金属新材料系列之七：5G时代的InP衬底机会.pdf

识别风险，发现价值 请务必阅读末页的免责声明 1 / 17 Table_C ontacter 本报告联系人： Table_Page 行业专题研究|有色金属 2020年1月9日 证券研究报告 Table_Title 有色金属行业 金属新材料系列之七：5G时代的InP衬底机会 Table_Author 分析师： 巨国贤 分析师： 黄礼恒 SAC 执证号：S0260512050006 SFC CE.no: BNW287 SAC 执证号：S0260519080005 0755-82535901 0755-88286912 juguoxiangf huanglihenggf 请注意，黄礼恒并非香港证券及期货事务监察委员会的注册持牌人，不可在香港从事受监管活动。 Table_Summary 核心观点： 5G时代的 InP衬底机会。5G 时代将带来以 InP（磷化铟）、GaAs（砷化镓）为代表的第二、第三代半导体材料的需求倍增，但目前大规格、高品质InP、GaAs单晶衬底基本为海外厂商垄断，国产化替代空间广阔。关注前端射频器件和芯片国产化替代背景下，国内具备InP、GaAs单晶衬底生产技术相关上市公司的投资机会，以及相关上市公司云南锗业、有研新材等。 5G快速发展扩大InP市场空间。5G网络高频、高速的特性要求前端射频组件具备在高频、高功率下更好的性能表现，从而对其半导体材料电子迁移率和禁带宽度等物理性能提出了更高的要求；同时，5G 宏基站大规模MIMO 技术的普及、以及 5G 终端支持频段的增加，都将使前端射频组件以及半导体材料需求提升。基于上述两个方面，InP、GaAs 以及 GaN 在 5G 时代或将逐步取代 Si-LDMOS，成为终端设备以及基站设备前端射频器件的核心半导体材料，迎来更大市场空间。而 InP是一种比 GaAs更先进的半导体材料，其与 GaAs 材料相比具有高的电光转换效率、高的电子迁移率、高的工作温度、以及强抗辐射能力的特点，在光纤通信、毫米波和无线应用等方面具有明显的优势。根据 Yole 测算，到 2024 年，InP 市场规模将达到 1.72 亿美元，2018 年至2024年的复合年增长率为14%。 自主安全可控推进InP国产化进程。半导体高纯单晶生长是制备各类半导体器件的核心技术，InP制备与GaAs基础方法类似，但制备 InP 不能像制备 GaAs一样在高压釜内直接混合合成，通常需要溶质缓慢的扩散技术或者注入合成技术合成InP。目前InP市场中以 2 、3英寸衬底为主，4、6英寸衬底则是未来竞争的焦点，目前全球只有美国的AXT，日本的SUMITOMO等少数几家公司能够满足未来对大尺寸衬底的要求，中国的InP晶体行业发展起步较晚，一直没有形成被市场广泛接受的自主品牌，随着 5G 发展及贸易保护主义抬头，中国芯片产业自主安全可控迫在眉睫，有望快速推进InP等芯片材料国产替代进程。另外根据Wafer World网站的InP报价AXT产品毛利率推测则，单片InP衬底毛利至少在120-160美元。 投资建议：关注云南锗业、有研新材等。关注云南锗业（2019 年 12 月 27 日公告，控股子公司云南鑫耀拟建一条年产15万片4英寸InP单晶片的生产线，此前公司已完成5万片/年2英寸InP单晶及晶片产业化建设项目；另外公司还具备4英寸GaAs单晶片产能80万片/年）、有研新材（具备第二代半导体材料生产技术）。 风险提示。国内及海外5G推广进程不及预期；InP主流生产工艺发生重大变化；半导体材料技术进步，InP被其他材料快速替代。 相关研究： 有色金属行业:金属新材料系列之六：钇钡铜氧高温超导的应用 2019-11-03 有色金属行业:金属新材料系列之五：5G时代的GaAs衬底机会 2019-09-05 识别风险，发现价值 请务必阅读末页的免责声明 2 / 17 Table_PageText 行业专题研究|有色金属 重点公司估值和财务分析表 Table_impcom 重点公司估值和财务分析表 股票简称 股票代码 货币 最新 最近 评级 合理价值 EPS(元) PE(x) EV/EBITDA(x) ROE(%) 收盘价 报告日期 （元/股） 2019E 2020E 2019E 2020E 2019E 2020E 2019E 2020E 洛阳钼业 603993.SH CNY 4.46 2019/10/30 买入 5.45 0.08 0.10 55.75 44.60 17.95 15.84 4.40 5.10 洛阳钼业 03993.HK HKD 3.44 2019/10/30 买入 4.04 0.08 0.10 38.50 30.80 17.95 15.84 4.40 