质异型晶体结构有 200 多种，其中六方结构的 4H 型 SiC（4H-SiC）具有高临界击穿电场、高电子迁移率的优势，是制造高压、高温、抗辐照功率半导体器件的优良半导体材料，也是目前综合性能最好、商品化程度较高、技术较为成熟的第三代半导体材料。
SiC 功率器件的研发始于 20 世纪 90 年代，目前已成为新型功率半导体器件研究开发的主流，产业链主要包含单晶材料、外延材料、器件、模块和应用这几个环节。SiC 单晶材料主要分为导通型衬底和半绝缘衬底两种。SiC 晶片通常作为衬底，可以通过化学气相沉积法（CVD），在晶片上淀积一层单晶形成外延片。
其中，在导电型 SiC 衬底上生长 SiC 外延层制得的 SiC 外延片，可进一步制成功率器件，并应用于新能源汽车、光伏发电、轨道交通、智能电网、航空航天等领域。在半绝缘型 SiC 衬底上生长 GaN 外延层制得的 SiC 基 GaN（GaN on SiC）外延片，可进一步制成微波射频器件，应用于 5G 通讯、雷达等领域。
与第一代半导体硅晶片类似，第三代半导体 SiC 晶片向大尺寸方向不断发展，不断提高下游对 SiC 片的利用率和生产效率。在 8 英寸 SiC 晶片尚未实现产业化的情况下，6 英寸 SiC 晶片将成为市场主流产品。导通型 SiC 衬底材料方面，作为制造 SiC 功率半导体器件的基材，根据 Yole Development 统计，2017 年 4英寸导通型 SiC 晶圆市场接近 10 万片；6 英寸导通型 SiC 晶圆供货约 1.5 万片；预计到 2020 年，4 英寸导通型 SiC 晶圆的市场需求保持在 10 万片左右，单价将降低 25%；6 英寸导通型 SiC 晶圆的市场需求将超过 8 万片。
半绝缘型 SiC衬底方面，当前主流半绝缘衬底的产品以 4 英寸为主。Yole Development 预计，到 2020 年，4 英寸半绝缘衬底的市场保持在 4 万片，而 6 英寸半绝缘衬底的市场迅速提升至 4-5 万片；2025-2030 年，4 英寸半绝缘衬底逐渐退出市场，而 6英寸晶圆将增长至 20 万片。
▲全球导通型 SiC 晶圆材料市场预估
▲全球半绝缘 SiC 晶圆材料市场预估
全球 SiC 市场规模不断扩大，美国企业处于龙头地位。根据 IHS Markit 数据，2019 年 SiC 功率器件市场规模约 6.1 亿美元，受新能源汽车等领域较大需求的驱动，2025 年全球 SiC 功率器件的市场规模将达到 30 亿美元，年均复合增速达到 30.4%。
▲SiC 电子电力器件产业链相关厂商
▲全球 SiC 市场规模不断扩大
国内 SiC 产品主要依赖进口，国产替代方向明确。国内 SiC 晶体、晶片领域的研究从 20 世纪 90 年代末开始起步，在行业发展初期受到技术水平和产能规模的限制，未进入工业化生产。进入 21 世纪以来，在国家产业政策的支持和引导下，国内 SiC 晶片产业发展大幅提速。据智研咨询数据显示，2018 年国内 SiC单晶片行业市场规模为 34.09 亿元，较 2017 年的 34.15 亿元小幅下滑 0.18%。
目前国内 SiC 产品 80%左右依赖进口，国产替代空间较大。以天科合达为代表的第三代半导体材料制造企业经过十余年的自主研发，实现了设备研制、原料合成、晶体生长、晶体切割、晶片加工、清洗检测的全流程自主可控，有能力为下游外延器件厂商稳定提供高品质 SiC 晶片，为 SiC 下游厂商实现进口替代提供了条件。未来伴随国内新能源汽车、5G 通讯、光伏发电、轨道交通、智能电网、 航空航天等行业的快速发展，国内 SiC 材料产业规模和产业技术将得到进一步提升。
▲2018 年中国 SiC 单晶片市场规模小幅下降
▲ 国内 SiC 产品 80%左右依赖进口
与 GaN 相比，SiC 拥有更高的热导率和更成熟的技术，适用于 1200V 以上的高温大电力领域，多制作用于高压、高温、高频、高抗辐射的大功率器件，在新能源汽车、新能源发电、轨道交通、航天航空、国防军工等极端环境的应用有着不可替代的优势。根据 Yole Development 的数据，2017-2023 年 SiC 功率器件的CAGR 将超过 30%，新能源汽车和充电设施是其中增长最快的两个应用场景。
