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电 子制造 从 新基建与消费电子看第三代半导体材料 2020 年 5 月 29 日 电子 行业 深度 报告 公司具备证券投资咨询业务资格 相关报告： 半导体 行业 深度 报告 （ 系列之一 ） 成长与迁移，全球半导体格局演变-191204 行业 数据与预测 Wind 资讯 电子 （ 可比口径 ） 2020Q1 整体收入增速 （ %） 0.03 整体利润增速 （ %） -10.00 综合毛利 率 （ %） 14.80 综合净利率 （ %） 3.01 行业 ROE（ %） 1.31 平均市盈率 （ 倍 ） 40.60 平均 市净率 （ 倍 ） 3.21 资产负债率（ %） 53.42 请 务必 阅读文后 重要声明及 免责条款 核心观点 ： 1. 功率半导体受益于下游新兴领域快速发展 ， 未 来增量空间明显 。 中国是全球最大 的功率半导体消 费市场， 未来有望 保 持 高 速发展 ， 预 计 年复合 增速达 4.8%。从增量来源来看， 5G、 光伏 智能电网、 新能源汽 车等 是主要 的增量来源 。 未来功率半导体将呈现高性能，高增长，高集中度的发展趋 势 ： 1）下游新兴行业增量显著：下游以汽车电子为代表的新兴应用增速进一步加快， 假设 2025 年新能 源汽车市场规模 达 到 150 亿元，按照汽车电子化率30%测算， 新能源汽 车中的电子元 器件增量为 50 亿元；2）自给率仍然偏 低，替代空间巨大 ，目前 自给率不足20%， 假设自给率 提升 到 50%，国内至少仍有 50 亿美 元的市场空间增量； 3）未来集中度 会进一步提升， 产品碎片化将有所 改 善 ： 由于产品 种 类繁多， 总体较为碎片化，但部分高端产品如 IGBT、 MOSFET 技术壁 垒 提升，下 游对高端产品的依赖度会随之增加，细分领域集中度提升是必然趋势。 2. 第三代半导体材料是功率半导体跃进的基石 。 第三代半导体材料 众多战略行业可以降低 50%以上的能量损 失，最高可以使 装备 体积 减小 75%以上，是半导体产业进一步跃进的基石 。 先进半导体 材料已上升至国家战略层面，2025 年 目标渗透率超过 50%。底层材料与技术是半导体发展的基础科学，在 2025 中国制造中， 对 第 三代半导体单晶衬底、光电子器件 /模块 等细分领 域做出了目标规划 。在 任 务目标中 提 到 2025 实现在 5G 通信、高效能源管理中的国产化率达到 50%；在新能 源汽车、消 费电子中实现规模应用，在通用照明市场渗透率达到 80%以上。 3. 新基 建与消费电子 将 明显提升 第三代半导体材料 需求 空间 。 新基建视角 下 ： 5G 通信 中 含有 GaN 的基站 PA 有 望实现爆发式增 长。 目前 我国 5G 宏基站使用的 PA（ Power Amplifier，功率放大器）数量在 2019 年达到 1843.2 万个， 2020 年有望达到 7372.8 万个，相对于去年增长近 4倍。预计今年， 基 于 GaN 工艺的 基站 PA 占比将由 去年的 50%达 到 58%。 消费电 子 中 ： OPPO、 小米等 国 内主流厂商依次跟进，高功率，小体积成最明显优势 ； 汽车 电子化程 度上升 直接 带动汽车产业链价值迁移 ， 国内市场有望超千亿规模 。 4. 风险 提 示 。 研发 进度 不及 预期 ， 成本控制 不及预期 。 行 业 评 级： 强于大市 （ 维持 ） 分 析 师 ： 陈建生 执 业 证 书 号： S1030519080002 联系电话： 0755-23602373 邮 箱 ： chenjs2csco 研 究 助 理 ： 魏 大千 联系电话： 0755-83199535 邮箱 ： weidqcsco 电子 （ 801080.SI） 与沪深 300 对 比表现 -3 0%-2 0%-1 0%0%10%20%30%40%50%60%70%80%19-0419-0519-0619-0719-0819-0919-1019-1119-1220-0120-0220-0320-04电子 (申万 ) 沪深 300证券研 究 报 告 2020 年 5 月 请 务 必 阅 读 文后 重 要 声明及 免 责 条款 股市有风 险 入市 需谨 慎 - 1 - 目 录 一、为什么推荐投资第三代半导体材料 . 