半导体行业研究：砷化镓本土闭环碳化硅等待“奇点时刻”.pdf

- 1 - 敬请参阅最后一页特别声明 市场数据 (人民币） 市场优化平均市盈率 18.90 国金半导体指数 5868 沪深 300 指数 5337 上证指数 3509 深证成指 14507 中小板综指 12778 相关报告 1.新能源车快速发展，碳化硅迎来发展良 机 -新能源车快速发展，碳化 .， 2020.12.31 2.新技术催化景气上行，国产替代空间广 阔 -半导体硅片行业深度， 2020.12.26 3. 2021 年年度策略报告 -2021 2022 年 投资展望，六个 .， 2020.11.26 4.半导体行业 2020 年三季报综述 -三季度 半导体高度景气，盈利指 .， 2020.11.5 5.集成电路扶持政策点评 -全产业链加大扶 持力度，分级优惠鼓励做强， 2020.8.5 郑弼禹 分析师 SAC 执业编号： S1130520010001 zhengbiyu 砷化镓本土闭环，碳化硅等待“奇点时刻” 投资建议 行业策略 ： 在新能源汽车刚性需求驱动下，碳化硅产业链在实现综合成本优 势之后，有望迎来爆发式增长；砷化镓未来仍将继续主导 sub-6G 手机射 频，国内 PA 厂商的发展带来本土 砷化镓 代工需求； GaN 在 5G 宏基站和消 费级快充上将取得大发展。 建议关注碳化硅从衬底、外延 片、器件到模块和 设备的全产业链，砷化镓和氮化镓建议重点关注本土代工厂。 推荐组合 ： 三安光电（化合物半导体全产业链）、 华润微（碳化硅器件） 、 Cree（碳化硅全产业链）、英飞凌（碳化硅器件）、稳懋（砷化镓代工） 行业观点 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， 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。 风险提示 成本下降不及预期、下游发展不及预期、外部贸易环境恶化 4470 5022 5575 6127 6679 7231 7784 20 03 02 20 06 02 20 09 02 20 12 02 国金行业 沪深 300 2021年 02月 28日 创新技术与企业服务研究中心 半导体 行业研究 买入 （ 维持评级 ） ) 行业深度研究 证券研究报告 行业深度研究 - 2 - 敬请参阅最后一页特别声明 内容目录 一、下游应用驱动， GaAs、 GaN和 SiC 各领风骚 .4 1.化合物半导体具有物理特性优势 .4 2.GaAs 主导 sub-6G 5G手机射频 .4 3.GaN 在 5G宏基站射频 PA 的大发展 .5 4.SiC有望颠覆汽车功率半导体未来 .6 二、产业化正循环， “奇点时刻 ”加速到来 .8 1.发展阶段、核心驱动因素及受益环节分析 .8 2.SiC成本高昂之源及可靠 性问题 .9 3.预计 SiC“奇点时刻 ”五年之内到来 . 11 三、 GaAs 代工比例提高，打造本土产业链闭环 .12 1.化合物半导体行业以 IDM 模式为主 .12 2.欧美主导产业链，台湾厂商垄断代工 .13 3.代工比例提升，代工厂大举扩产 .15 4.国内 PA 产业链闭环，代工不可 或缺 .16 5.三安光电：全面布局化合半导体 .17 四、 Cree引领 SiC 产业，全球供需即将失衡 .19 1.全产业布局占优 ,国内追赶海外巨头 .19 2.需求增长，全球供需即将失衡 .20 3.Cree: 宽禁带化合物半导体的 引领者 .21 4.英飞凌：全球最大功率 IDM，布局 SiC/GaN.22 5.