▲SiC 功率器件各应用市场规模（亿美元）
新能源汽车领域是 SiC 功率器件应用推广的主要驱动力。SiC 大量运用在DC-DC 转换器、牵引逆变器、车载充电器等方面。随着电动汽车市场的扩大，SiC 功率半导体市场需求激增，据 Yole Development 数据显示，2018 年，新能源汽车细分领域中 SiC 市场规模约为 1.13 亿美元，预计 2024 年 SiC 市场规模达到 9.46 亿美元，年均复合增长率达到 29%。
2019 年，全球新能源汽车 SiC 二极管和晶体管市场规模 2600 万美元，预计 2021 年市场规模达到 5700 万美元。DIGITIMES Research 预计到 2025 年，电动汽车用 SiC 功率半导体将占SiC 功率半导体总市场的 37%以上，高于 2021 年的 25%。
▲2018-2024 年新能源汽车 SiC 市场规模
▲新能源汽车 SiC 二极管、晶体管市场规模
在光伏发电应用中，基于硅基器件的传统逆变器成本约占系统 10%左右，却是系统能量损耗的主要来源之一。使用 SiC MOSFET 或 SiC MOSFET+SiC SBD 的功率模块的光伏逆变器，能使转换效率 从 96%提升至 99%以上，能量损耗降低 50%以上，设备循环寿命提升 50 倍，从而缩小系统体积、增加功率密度、延长器件使用寿命、降低生产成本。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。在组串式和集中式光伏逆变器中，SiC 产品预计会逐渐替代硅基器件。
目前，全球 SiC 半导体产品中，70%-80%来自美国公司。以导电型产品为例，据 Yole Development 统计，美国占有全球 SiC 晶片产量的 70%以上，仅 Cree公司就占据一半以上市场额，剩余份额大部分被日本和欧洲的其他 SiC 企业占领；欧洲在 SiC 衬底、外延、器件以及应用方面拥有完整的产业链；日本是设备和模块开发方面的领先者。近年 SiC 器件行业市场规模高速增长，国外企业占据的市场份额较大。据CASA统计，全球SiC器件领域主要玩家包括Infineon、Cree、Rohm、ST，四家合计占据 90%的市场份额。
▲导电型 SiC 晶片厂商市场占有率
来源：智东西、华西证券
一文看懂化合物半导体，机会在哪里？
来源：内容来自「国盛电子团队」，作者：湘评科技，谢谢。
半导体材料可分为单质半导体及化合物半导体两类，前者如硅（Si）、锗(Ge）等所形成的半导体，后者为砷化镓（GaAs）、氮化镓（GaN）、碳化硅（SiC）等化合物形成。半导体在过去主要经历了三代变化，砷化镓（GaAs）、氮化镓（GaN）和碳化硅（SiC）半导体分别作为第二代和第三代半导体的代表，相比第一代半导体高频性能、高温性能优异很多，制造成本更为高昂，可谓是半导体中的新贵。
三大化合物半导体材料中，GaAs占大头，主要用于通讯领域，全球市场容量接近百亿美元， 主要受益通信射频芯片尤其是PA升级驱动；GaN大功率、高频性能更出色，主要应用于军事领域，目前市场容量不到10亿美元，随着成本下降有望迎来广泛应用；SiC主要作为高功率半导体材料应用于汽车以及工业电力电子，在大功率转换应用中具有巨大的优势。
超越摩尔： 光学、射频、功率等模拟IC持续发展
摩尔定律放缓，集成电路发展分化。 现在集成电路的发展主要有两个反向：More Moore （深度摩尔）和More than Moore （超越摩尔）。摩尔定律是指集成电路大概18个月的时间里，在同样的面积上，晶体管数量会增加一倍，但是价格下降一半。但是在28nm时遇到了阻碍，其晶体管数量虽然增加一倍，但是价格没有下降一半。More Moore （深度摩尔）是指继续提升制程节点技术，进入后摩尔时期。与此同时，More than Moore （超越摩尔）被人们提出，此方案以实现更多应用为导向，专注于在单片IC上加入越来越多的功能。