5.10 紫金矿业 601899.SH CNY 4.70 2019/12/3 买入 4.40 0.18 0.22 26.11 21.36 11.52 10.67 9.60 10.80 紫金矿业 02899.HK HKD 4.05 2019/12/3 买入 3.64 0.18 0.22 20.14 16.48 11.52 10.67 9.60 10.80 山东黄金 600547.SH CNY 38.49 2019/10/30 增持 33.50 0.47 0.67 81.89 57.45 21.47 17.69 6.40 8.60 山东黄金 01787.HK HKD 19.10 2019/10/30 增持 19.52 0.47 0.67 36.38 25.52 21.47 17.69 6.40 8.60 西部矿业 601168.SH CNY 6.76 2020/1/3 买入 10.53 0.40 0.42 16.90 16.10 13.30 13.17 9.80 9.40 铜陵有色 000630.SZ CNY 2.32 2019/4/14 买入 3.19 0.08 0.10 29.00 23.20 9.02 8.02 4.80 5.20 驰宏锌锗 600497.SH CNY 4.36 2019/3/24 买入 7.50 0.25 0.28 17.44 15.57 14.14 14.00 8.20 8.30 中金岭南 000060.SZ CNY 4.31 2019/10/28 买入 6.50 0.25 0.26 17.24 16.58 11.30 11.08 7.80 7.50 宝钛股份 600456.SH CNY 25.50 2019/10/17 买入 31.00 0.65 0.85 39.23 30.00 19.26 16.59 7.30 8.70 天齐锂业 002466.SZ CNY 31.94 2019/10/25 买入 27.70 0.10 0.53 319.40 60.26 29.44 28.85 1.00 5.20 赣锋锂业 002460.SZ CNY 40.66 2019/12/12 买入 31.85 0.37 0.62 109.89 65.58 45.74 46.93 5.70 8.80 赣锋锂业 01772.HK HKD 19.60 2019/12/12 买入 23.00 0.37 0.62 47.43 28.30 45.74 46.93 5.70 8.80 东阳光 600673.SH CNY 9.09 2019/11/23 买入 12.00 0.37 0.55 24.57 16.53 11.13 8.29 14.10 17.50 银泰黄金 000975.SZ CNY 15.36 2019/10/29 买入 17.70 0.49 0.59 31.35 26.03 15.67 13.71 10.50 11.20 威华股份 002240.SZ CNY 9.28 2019/7/25 买入 8.44 0.34 0.45 27.29 20.62 21.07 16.97 7.70 9.40 金钼股份 601958.SH CNY 7.91 2019/10/25 买入 8.80 0.22 0.43 35.95 18.40 16.81 10.14 5.10 9.10 华钰矿业 601020.SH CNY 9.61 2019/11/27 买入 11.97 0.23 0.64 41.78 15.02 36.83 10.90 5.80 13.80 锡业股份 000960.SZ CNY 10.45 2019/4/17 增持 14.76 0.60 0.69 17.42 15.14 12.20 10.53 7.70 8.10 盛和资源 600392.SH CNY 9.13 2019/10/28 增持 12.00 0.20 0.24 45.65 38.04 28.51 24.40 6.30 7.00 厦门钨业 600549.SH CNY 13.02 2019/8/22 增持 16.80 0.30 0.42 43.40 31.00 14.07 12.49 5.60 7.30 西部超导 688122.SH CNY 36.77 2019/7/7 - - 0.37 0.46 99.38 79.93 57.00 43.65 5.60 6.60 数据来源：Wind、广发证券发展研究中心 备注：表中估值指标按照最新收盘价计算；A+H股上市公司的业绩预测一致，且货币单位均为人民币元；对应的 H股PE和PB估值，为最新H股股价按即期汇率折合为人民币计算所得。 识别风险，发现价值 请务必阅读末页的免责声明 3 / 17 Table_PageText 行业专题研究|有色金属 目录索引 一、5G快速发展拓宽INP市场空间 . 