华润微：国内首家量产 SiC 商用产线 .23 五、投资建议 .23 六、风险提示 .23 图表目录 图表 1：不同半导体材料比较 .4 图表 2： GaAs/GaN 材料应用 .4 图表 3：中国砷化镓器件市场规模预测（亿元） .5 图表 4： GaAs 晶圆市场 规模预测（按照应用） .5 图表 5： 5G宏基站 +小基站的架构演进 .5 图表 6： GaN HEMT 具有更小尺寸的优势 .5 图表 7： SiC 在高开关高频和高功率应用优势明显 .6 图表 8：汽车逆变器往高压方向发展 .6 图表 9：丰田碳化硅 PCU与硅 PCU体 积对比 .7 图表 10： OBC 的硅基方案与 SiC 方案 BOM 的比较 .7 图表 11：车厂和零部件厂围绕碳化硅的布局进展 .7 图表 12： SiC 在 EV 上的四大应用领域 .8 行业深度研究 - 3 - 敬请参阅最后一页特别声明 图表 13： SiC 功率器件在车载领域应用时间表 .8 图表 14：光伏逆变器中碳 化硅功率器件占比预测 .8 图表 15：碳化硅功率器件市场规模预测 .9 图表 16：化合物半导体行业复合增速比较 .9 图表 17：碳化硅功率器件产业链示意图 .9 图表 18：碳化硅晶体制作中的数字仿真 .10 图表 19：碳化硅单晶生长工艺 .10 图表 20：碳化硅加工过程 . 11 图表 21：碳化硅的综合成本收益 . 11 图表 22： SiC JBS 成本构成 .12 图表 23：国内碳化硅衬底价格及趋势 .12 图表 24：电动汽功率器件碳化硅方 案与硅方案成本预测 .12 图表 25： 硅晶圆及砷化镓代工产业比较 .13 图表 26： GaAs 产业链示意图 .14 图表 27： GaAs 外延片竞争格局 .14 图表 28： GaAs 射频器件市场结构（ 2020E） .14 图表 29：全球砷 化镓代工市场竞争格局 .15 图表 30：稳懋产量、收入变化（ 2010-2019年） .15 图表 31：稳懋与客户客户关系梳理 .15 图表 32：砷化镓器件代工比例变化（ 2013-2019年） .16 图表 33：化合物半导体代工厂最新产能统计 .16 图表 34：国内主要手机 PA厂商 .17 图表 35：三安光电化合物半导体布局时间表 .18 图表 36：三安集成制程介绍 .18 图表 37：三安集成各类产品的产能规模及变化情况 .19 图表 38： 2018年全球导电型碳化硅晶片市场占有率 .19 图表 39： SiC 产业链示意图 .20 图表 40：国内 SiC各环节与国际领先水平比较 .20 图表 41：国际碳化硅晶片龙头企业提前锁定订单 .21 图表 42： Cree 在碳化硅上的布局时间线 .21 图表 43： Cree 与国内一线衬底厂商产品比较 .21 图表 44： 2019年 全球分立功率器件和模组企业市占率 .22 图表 45：英飞凌 CoolSiC MOSFET 650V 系列 .22 图表 46：英飞凌提供完整的 GaN解决方案 .22 行业深度研究 - 4 - 敬请参阅最后一页特别声明 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 。 图表 1： 不同 半导体材料比较 第一代半导体 第二代半导体 第三代半导体 内容 硅 砷化镓 砷化铟 碳化硅 氮化镓 带隙（ ev） 1.1 1.42 1.35 3.26 3.49 电子迁移率（ cm2/V*S） 1200 8500 5400 700 1000-2000 临界击穿电场（ Mv/cm） 0.3 0.4 0.5 3.0 3.0 导热系数（ W/cm*K） 1.5 0.5 0.7 4.5 1.5 相对介电常数（ Er） 11.8 12.8 12.5 9.7 9.8 终端应用 计算 、功率等 射频 RF 大功率 中功率 /射频 来源： 维基百科、 国金证券研究所 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。 图表 2： GaAs/GaN材料应用 来源： SEMI、国金证券研究所 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 30 个、 行业深度研究 - 5 - 敬请参阅最后一页特别声明 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。 