4 1、 功率半导体下游细分领域带动需求爆发式增长，将带动第三代半导体材料应用 . 4 2、 贸易摩擦加剧与摩尔定律见顶双重背景下 ，底层材料提供了弯道超车的可能性 . 4 3、 新基建与消费电子为国内需求打开空间 . 5 二、功率半导体受益于下游新兴领域快速发展 . 5 1、 功率半导体是电路控制的核心元器件 . 5 2、 市场规模平稳增长，未来增量空间来自于新兴领域 . 7 3、 国内是最大的消费市场，自给率不足 20% . 9 三、第三代半导体材料是功率半导体跃进的基石 . 11 1、 第三代半导体材料对性能提升有明显优势 . 11 2、 产业应用集中在衬底、射频器件， 2025 年渗透率将达到 50%以上 . 12 3、 底层材料突破是摩尔定律延续的关键 . 14 四、新基建视角： 5G 射频端需求带动 GaN 爆发式增长 . 17 1、 宏基站射频元器件数量大增， GaN 渗透率有望持续提升 . 17 2、 小基站性能优势明显，高功率高频段环境下需求度提升 . 18 五、消费电子视角：高效能、小体积加速 GaN 消费电子中的应用 . 20 1、 以充电器为代表， GaN 支持下的快充效率翻倍提升 . 20 2、 新能源汽车市场拐点已至， GaN 功率器件空间可期 . 22 六、相关上市公司 . 27 1、 海特高新 . 27 2、 三安光电 . 28 3、 斯达半导 . 29 七、风险提示 . 30 1、 研发进度不及预期 . 30 2、 替代效果不及预期 . 31 3、 成本控制不及预期 . 31 2020 年 5 月 请 务 必 阅 读 文后 重 要 声明及 免 责 条款 股市有风 险 入市 需谨 慎 - 2 - 图 表 目录 Figure 1 功率半导体主要分类 . 6 Figure 2 各功率半导体的主要特性及应用场景 . 7 Figure 3 全球功率半导体市场规模及增速 . 8 Figure 4 国内半导体市场规模及增速 . 8 Figure 5 功率半导体按照输出功率分类的应用场景 . 9 Figure 6 2018 年全球 IGBT 市场格局 . 9 Figure 7 2018 年全球 MOSFET 市场格局 . 9 Figure 8 2018 年全球功率半导体产品结构 . 10 Figure 9 2018 年国内功率半导体产品结构 . 10 Figure 10 2018 年全球功率半导体市场份额 . 11 Figure 11 2018 年中国功率半导体市场份额 . 11 Figure 12 三代半导体材料主要特征 . 11 Figure 13 第三代半导体与硅的特性对比 . 12 Figure 14 2025 第三代半导体材料发展目标 . 14 Figure 15 摩尔定律： 1971-2018 年集成电路晶体管数量变化 . 15 Figure 16 各国第三代半导体领域研发项目 . 16 Figure 17 GaN 将逐步取代 LDMOS 市场份额 . 17 Figure 18 2019 年起 5G 基站将走向建设高峰 . 17 Figure 19 GaN 射频器件需求量 . 18 Figure 20 Massive MIMO 在 5G 中将大量出现 . 18 Figure 21 小基站设备形态及应用场景 . 19 Figure 22 ANKER 快充及实际参数 . 20 Figure 23 小米 Type-C65W 最大输出功率发热情况 . 20 Figure 24 各充电方案对比 . 21 Figure 25 智能手机与可穿戴设备中 GaN 快充测算 . 22 Figure 26 不同自动驾驶级别所对应的智能程度 . 23 Figure 27 汽车电子占整车成本未来趋近 50% . 