5 （一）PA 器件：17-23年5G基站、终端PA 需求CAGR或达7%，性能要求提升 5 （二）PA 衬底：INP、GAAS等或挤占SI基衬底市场份额 . 7 二、自主安全可控推进INP国产化进程 . 10 （一）INP技术：制备高纯半导体单晶为组件制造的首要环节 . 10 （二）INP格局：5G带动下，INP国产化进程有望加速 . 12 （三）INP利润：INP晶片毛利至少在120-160美元/片 . 13 三、投资建议：关注云南锗业、有研新材等. 14 （一）云南锗业：加快布局INP产能 . 14 （二）有研新材：具备第二代半导体材料生产技术 . 15 四、风险提示 . 15 识别风险，发现价值 请务必阅读末页的免责声明 4 / 17 Table_PageText 行业专题研究|有色金属 图表索引 图1：5G高频、高速特质驱动PA 等射频组件性能提升、数量倍增 . 6 图2：全球射频前端市场规模预计 . 7 图3：全球射频前端PA 市场容量 . 7 图4：Si-LDMOS制程的功率器件无法满足超过3.5GHz以上高频段的工作要求 . 8 图5：面向5G应用，GaAs、GaN基器件未来将逐步挤占Si基器件的市场份额 . 8 图6：InP主要应用领域 . 9 图7：GaAs主要应用领域 . 9 图8：InP应用市场规模预测 . 10 图9：制备高纯半导体单晶为组件制造的首要环节 . 11 图10：InP单晶衬底 . 12 图11：AXT主要产品情况 . 13 图12：InP晶片市场销售价格（美元/片） . 14 表1：第一代、第二代、第三代半导体物理性能参数对比 . 7 表2：中国InP单晶生长设备和生长单晶衬底主要企业 . 13 识别风险，发现价值 请务必阅读末页的免责声明 5 / 17 Table_PageText 行业专题研究|有色金属 一、5G快速发展扩大InP市场空间 （一）PA 器件：17-23年5G基站、终端PA 需求CAGR或达7%，性能要求提升 基带和射频模块是完成 3/4/5G 蜂窝通讯功能的核心部件。典型射频模块（RF FEM）主要包括功率放大器（PA）、天线开关（Switch）、滤波器（SAW）等器件构成，其中功率放大器PA占据着射频前端芯片较大的市场份额。5G时代渐行渐近，其高频、高速、高功率特点将驱动功率放大器以及其半导体材料的性能较4G时代进一步提升。 1. 性能：5G高频、高速特质驱动PA高频和功率等性能提升 3GPP (Third Generation Partnership Project，第三代合作伙伴计划)将5G的总体频谱资源划分为两个频段，即FR1和FR2。FR1为450MHz6GHz，因此也被称为Sub6G频段，是5G主频段；FR2为24GHz52GHz，又被成为毫米波频段，是5G扩展频段。相较于主要频段分布于3GHz以下的2G、3G和4G，5G频谱向频谱资源更为丰富的高频段延伸，这也就要求功率放大器等射频组件在高频下具有较高的工作性能和效率。 3GPP将5G网络特点归纳为极高的速率（eMBB场景）、极大的容量（mMTC场景）以及极低的延时（URLLC场景）。以速率为例，5G将实现1Gbps以上的速率，为4G LTE Advanced的10倍以上。同时，从通信原理来看，无线通信最大信号带宽约在载波频率的5%左右，即载波频率越高，其可实现的信号带宽也就越大。5G的Sub6G频段常用载波带宽为100Mhz、多载波聚合时可达200Mhz；而毫米波频段常用载波带宽是400Mhz、多载波聚合时可到800Mhz。因此，5G高峰值速率以及宽频带等特点要求功率放大器等射频组件具有更高的功率表现和工作效率。 2. 数量：5G基站、终端对PA需求大增、17-23年CAGR或达7% 宏基站：（1）规模方面，5G宏基站的数量较4G时代将大幅增加。5G通信频谱分布在高频段，信号衰减更快，覆盖能力大幅减弱。相比于4G，通信信号覆盖相同的区域，5G基站的数量将大幅增加。于黎明等于2017年发表于移动通信期刊的论文中国联通5G无线网演进策略研究中对3.5GHz及1.8GHz在密集城区和普通城区覆盖能力的模拟测算，密集城区中3.5GHz频段上行需要的基站数量是1.8GHz的1.86倍，普通城区中3.5GHz频段上行需要的基站数量则是1.8GHz的1.82倍；（2）技术方面，大规模MIMO技术应用导致单基站所需功率放大器等射频组件数量大幅增加。根据毛建军等于2015年发表于现代雷达期刊的论文一种用于5G的大规模MIMO天线阵设计，单用户MIMO、多用户MIMO分别是3G、4G时代常用的天线技术，而5G将引入大规模MIMO（Massive MIMO）来应对更高的数据速率要求。