半导体行业砷化镓碳化硅专题研究.docx

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半导体行业砷化镓碳化硅专题研究

2020年半导体行业砷化镓、碳化硅专题研究

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，GaNHEMT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-6G5G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VCSEL3D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，GaNHEMT（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（GaNonSiC），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（SiConSi）。

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48VMHEV）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-boardcharger）、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650VIGBT、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650VSiCMOSFET实现，只需要230µH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SiCMOSFET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Model3的主驱逆变器中使用SiCMOSFET，每个电机中采用24个SiCMOS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+SICMOS”演进；DCDC转换器上从2018年开始从硅基MOS转向SiCMOS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SiCMOSFET或SiCMOSFET与SiCSBD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SiCMOSFET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Grandviewresearch的测算及预测，2027年全球GaN