23 Figure 28 新能源汽车是电子化的重要标志 . 23 Figure 29 汽车电子涉及主要环节 . 24 Figure 30 全球与国内汽车电子市场规模（亿美元） . 24 Figure 31 NEV 绝大部分零部件将被电子 元器件代替 . 25 Figure 32 新能源汽车驱动系统及控制系统中主要的功率元器件拆分 . 26 Figure 33 新能源汽车与传统燃油车半导体价值量拆分 . 27 Figure 34 海特高新营业收入变化 . 28 2020 年 5 月 请 务 必 阅 读 文后 重 要 声明及 免 责 条款 股市有风 险 入市 需谨 慎 - 3 - Figure 35 海特高新归母净利润变化 . 28 Figure 36 海特高新毛利率及净利率变化情况 . 28 Figure 37 海特高新三项费用变化情况 . 28 Figure 38 三安光电营业收入变化 . 29 Figure 39 三安光电公司归母净利润变化 . 29 Figure 40 三安光电毛利率及净利率变化情况 . 29 Figure 41 三安光电三项费用变化情况 . 29 Figure 42 斯达半导营业收入变化 . 30 Figure 43 斯达半导公司归母净利润变化 . 30 Figure 44 斯达半导毛利率及净利率变化情况 . 30 Figure 45 斯达半导三项费用变化情况 . 30 2020 年 5 月 请 务 必 阅 读 文后 重 要 声明及 免 责 条款 股市有风 险 入市 需谨 慎 - 4 - 一 、 为什么推荐投资第三代 半导体材料 1、 功率半导体 下游 细分领域带动需求爆发式增长 ，将 带动第三代 半 导 体材料应用 功率半导体 在 电 子行业中应用 广泛 ，且技术相对成熟 ， 目前 是以硅片为衬底 ，带 隙宽度 较小 ， 市场普遍认为 ， 增长弹 性 不 大 ， 整 体规模保持稳定。与之有差异的是，我们认为，未来功率半导体将呈现高性能，高增长，高集中度的发展趋势， 从而带动第三代半导体材料应用 需求 ， 主要原因有以下几点： 1）下游新兴行业增量显著 ； 2）自给率仍然偏低，替代空间巨大 ； 3）未来集中产品碎片化将有所改善 ， 高端产品如 IGBT、 MOSFET 产品性能和技术壁垒同步提升，下游对高端产品的依赖度会随之增加 。 功率半导体市场规模较大 ，高性能 驱使下 ，新 型半 导体衬底材料 渗透率有望进一步提升 。 2、 贸易摩 擦 加剧 与摩尔 定律 见顶双重背 景 下 ，底层材料 提供了 弯道超车 的可能性 美方 对 华 为制裁 规模未有缩小趋势，同时加剧了多方面的技术围剿， 底层材料的重要性不容忽视 。 美方 将计划限制华为使用美国技术和软件在海外设计和制造半导体的能力来保护国家安全，华为及其被列入实体清单的分支机构生产的以下产品将受出口管理条例（ EAR）的约束，具体而言包括以下两个方面： 1）华为及相关公司利用美国管制清单（ CCL）上的软件和技术直接生产的产品； 2）根据华为的设计规范，在美国海外的地方利用 CCL 清 单上的半导体制造设备 生产的芯片等产品，此类产品在向华为及其分支机构出货时需要申请许可证。 摩尔 定律 在 硅时代 已接近 效 能 极 限 ，台积电已开始 2nm 探索性研发 ，单一增加制程精度 的方式 不可持续 。 “摩尔定 律”在 过 去的几 十 年 中是 集成 电 路 性能增长的 黄金定律 。 其核心内容：价格维持 不变时 ， 集成 电路上 可 容纳的 元件 数 目，约 每隔 18-24 个 月便会增加一 倍，性能 也将提升 一 倍。 根 据 ITRS的 观点，传统的硅晶体管微缩至 6 纳米 已达极 限。以硅材料为 根基 的摩尔定律即将失效 。 若半导体仍以 摩尔定律 趋势发 展 ， 则需要在 底层 材料中形 成 突破。 美国、 欧盟、 日韩等国家 和 地区组 织 已经通过制定研发项目的方式来引导产业发展 。 