大规模MIMO技术使用大型天线阵列（通常包括64个双极化、至少16个阵列元素）来实现空间复用，大大提升了特定空间区域内的数据流吞吐量。以5G宏基站采用的64T64R天线为例，相对于4G常用的4T4R天线，单个5G宏基站天线对射频器件需求量将是4G宏基站的16倍。 识别风险，发现价值 请务必阅读末页的免责声明 6 / 17 Table_PageText 行业专题研究|有色金属 终端：5G终端支持频段增多将直接带动射频前端用量和单机价值量的增长。根据Skyworks数据，通信频段数量从2G时代的4个增加至4G时代的41个，而5G将新增50个频段，总频段数量将达到91个，由此将直接带动射频前端芯片的用量与单机价值的提升。根据Skyworks预测，射频前端单机价值量将从4G的18美金上升至25美金。 图1：5G高频、高速特质驱动PA等射频组件性能提升、数量倍增 数据来源：3GPP、毛建军等于2015年发表于现代雷达期刊的论文一种用于5G的大规模MIMO天线阵设计、广发证券发展研究中心 5G宏基站的总量、单基站PA需求量以及5G终端单机射频前端用量相较4G时代将明显提升。根据QYR Electronics Research Center的预测，2018年至2023年全球射频前端市场规模预计将以年复合增长率16%持续高速增长，2023年接近313.1亿美元。单就功率放大器看，Yole预计2017-2023年全球功率放大器市场将由50亿美元增加至70亿美元，CAGR达7%左右。 识别风险，发现价值 请务必阅读末页的免责声明 7 / 17 Table_PageText 行业专题研究|有色金属 图2：全球射频前端市场规模预计 图3：全球射频前端PA市场容量 数据来源：QYR Electronics Research Center、广发证券发展研究中心 数据来源：Yole、广发证券发展研究中心 （二）PA 衬底：InP、GaAs 等或挤占Si基衬底市场份额 根据前文所述，5G高频、高速、高功率的特点对功率放大器（PA）的高频、高速以及功率性能要求进一步提升，也对制备PA器件的半导体材料的性能要求更为严格。常见的半导体材料以物理性能区分可划分为三代，其中第一代半导体以Si、Ge为代表，第二代半导体以GaAs、InP为代表，第三代半导体以GaN、SiC为代表。 高工作频段要求半导体材料具备更高的饱和速度和电子迁移率。载流子饱和速度和电子迁移率越高，半导体器件工作速度则越快。因此5G高工作频段对半导体材料的饱和速度和电子迁移率要求更高。由下表可见，第二代半导体GaAs和InP的电子迁移率分别是Si的5倍和4倍左右，而第二代、第三代半导体的饱和速度均为Si的2倍以上，更为适合于5G射频器件应用。 高功率要求则要求半导体材料具备更高的禁带宽度和击穿电场。禁带宽度和击穿电场强度越大，半导体材料的耐高电压和高温性能越好，即可以满足更高功率器件的要求。由下表可见，第二代半导体材料GaAs的禁带宽度约为Si的1.3倍，而第三代半导体材料GaN的禁带宽度则是Si的3倍。因此，GaAs和GaN等第二代、第三代半导体相对于Si更适合于制备高功率器件。 表1：第一代、第二代、第三代半导体物理性能参数对比 物理参数 第一代半导体 第二代半导体 第三代半导体 Si Ge GaAs InP GaN SiC 禁带宽度 (eV)(5K) 1.12 0.7 1.4 1.3 3.39 3.26 能带跃迁类型 间接 间接 直接 直接 直接 直接 0%2%4%6%8%10%12%14%16%18%20%050100150200250300350全球射频前端市场规模(亿美元) 同比增速(右轴)0501001502002502017A 2023ECAGR19%CAGR7%CAGR15%CAGR15%CAGR16%识别风险，发现价值 请务必阅读末页的免责声明 8 / 17 Table_PageText 行业专题研究|有色金属 击穿电场 (MV/cm) 0.3 - 0.4 0.5 3.3 3 截止频率 (GHz) 20 - 150 300 150 20 本征载流子浓度ni (cm-3) 1107 11013 1.51010 11014 1.91010 8.2109 饱和速度 (106cm/s) 10 6 20 22 22 20 电子迁移率 (cm2/Vs) 1200 3800 6500 4600 1250 800 空穴迁移率 (cm2/Vs) 420 1400 320 150 250 115 介电常数 11.8 16 12.8 10.8 9 10 热导率 (W/cmK) 1.5 0.6 0.5 / 1.3 4.9 数据来源：周春锋等于2015年发表于天津科技期刊的论文砷化镓材料技术发展及需求、广发证券发展研究中心 备注：表中 SiC指的是4H-SiC结构的相关参数 面向5G高频、高功率要求，GaAs、GaN基器件将逐步挤占Si基器件的市场份额。