模拟IC更适合在More than Moore （超越摩尔）道路。 先进制程与高集成度可以使数字IC具有更好的性能和更低的成本，但是这不适用于模拟IC。射频电路等模拟电路往往需要使用大尺寸电感，先进制程的集成度影响并不大，同时还会使得成本升高；先进制程往往用于低功耗环境，但是射频、电源等模拟IC会用于高频、高功耗领域，先进制程对性能甚至有负面影响；低电源和电压下模拟电路的线性度也难以保证。PA主要技术是GaAs，而开关主要技术是SOI，More than Moore （超越摩尔）可以实现使用不同技术和工艺的组合，为模拟IC的进一步发展提供了道路。
第三代半导体适应更多应用场景。 硅基半导体具有耐高温、抗辐射性能好、制作方便、稳定性好。可靠度高等特点，使得99%以上集成电路都是以硅为材料制作的。但是硅基半导体不适合在高频、高功率领域使用。2G、3G 和 4G等时代PA主要材料是 GaAs，但是进入5G时代以后，主要材料是GaN。5G的频率较高，其跳跃式的反射特性使其传输距离较短。由于毫米波对于功率的要求非常高，而GaN具有体积小功率大的特性，是目前最适合5G时代的PA材料。SiC和GaN等第三代半导体将更能适应未来的应用需求。
模拟IC关注电压电流控制、失真率、功耗、可靠性和稳定性，设计者需要考虑各种元器件对模拟电路性能的影响，设计难度较高。 数字电路追求运算速度与成本，多采用CMOS工艺，多年来一直沿着摩尔定律发展，不断采用地更高效率的算法来处理数字信号，或者利用新工艺提高集成度降低成本。而过高的工艺节点技术往往不利于实现模拟IC实现低失真和高信噪比或者输出高电压或者大电流来驱动其他元件的要求，因此模拟IC对节点演进需求相对较低远大于数字IC。模拟芯片的生命周期也较长，一般长达10年及以上，如仙童公司在1968年推出的运放μA741卖了近五十年还有客户在用。
目前数字IC多采用CMOS工艺，而模拟IC采用的工艺种类较多，不受摩尔定律束缚。 模拟IC的制造工艺有Bipolar工艺、CMOS工艺和BiCMOS工艺。在高频领域，SiGe工艺、GaAs工艺和SOI工艺还可以与Bipolar和BiCMOS工艺结合，实现更优异的性能。而在功率领域，SOI工艺和BCD（BiCMOS基础上集成DMOS等功率器件）工艺也有更好的表现。模拟IC应用广泛，使用环节也各不相同，因此制造工艺也会相应变化。
砷化镓（GaAs）： 无线通信核心材料，受益5G大趋势
相较于第一代硅半导体，砷化镓具有高频、抗辐射、耐高温的特性，因此广泛应用在主流的商用无线通信、光通讯以及国防军工用途上。 无线通信的普及与硅在高频特性上的限制共同催生砷化镓材料脱颖而出，在无线通讯领域得到大规模应用。
基带和射频模块是完成3/4/5G蜂窝通讯功能的核心部件。射频模块一般由收发器和前端模组（PA、Switch、Filter）组成。其中砷化镓目前已经成为PA和Switch的主流材料。
4G/5G频段持续提升，驱动PA用量增长。 由于单颗PA芯片仅能处理固定频段的信号，所以蜂窝通讯频段的增加会显著提升智能手机单机PA消耗量。随着4G通讯的普及，移动通讯的频段由2010年的6个急速扩张到43个，5G时代更有有望提升至60以上。目前主流4G通信采用5频13模，平均使用7颗PA，4个射频开关器。
目前砷化镓龙头企业仍以IDM模式为主，包括美国Skyworks、Qorvo、Broadcom/Avago、Cree、德国Infineon等。 同时我们也注意到产业发展模式开始逐渐由IDM模式转为设计+代工生产，典型事件为代工比例持续提升、avago去年将科罗拉多厂出售给稳懋等。我们认为GaAs衬底和器件技术不断成熟和标准化，产品多样化、器件设计的价值显著，设计+制造的分工模式开始增加。
从Yole Development等第三方研究机构估算来看，2017年全球用于PA的GaAs 器件市场规模达到80-90亿美元， 大部分的市场份额集中于Skyworks、Qorvo、Avago 三大巨头。预计随着通信升级未来两年有望正式超过100亿美元。