目前主要的 突破 手段 存在于 几个 方面 ： 1）底层材料突破 ，除氮化 镓 、砷化镓 外 ，以碳基为 材料 的半导体 技术也在持续突破 ； 2）以 SIP 封2020 年 5 月 请 务 必 阅 读 文后 重 要 声明及 免 责 条款 股市有风 险 入市 需谨 慎 - 5 - 装为代表的 高密度集成方式 ， 一定程度上满足了性能的发展需求 。 3、 新基建与消费电 子 为国内需求打开空间 国内基站端建设 投资力度扩大 ， 国内需求将大于国外 。 预计 2020 年 5G 新建基站有望达到 80w 座以上 ，其中大部分将以 “宏基站为主，小基站为辅”的组网方式 。在射频端高频 高速的 背景下 ，第三代半导体材料 的渗透率将会大幅提升 ， 2023 年 GaN RF 在 基 站 中的 市场 规 模 将 达 到 5.2 亿美元 ，年复 合增长 率达 到 22.8%。 未来 随 着 GaN 技术 进 步 和规 模化发 展， GaN PA 渗 透率有望 不断提升，预计 到 2023 年 市 场渗 透率 将 超 过 85%。 5G 宏基站使 用 的PA（ Power Amplifier， 功 率 放大 器 ） 数量在 2019 年 达 到 1843.2 万 个， 2020年有 望达到 7372.8 万个 ， 同比增长有望达到 4 倍 。 预计今年，基于 GaN 工艺的基 站 PA 占比 将由去年 的 50%达到 58%。 消费电子 市场规模分别受益于快充渗透率 与 新能源汽车 电子化率 的提升 。 假设智能手机未来三年 GaN 快充渗透率为 1%、 3%、 5%，可穿戴 需求度相对手机端有所降低 ，三年的渗透率 为 0.5%、 1%、 2%； 我们预计 2020 年全球GaN 充电器市场规模为 24.41 亿元， 2022 年 有望达到 87.74 亿元 。 在新能源车型中，目前混动新能源汽车占新能源汽车总量的 80%以上，电机与电控是核心元器件。 GaN 可用于 48VDC/DC 以及 OBC(On Board Charger 车载充电机 )。据 Yole 的预测， 2023 年该领域的市场规模将达到 2500 万美元。新能源汽车无疑是电力电子设备市场的主要驱动力，也是不同技术路线（ Si、SiC 和 GaN）的主要 争夺市场。 二 、 功率半导体 受益 于下游新兴领域快速发展 1、 功率半导体是电路控制的核心元器件 功 率 IC 和功 率分立器件 占功 率半 导体的绝大部 分 。 功率 器件 是 通过控制电子设备中 电压、电 流、频率 以及交 流 （ AC） 直流（ DC） 的转 换，从 而达到控制元器件的功能。 功率半导体属于半导体的一个细 分领域， 是 通过变换 电能 的交直流 、电压 电流频率 大小 从而实现对电路控制的 核心器件， 可 以 分为功率 IC 和功率分立器件两大类。 功率 IC 是 将 控 制 电路和大功率 器件 集成在2020 年 5 月 请 务 必 阅 读 文后 重 要 声明及 免 责 条款 股市有风 险 入市 需谨 慎 - 6 - 同一 块 芯片上 控制的 集成电路 ， 主要 的 应用产品是电源管理 ， 承担变换、 分配、检测 电压电流频率的 功能 ， 由于在电子设备系统中每个模块所需供电电压 和电流各不相同，需要电 源管理芯片 对不同元 器件所 需 电 能 情 况 进行转换和 调 节 。 功率 分立 器 件主 要 包 括有二极 管、晶体管及 晶闸 管 ，晶体管 占 有 重要的份额，其中 MOSFET（金属氧化物半导 体场效晶体管）和 IGBT（绝缘栅双极型晶 体管） 产品性 能优越 ， 控制能力及范围有出色的表现， 近年来市场规模增长较快，结构占比不断提升 。 Figure 1 功率半导 体 主要分类 资料来 源 ： CNKI、 世 纪 证 券研 究所 从细 分产 品来看，功率半导体 因其不同的 性能 ，发挥作用也 有所不同。 二极 管 具有单向导电 性能，即给二 极管阳极 和阴极 加上正 向 电压 时 ， 二极管导通 。当给阳极和阴 极加 上 反 向电 压时 ， 二 极 管 截 止。 因此，二极管 的导通和 截 止 ，则相当于开关的接通与断开。 晶闸管 。