根据前文所述，相较于主要频段分布于3GHz以下的2G、3G和4G，5G频谱向频谱资源更为丰富的高频段延伸，这也使得Si-LDMOS制程的功率器件无法满足超过3.5GHz以上高频段的工作要求；同时，对于输出功率在3W以上的器件，HBT制程的GaAs也无法胜任。因此，对于工作在较高频段、输出功率要求相对较低的功率器件，MESFET和HEMT制程的GaAs将逐步替代传统的Si-LDMOS；而对于工作频段更高、输出功率要求更高的器件，HEMT制程的GaN材料将是最优选择。因此从趋势上看，面向5G高频、高功率要求，GaAs、GaN基器件将逐步挤占Si基器件的市场份额。根据Yole统计数据，2017年全球PA器件用半导体材料约40%采用Si-LDMOS，35%采用GaAs，而25%采用GaN。Yole预计到2025年，Si-LDMOS市场份额将萎缩至15%，而GaN市场份额将达50%，GaAs市场份额则基本稳定。 图4：Si-LDMOS制程的功率器件无法满足超过3.5GHz以上高频段的工作要求 图5：面向5G应用，GaAs、GaN基器件未来将逐步挤占Si基器件的市场份额（2019-2025为预测值） 数据来源：Yole、广发证券发展研究中心 数据来源：Yole、广发证券发展研究中心 识别风险，发现价值 请务必阅读末页的免责声明 9 / 17 Table_PageText 行业专题研究|有色金属 InP比GaAs更先进。磷化铟（InP）半导体材料同硅和砷化镓材料相比具有高的电光转换效率，高的电子迁移率，高的工作温度，以及强抗辐射能力的特点，因而在民用和军事领域的应用广泛，例如在太赫兹(THz)、激光器、太阳能电池、光电探测器和光纤网络系统等领域，包括入户光纤和数据中心传输，以及目前正在大力发展的5G移动网络等，这些都给InP衬底材料带来巨大的市场前景。InP半导体材料具有宽禁带结构，并且电子在通过InP材料时速度快，这意味着用这种材料制作的器件能够放大更高频率或更短波长的信号。例如，在卫星领域，利用InP芯片制造的接收机和放大器就可以获得100GHZ以上的频率。另外，InP基的太阳能电池目前报道最高可以获得44.7%的转化效率，因此其在卫星通信业和卫星太阳能电池领域潜力巨大。因此，InP是一种比GaAs更先进的半导体材料，在光纤通信、毫米波和无线应用等方面具有明显的优势。这就是为什么虽然同属-族化合物，GaAs发展较早且相对价格便宜，而InP虽然起步晚却发展迅速的原因。 图6：InP主要应用领域 图7：GaAs主要应用领域 数据来源：云南锗业官网、广发证券发展研究中心 数据来源：云南锗业官网、广发证券发展研究中心 Yole预测到2024年，InP市场规模将达到1.72亿美元。目前，InP晶圆市场真正的增长是在光子应用领域。在光通信领域，InP在发射、光检测、调制、混合等诸多功能上都具有很高的性能，但由于其成本较高，经常受到其他半导体材料的挑战。尽管如此，InP仍然是用于电信和数据通信应用的收发器中激光二极管不可或缺的构件。随着5G的快速发展和数据通信业务的迅猛增长，InP晶圆和外延片的需求都将快速提升，根据Yole测算数据，到2024年，InP市场规模将达到1.72亿美元，2018年至2024年的复合年增长率为14%。 识别风险，发现价值 请务必阅读末页的免责声明 10 / 17 Table_PageText 行业专题研究|有色金属 图8：InP应用市场规模预测 数据来源：Yole、广发证券发展研究中心 二、自主安全可控推进InP国产化进程 （一）InP技术：制备高纯半导体单晶为组件制造的首要环节 晶胞重复的单晶半导体材料能够提供芯片制作工艺和器件特性所要求的电学和机械性质，而缺陷较多的多晶半导体材料则对芯片制备不利，因此制备高纯的单晶半导体材料是芯片等器件制造的首要环节。单晶生长的基本工艺原理是，待多晶原料经加热熔化、温度合适后，经过将籽晶浸入、熔接、引晶、放肩、转肩、等径、收尾等步骤，完成一根单晶锭的拉制。 单晶锭经过裁切、外径研磨、切割、刻蚀、抛光、清洗等流程后成为晶圆片，之后进入芯片生产加工流程。芯片制造过程可概分为晶圆处理工序（Wafer Fabrication）、晶圆针测工序（Wafer Probe）、封装工序（Packaging）、测试工序（Initial Test and Final Test）等几个步骤。其中晶圆处理工序和晶圆针测工序为前道（Front End）工序，而封装工序和测试工序为后道（Back End）工序。