图表 3： 中国砷化镓器件市场规模预测（亿元） 图表 4： GaAs晶圆市场规模预测（按照应用） 来源： 前瞻产业研究院、 国金证券研究所 来源： Yole、 国金证券研究所 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 ， 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 生长高质量的 GaN 外延层，能满足 宏基站 高功率的应用。 图表 5： 5G 宏基站 +小基站的架构演进 图表 6： GaN HEMT 具有更小尺寸的优势 来源： Qorvo、国金证券研究所 来源： Qorvo、国金证券研究所 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。 0.0% 10.0% 20.0% 30.0% 40.0% 50.0% 60.0% 0 50 100 150 200 250 300 350 2013 2014 2015 2016 2017 2018 2019 2020E 市场规模 同比增速 行业深度研究 - 6 - 敬请参阅最后一页特别声明 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。 图表 7： SiC在 高开关 高频和 高功率应用优势明显 来源： Infineon、 国金证券研究所 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。 图表 8：汽车逆变器往高压方向发展 来源：搜狐汽车研究室、国金证券研究所 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 行业深度研究 - 7 - 敬请参阅最后一页特别声明 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 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 。 图表 9：丰田碳化硅 PCU与硅 PCU体积对比 图表 10： OBC的硅基方案与 SiC方案 BOM的比较 来源： 丰田 、国金证券研究所 来源： wolfspeed、 国金证券研究所 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 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。 图表 11：车厂和零部件厂围绕碳化硅的布局进展 时间 企业 事件 2014 年 丰田 对 于 WIFI 5 PA， 国内康希 5.8G 中功率 FEM 性能上最好 ; 对于 WIFI 6 FEM（射频前端模块）， 国产 WIFI6 中功率已经 面世 ， 2018 年 Skyworks 和 Qorvo 高功率 的 WIFI6 FEM面世，预估国内产品的差距至少是 3 年。 国产砷化镓代工必不可缺，国内厂商有望受益。 虽然对于射频器件来说， 设计和制造工艺紧密结合，使得射频 Fabless 设计公司更倾向与有丰富 经验 的 台湾代工厂合作，但是在外部环境导致供应链不确定性加大的背景下，国内砷 化镓代工厂也有望获得更多参与机会，这一过程中三安集成和威海华芯有望受 益。 5.三安光电： 全面布局化合半导体 2014 年三安光电成立全资子公司三安集成， 是中国第一家 6 寸化合物半导 体晶圆代工厂，开发砷化镓、氮化镓外延片和衬底 ，涵盖射频、电力电子、光 通讯和滤波器板块。 2020 年上半年三安集成实现销售收入 3.75 亿元。