晶闸 管设计 用于在高电流和高电压下工作，并且通常用于 AC 电 流到 DC 电流的整流 以及 AC 电流 频率与幅值的调整 。 通常将晶闸管 可以 分为可控硅整流器 （ 通 常称为晶 闸管）和栅 极关断晶闸管（ GTO）， 以 上 均属 于高功率器 件 。 MOSFET 属于 晶体管的一种， 与 标准双极晶体管之间的基本区别在于源 极 -漏极电流由栅极电压控制，使其工 作比需要高基极电流导通的双极晶 体管更节能。此 外，它具有快速 关闭 功能 及允 许 高频率 切换 ， 由 于 工作环 境 可以承受更高 的温 度， 特别适 用于 家 用 电 器 ，汽 车和 PC 电源 的电源设计。 2020 年 5 月 请 务 必 阅 读 文后 重 要 声明及 免 责 条款 股市有风 险 入市 需谨 慎 - 7 - IGBT 将双极晶体管的某些特性与单个器件中 的 MOSFET 的特性结合在一起。 IGBT 与 MOSFET 有显着差异，制造起 来更具挑战性。 IGBT 器件可以处理大电流（如双极晶体管）并受 电 压 控制（如 MOSFET），使其适用 于高能量应用 ， 如变速箱，重型 机车，大型船舶 螺旋桨等。 Figure 2 各 功率半导体的主要 特性及应用场景 类型 可 控 性 驱动形式 导通 电压 特点 应用 领 域 二极管 不 可 控 电流驱动 单向 低于 1V 电压 电流 较小 ， 只 能 单向 导电 电子、工业 晶 闸 管 半控 电压驱动 单向 高于1000V 体 积 小、耐压高 工业、变频器、电焊机 MOSFET 全控 电压驱动 双向 10-1000V 能承受高电压， 不能放大电压 消费电子、通 信 、 工业控制 、汽 车电子等领域 IGBT 全控 电 压 驱动 双向 高于600V 开关频率高， 不耐超高压， 可改 变电压 轨交。工控、新能源、白色家电 功率 IC 将功率 元器件 集成 在 一个整体的集成电路上。 根据不 同器件 类型决定 控制类型 和驱动电压。 体 积 小、重 量轻、 寿 命 长 、 功能 多 消 费 电子 、通信、 计算 机和工控 资 料 来 源 ： CNKI、世 纪证 券 研 究 所 2、 市场规模平稳增长 ，未来增量 空间来自于 新兴领 域 全球市 场规模 平 稳 增长 ， 国内市场 需求有望保 持高速增长 。 功率半导体作为电子设备中 最基础 的 元器件，应用领域 极其广泛 。 从市场规模 来 看 ， 根 据 IHS Markit 数据 ， 2018 年全 球 功率半 导体市场 规模 约为 400 亿美元，预计到 2021年市场规模将增长至 441 亿美元，年 复合 增速 为 4.1%。 中国 是全球最大的功率半导体消费市场， 未来 有望保持 高速发展 ， 根 据 IHS Markit 数据 ， 2018年 国 内 市 场 规模 达到 138 亿美元， 增 速 为 9.5%，占 全 球 需 求 比例 高达 35%，预计未来中 国功率半导 体将继续保持较高速度增长， 2021 年 市场规模有望达到 159 亿美元，年复合增速达 4.8%。 从 增量 来源来看， 由于 下游新能源 以及汽车 电子化程 度的 提升， 功率半导体的应用领域已从 工 业 控制和消 费电子拓展至 光伏 、 风 电 、 智 能电网 、变 频 家电 、新能源汽 车 等诸多市场， 下游新型领域 市场 的发展情况是功率半导体未来增量的 重要 保证 。 2020 年 5 月 请 务 必 阅 读 文后 重 要 声明及 免 责 条款 股市有风 险 入市 需谨 慎 - 8 - Figure 3 全球功率 半导体市 场规模及增速 Figure 4 国内 半导 体市场规 模 及 增 速 -6 %-4 %-2 %0%2%4%6%8%1 0 %1 2 %0501 0 01 5 02 0 02 5 03 0 03 5 04 0 04 5 05 0 02 0 1 4 2 0 1 5 2 0 1 6 2 0 1 7 2 0 1 8 2 0 1 9 E 2 0 2 0 E 2 0 2 1 E全球功率半导体（亿美元） 增速（ % ）-2 %0%2%4%6%8%1 0 %1 2 %1 4 %0204060801 0 01 2 01 4 01 6 01 8 02 0 1 4 2 0 1 5 2 0 1 6 2 0 1 7 2 0 1 8 2 0 1 9 E 2 0 2 0 E 2 0 2 1 E中国功率半导体（亿美元） 增速（ % ）资 料 来 源： IHS、世纪证券研究所 资 料 来源 ： IHS、 世 纪 证 券研究所 从 应用范围 角度看， 任何需要 电能 转换 、 电能与信号转换 地方都需要功率半导体 。