同时应用市场决定无需60 nm线宽以下先进制程工艺，不追求最先进制程工艺是另外一个特点。化合物半导体面向射频、高电压大功率、光电子等领域，无需先进工艺。 GaAs和GaN器件以0.13、0.18μm以上工艺为主。Qorvo正在进行90nm工艺研发。此外由于受GaAs和SiC衬底尺寸限制，目前生产线基本全为4英寸和6英寸。以Qorvo为例，我们统计下来氮化镓制程基本线宽在0.25-0.50um，生产线以4英寸为主。
氮化镓&碳化硅： 高压高频优势显著
氮化镓(GaN)和碳化硅(SiC)并称为第三代半导体材料的双雄，由于性能不同，二者的应用领域也不相同。 由于氮化镓具有禁带宽度大、击穿电场高、饱和电子速率大、热导率高、化学性质稳定和抗辐射能力强等优点，成为高温、高频、大功率微波器件的首选材料之一。
氮化镓： 5G时代来临，射频应用前景广阔
目前氮化镓器件有三分之二应用于军工电子，如军事通讯、电子干扰、雷达等领域；在民用领域，氮化镓主要被应用于通讯基站、功率器件等领域。 氮化镓基站PA的功放效率较其他材料更高，因而能节省大量电能，且其可以几乎覆盖无线通讯的所有频段，功率密度大，能够减少基站体积和质量。
特色工艺代工厂崛起，分工大势所趋。 全球半导体分为IDM(Integrated Device Manufacture，集成电路制造)模式和垂直分工模式两种商业模式，老牌大厂由于历史原因，多为IDM模式。随着集成电路技术演进，摩尔定律逼近极限，各环节技术、资金壁垒日渐提高，传统IDM模式弊端凸显，新锐厂商多选择Fabless（无晶圆厂）模式，轻装追赶。同时英飞凌、TI、AMD等老牌大厂也逐渐将全部或部分制造、封测环节外包，转向Fab-Lite（轻晶圆厂）甚至Fabless模式。
氮化镓射频器件高速成长，复合增速23%，下游市场结构整体保持稳定。 研究机构Yole Development数据显示，2017年氮化镓射频市场规模为3.8亿美元，将于2023年增长至13亿美元，复合增速为22.9%。下游应用结构整体保持稳定，以通讯与军工为主，二者合计占比约为80%。
碳化硅： 功率器件核心材料，新能源汽车驱动成长
SiC主要用于大功率高频功率器件。 以SiC为材料的二极管、MOSFET、IGBT等器件未来有望在汽车电子领域取代Si。目前SiC半导体仍处于发展初期，晶圆生长过程中易出现材料的基面位错，以致SiC器件可靠性下降。另一方面，晶圆生长难度导致SiC材料价格昂贵，预计想要大规模得到应用仍需一段时期的技术改进。
Die Size和成本是碳化硅技术产业化的核心变量。 我们比较目前市场主流1200V硅基IGBT及碳化硅基MOSFET，可以发现SiC基MOSFET产品较Si基产品能够大幅减少Die Size，且表现性能更好。但是目前最大阻碍仍在于Wafer Cost，根据yole development测算，单片成本SiC比Si基产品高出7-8倍。
研究机构IHS预测到2025年SiC功率半导体的市场规模有望达到30亿美元。 在未来的10年内，SiC器件将开始大范围地应用于工业及电动汽车领域。纵观全球SiC主要市场，电力电子占据了2016-2017年最大的市场份额。该市场增长的主要驱动因素是由于电源供应和逆变器应用越来越多地使用SiC器件。
SiC近期产业化进度加速，上游产业链开始扩大规模和锁定货源。 我们根据整理CREE公告，可以发现近期碳化硅产业化进度开始加速，ST、英飞凌等中游厂商开始锁定上游晶圆货源：
2019年1月公告：CREE与ST签署一项为期多年的2.5亿美元规模的生产供应协议，Wolfspeed将会向ST供应150㎜SiC晶圆。
2018年10月公告：CREE宣布了一项价值8,500万美元的长期协议，将为一家未公布名称的“领先电力设备公司”生产和供应SiC晶圆。
2018年2月公告：Cree与英飞凌签订了1亿美元的长期供应协议，为其光伏逆变器、机器人、充电基础设施、工业电源、牵引和变速驱动器等产品提供SiC晶圆。
两大驱动力： 5G提速+汽车电气化
5G加速推进，射频市场有望高速成长 海外率先商用，5G提速预期强烈