砷化镓 射频出货客户累计将近 100 家、氮化镓射频产品重要客户产能正逐步爬坡；电 力电子产品客户累计超过 60 家， 27 种产品已进入批量量产阶段；光通讯业务 除扩大现有中低速 PD/MPD 产品的市场领先份额外，高端产品 10G APD/25G PD、 VCSEL 和 DFB 发射端产品均已在行业重要客户处验证通过，进入批量试 产阶段。公司在长沙设立子公司湖南三安从事碳化硅等第三代半导体的研发及 产业化项目，项目正处于建设 阶段。 行业深度研究 - 18 - 敬请参阅最后一页特别声明 图表 35：三安光电化合物半导体布局时间表 来源：公司公告、国金证券研究所 射频是三安集成短期 内 收入的主要来源。 公司射频业务产品应用于 2G-5G 手机射频功放 WiFi、物联网、路由器、通信基站射频信号功放等市场应用； 其 中手机用射频器件以 GaAs 为主，基站用射频器件以 GaN为主。 三安射频 工艺 制程主要包括 HBT（ 异质结双极型晶体管 ）、 pHEMT（ 伪型态高电子迁移率晶 体管 ）、 BiHEMT（ 异质结双极暨假晶高电子迁移率晶体管外延芯片 ） 。 目前 用 于无线基站功放的 GaN射频工艺，已获得主流基站的性能认可。 650V GaN工 艺开发 已经 取得突破，某国际化大客户下单，开始流片验证。 电力电子业务布局逐渐完善。公司电力电子业务主要在湖南全资子公司进 行，公司从 SiC 衬底到外延到模组都有布局。 三安 光电长沙项目 将包括长晶 衬底制作 外延生长 芯片制备 封装产业链。 图表 36：三安集成制程介绍 晶圆代工制程 制程系列 主要用途 HBT（砷化镓异质结双极 型晶体管） H2OHL（高线性制程） 手机，无线宽带功率放大器 手机，无线宽带功率放大器 增益器 通讯信号切换器 通讯微波器件 增益器 通讯信号切换器 通讯微波器件 H2OHR（高韧性制程） pHEMT（砷化镓伪型态高 电子迁移率晶体管） P25ED（增强 /耗尽混合 型） P25PA（功率型） P25SM（低启动阻抗型） GaN SBD（氮化镓肖特基 二极管） 快速回复肖特基二极管 绿能节能器件： 消费电子产品的电源转换 / 反向器 汽车 /交通工具使用电源转 换 /反向器 工业用大功率电源转换 /反 向器 GaN FET（氮化镓场效应 晶体管） 耗尽型场效应三极管 增强型场效应三极管 来源：公司官网、国金证券研究所 公司 化合物半导体 业务 客户开拓取得积极拓展。 在射频代工领域，国内主 要客户包括海思、紫光展锐、 昂瑞微 等。在光通讯领域， PD 产品的客户包括 瑞谷、铭普、储翰等；数通产品领域客户中际旭创、 AOI、光迅、剑桥等，公 司目前已处于送样评估阶段。在电力电子板块，公司已布局能源市场领域：在 逆变器方面，三安集成与主要客户阳光电源确认了合作开发项目意向。在国家 电网方面，已进入南瑞、许继电器供应链，并已小量试产；充电桩方面，产品 已进入行业领先客户永联供应链的样品测试阶段；在交通领域，公司已正式启 动汽车行业认证体系；在数据中心电源行业龙头的科华恒盛、长城电源都已成 功送样并测试通过，目前正在小量样品导入阶段。 2014年 2月注册成立 三安集成电路公司 2014年 5月通讯微电 子器件（一期）项目 开建 2015 年为通讯微 电子项目和光电 项目募资 35亿元 2016年 4 月与是德 科技达成 战略合 作，开发 设计套件 2016年 11月出资 196 万 美 元 与 GCS成立合资公 司 2017 年 12 月 公告泉州南 安 333亿元投 资的化合物 半导体 、 集 成电路等 7个 产业项目 2018年 12 月推出英 寸 SiC 代 工制程 2020 年规划 投资 160亿元 的三安长沙 SiC 等三代化 合物半导体 项目动工 行业深度研究 - 19 - 敬请参阅最后一页特别声明 三安集成营收规模增长，公司亏损幅度收窄。 三安集成目前虽仍处于 亏损 状态 ，但是随着收入规模上升公司亏损幅度收窄。 由于前期产能利用率低，良 品率低，三安集成 2017-2019 年分别亏损 9600 万元、 1700 万元和 8200 万元， 2020 年上半年亏损幅度收窄至 1100 万元。 