从 应用 功率大小 来看 ， 可以划分为 四 大应 用场景： 1） 消 费 类电子产品 /白色家电 ，功率 范围 10W-100W： 功率半导体是 消费电子 产品中控制充电机制、功率输出和 能效的核心元器件 。在白色 家电 中，优化的 感应技 术 以及 变频需求，也使 得功率半导体 也 是 白色家电 走向智能化 的核 心 。 2）新 能 源汽 车及数据通 信 ，功率范围 100W-10kW： 新 能 源汽 车 的 电 气化占比 快 速 提升 ，目 前 新能源汽车 相比于燃油 车 电子零部件价值增加 5 倍以上 ， 新增 的功 率半导体器件的性能和功率效率是电动 汽车运行的关键 ，功率 元件主要用于逆变器 、电源控制系统 。 功率半导体 保证数据中心不 间 断 供电以及 电压稳定方面具有 重要 作用 ， 主要用于整 流 ，电池充 电和 DC/AC 逆变。 UPS 是 IDC 的必需设备， 极大程度 增加 了服务 器 系统中 功率半导 体 元件 的使用 ， 未来 氮化镓的使用和能量比例计算将继续增加数据中心中 功率半导体使用 的广度。 3） 可再生能 源及交 通 运 输 ， 功 率范围 10kW-1000kW: 可再生 能源发 电 也 需 要 高 功 率半 导体 ， 因 为 可 再 生能 源 不规则，需要高 的 发电效率才能实现经济可持续发 展。以每兆瓦时为基础，风电场 需要比传统燃煤电站多 30 倍的功率半导体价值量。 使用 IGBT 的变速驱动器越来越多地取代工业应用中的传统电 机 ， 因为它们可以显着提高能效。 功率 半 导 体对于 工厂 的 进一 步自动化也 至关重 要， “工 业4.0” 的革命在很大程度上取决于增加的功率和传感器半导体内 容，以驱动工厂的机器人技 术。 4）智能电网和 储能 ，功率范围 1000kW 以上 ： 2020 年 5 月 请 务 必 阅 读 文后 重 要 声明及 免 责 条款 股市有风 险 入市 需谨 慎 - 9 - 可再生能源（特别是风能和 太阳能 ） 的 消纳 对于智能电网的稳定性带来了巨大的 挑战， 电 能 的难 以 存 储 也为储能带来了更大的 难 度 。 有 效 的 能 量 存储对于 向可再 生能源对总 发电 的 更 高 贡 献 的 转变至关重要，并且需要再次有效地转换电能，即功率半 导体。 Figure 5 功 率 半导体 按照输出 功率分类的 应用场景 资 料 来 源 ： CNKI、 世 纪 证 券研 究 所 3、 国内是最大的 消费市场，自 给率不足 20% 功率 IC 与功率分立器件 市场份额 占比 接近 各半， IGBT、 MOSFET 在分 立器件中占比 较大。 在全球功率半导体市场，功率 IC 和功率分 立 器 件几乎平分了整个市场份额。根据 Yole、 IHS、 Gartner 数据汇总分析 ， 2018 年，功率 IC和功率器件全球市场份额分别为 54%和 46%。其中，在功率分立器件市场中，MOSFET 和 IGBT 占比较大 ，分别为 17%和 15%，功率二极管 /整 流桥占 比稍 低， 为 12%。 Figure 6 2018 年 全球 IGBT 市场格局 Figure 7 2018 年 全球 MOSFET 市场格局 英飞凌34%三菱10%富士电机10%赛米控8%威科电子5%其他33%英飞凌27%安森美13%意法半导体8%东芝7%瑞萨7%其他38%资料来源： IHS、世纪证券研究所 资 料 来源 ： IHS、 世 纪 证 券 研 究所