海外5G率先商用，国内5G推进有望加速！4月3日，美国运营商Verizon宣布在部分地区推出5G服务；4月5日，韩国三大运营商宣布开始针对普通消费者的5G商用服务；4月10日，日本政府向四大运营商分配5G频段，预计明年春正式商用；我们认为，在海外5G积极推进商用的节奏下，国内5G有望加速。
随着5G的推广，从5G的建设需求来看，5G将会采取"宏站加小站"组网覆盖的模式，历次基站的升级，都会带来一轮原有基站改造和新基站建设潮。2017年我国4G广覆盖阶段基本结束，4G宏基站达到328万个。根据赛迪顾问预测，5G宏基站总数量将会是4G宏基站1.1~1.5倍，对应360万至492万5G宏基站。
于此同时在小站方面，毫米波高频段的小站覆盖范围是10~20m，应用于热点区域或更高容量业务场景，其数量保守估计将是宏站的2倍，由此我们预计5G小站将达到950万个。
氮化镓将占射频器件市场半壁江山
基站建设将是氮化镓市场成长的主要驱动力之一。 Yole development数据显示，2018年，基站端氮化镓射频器件市场规模不足2亿美元，预计到2023年，基站端氮化镓市场规模将超5亿美元。氮化镓射频器件市场整体将保持23%的复合增速，2023年市场规模有望达13亿美元。
氮化镓将占射频器件市场半壁江山。 在射频器件领域，目前LDMOS（横向扩散金属氧化物半导体）、GaAs（砷化镓）、GaN（氮化镓）三者占比相差不大，但据Yole development预测，至2025年，砷化镓市场份额基本维持不变的情况下，氮化镓有望替代大部分LDMOS份额，占据射频器件市场约50%的份额。
汽车电气化推动碳化硅市场快速成长 汽车半导体市场快速增长
汽车IC快速增长，成半导体增长亮点。根据IC Insights数据，预计2018年汽车IC增速可达18.5%，规模可达323亿美元。到 2021 年，汽车 IC 市场将会增长到 436 亿美元，2017 年到 2021 年之间的复合增长率为 12.5%，为复合增长率最高的细分市场模块，也是未来的主要驱动力之一。
汽车模拟IC增长强劲，实现对智能手机的超越。 智能手机的高速增长曾经是带动半导体市场增长的主要驱动力，如今汽车成为下一位选手。根据HIS数据，从体量上看，2015年汽车模拟IC市场将已经超过的智能手机市场，预计2018年汽车模拟IC市场规模可达102亿美元。与此同时，由于汽车市场增速高于其他子行业，其模拟IC销售占比也逐年增加。
环保需求持续驱动汽车电气化进程
环保节能需求推动汽车电气化，新能源汽车快速增长。由于各国政府对能源和环境问题高度重视，纷纷提出禁售燃油车计划，汽车电气化几乎是必然趋势。Katusa Research数据显示，中国，美国和德国将成为电动汽车的主要推广者，致使2040年电动汽车年均销售量可达6千万量。新能源汽车能够有效降低燃油消耗量，而新能源汽车需要用到大量的电源类IC（比如升降电压用的DC/DC），模拟IC行业可从中受益。
汽车硅含量持续提升，碳化硅市场显著受益
汽车电气化程度逐步加深，硅价值量持续增长。各车企纷纷推出新能源车，以实现汽车电动化的软替代，常见的新能源汽车包括混合动力汽车、插电式混合动力汽车、增程式电动汽车、纯电动汽车。随着电气化程度的提升，汽车半导体价值量也水涨船高。2018年中度混合动力汽车、插电式混合动力汽车和纯电动汽车单车半导体价值量分别达475、740和750美元，根据Strategy Analytics预测，2025年度混合动力汽车、插电式混合动力汽车和纯电动汽车销量分别可达到0.17亿、0.13亿、0.08亿，合计半导体市场规模可达237亿美元。
电动车市场将是碳化硅器件成长的主要驱动力。根据Yole development预测，未来几年新能源汽车、电机驱动、铁路对碳化硅市场增长影响较大，其中增量价值最高的为新能源汽车，包括汽车本身以及由此带动的各类基础设施建设。
汽车处于安全性考虑，需要包含各个子系统的稳压、静电保护、信号隔绝等需求，同时还需要众多与电力系统配套的功率半导体产品，包括充电器、电池管理、逆变器、次逆变器、DC/DC以及各种接口等。因此汽车电动化给功率半导体带来了更广阔的市场空间。
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