图表 37： 三安集成 各类产品的产能规模及变化情况 板块 产品 产能规划 最新产能预计 射频板 块 砷化镓射频芯片产 品 21 年底到 12000 片 /月 4000 片 /月 氮化镓射频芯片产 品 6000 片 /月以上 2000 片 /月 电力电子板块 长沙 SiC 外延片规划月产能 3 万片 光通讯 板块 光通信芯片产品 5000 片 1000-2000 片 /月 来源： 公司公告， 国金证券研究所 四 、 Cree 引领 SiC 产业 ，全球供需即将失衡 1.全产业布局 占优 ,国内追赶海外巨头 成本结构导致 SiC 全产业链布局具有优势。 以碳化硅为衬底的产业链主要 分为衬底、外延和器件三个环节。 由于衬底在器件中的高成本占比，使得掌握 衬底工艺和产能的企业在竞争中具有优势 。 美国的 Cree 和日本的罗姆都是 拥 有从衬底、外延片到器件的碳化硅全产业链生产能力，所生产的碳化硅衬底除 对外销售外，其余部分为自用。 目前 Cree 在衬底方面 产能和市占率 领先所有 竞争者， 2019 年宣布建设 8 英寸衬底产线， 2020 年 全球市场份额 约 50%。 除 了 Cree 和罗姆，在衬底方面处于领先地位的还有 II-VI，国内的有天科合达和 东天岳 ， 6 寸衬底开始规模化生产或者开始建设产线 。 图表 38： 2018年全球导电型碳化硅晶片市场占有率 来源： Yole、 国金证券研究所 外延片市场主要被 IDM 公司主导，如三菱、英飞凌和意法 半导体 。 在 国内 纯粹做外延片的有瀚天天成和东莞天域 ， 均可供应 4-6 英寸外延片，中电科 13 所、 55 所亦均有内部供应的外延片生产部门。 器件方面 ，意法 半导体 、安森美、 英飞凌和罗姆都是重要供应商，华润微 的国内首条 6 寸商用 SiC 产线 已经 正式 量产，三安光电拟投资 160 亿元的碳化硅全产业链布局的湖南子公司也于 2020 年开工。 由于碳化硅器件的成本结构导致全产业链的优势，我们看到器件 公司逐步布局上游材料，如意法半导体在 2020 年 2 月份以 1.4 亿美元现金收 购了瑞典 SiC晶圆制造商 Norstel， Norstel 生产 6 英寸 SiC衬底和外延晶圆。 CREE, 62.00% II-VI, 16.00% Sicrystal, 12.00% DOW, 4.00% Showa Eenko, 2.00% Norstel, 0.50% 天科合达 , 1.70% 山东天岳 , 0.50% 其它 , 1.30% 行业深度研究 - 20 - 敬请参阅最后一页特别声明 图表 39： SiC产业链示意图 来源：天科合达招股说明书、国金证券研究所 在碳化硅产业链各个环节，国内领先水平与国际领先水平仍有一定差距， 但是工艺水平和发展状况的差距远小于相比硅半导体。 图表 40： 国内 SiC各环节与国际领先水平比较 工艺阶段 具体环节 国内 国际 材料 衬底 国内主流： 4-6 英寸 国际主流： 6-8 英寸 外延 国内主流：实现 6 英寸规模制备 国际主流： 6 英寸 SiC 微管密度 （ 4 寸导电型） 小于 1 个 /cm-2 小于 1 个 /cm-2 生长速率 (4 寸， cm/周 ) 2-4 4-6 外延设备 CVD、高温离子注入机等 北方华创等市占率较低 LPE、 Aixtron 和 Nuflare 市占率 87% 功率器件 SiC SBD 电压： 650-1200V 电流： 2-40A 电压： 650-1200V 电流： 2-40A SiC MOSFET 电压： 650-1200V 电流： 20-100A 电压： 650-1700V 电流： 3.7-118A SiC IGBT 电压最高 3.3KV 电压最高 6.5 kV，工作频率 2 kHz 至 50 kHz 应用 工业等场景，价格相对较低 在相对一些高端的领域，例如激光器、射 频、功率电子等应用领域 来源：国金证券研究所 整理 2.