半导体行业砷化镓碳化硅专题研究.docx

1、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，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

2、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

3、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

4、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

5、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

6、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

7、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

8、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

9、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

10、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

11、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

12、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-H 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 H 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

13、 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

14、 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

15、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

16、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