需求增长，全球供需即将失衡 特斯拉 Model 3逆变器集成意法半导体的 SiC MOSFET 的功率模块，该主 逆变器需要 24 个电源模块。另外假如 OBC、 DCDC 转换器、快充电桩等都使 用 SiC的话，每台特斯拉 约 消耗 0.5 片 6 英寸碳化硅衬底。 2020 年特斯拉全年共交付新车 49.96 万辆，同比增长 35.87%。如果 2022 年 特斯拉车型全部采用碳化硅， 交付量达到 100 万辆的话，那么仅特斯 拉一年就将消耗掉 50 万片晶圆产量。目前全球碳化硅衬底产能为 40-60 万片。 因此电动车的快速发展 或将 造成碳化硅衬底短时间的失衡。 在此背景下，全球加大碳化硅衬底投资 ： 2020 年 Cree 计划投资 10 亿美 元用于碳化硅产能扩充， 这次产能扩大在 2024 年全部完工后，将带来碳化硅 晶圆制造产能的 30 倍增长和碳化硅材料生产的 30 倍增长，以满足 2024 年之 前的预期市场增长。 罗姆公司也宣布 2024 财年碳化硅生产能力相比 2019 财年 提升 5 倍 以上。 国际企业通过提前锁定衬底产能保证未来供应。 如 Cree 与 英飞凌 、 意法 半导体 等欧美主要 碳化硅 下游企业签订长期供货协议 ，公司 四分之三的材料业 务都签订了长期协议。 行业深度研究 - 21 - 敬请参阅最后一页特别声明 图表 41：国际碳化硅晶片龙头企业提前锁定订单 时间 详情 2018.02 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”供应碳化硅晶 2018.10 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、充电基 础设施、工业源牵引和变速驱动等产品提供碳化硅晶片 2019.08 CREE 与安森美签订了 8500 万美元的 6 英寸碳化硅衬底和外延片供应协议， CREE 将为安森美生产和供应碳化硅衬底及外延片，安森美将用于新能源汽车 和工业应用等高速增长的碳化硅功率器件市场 2019.11 CREE 与 意法半导体 签署一项为期多年的 5 亿美元的生产供应协议， CREE 将向 意法半导体 供应 6 英寸碳化硅晶片 2020.01 罗姆和 意法半导体 宣布达成超 1.2 亿美 元的协议，由罗姆旗下的 SiCrystal 向 意法半导体 供应 6 英寸碳化硅晶片 来源： CASA、国金证券研究所 3.Cree: 宽禁带化合物半导体的引领者 Cree 是 碳化硅领域的 绝对 领先者 。 其在导电型碳化硅衬底的 市场占有率 约 60%，车载领域 市占率 超过 80%，公司在 SiC 基板领域研发超过 35 年，主要 技术来源实际是北卡莱罗纳大学， 1991 年即发布世界上第一个商业 SiC 晶片。 图表 42： Cree 在碳化硅上的布局时间线 时间 重要事件 1991 年 Cree 发布世界上第一个商业 SiC 晶片 1998 年 Cree 发布 首款采用 SiC 的 GaN HEMT 1999 年 Cree 4 英寸碳化硅晶圆量产 2001 年 Cree 发布碳化硅二极管 2002 年 Cree 发布 首款 600V 商用 SiC JBS 肖特基二极管 2004 年 Cree 收购了 AdvancedTechnology Materials（ ATMI）获得 GaN 和外延业务 2011 年 Cree 发布 业界首款 SiC MOSFET 2012 年 Cree 6 英寸碳化硅晶圆量产 2014 年 Cree 发布业界首款 1700V SiC half-bridge Module 2018 年 Cree 收购英飞凌射频功率业务 2019 年 Cree 投资 10 亿美元扩产 SiC，整合一座 8 寸晶圆厂和一座 SiC 材料厂 2019 年 Cree 8 英寸碳化硅晶圆制样，预计 2022 年量产 来源： CREE、 国金证券研究所整理 国内衬底技术与 Cree 存在 差距。目前国内 长晶炉效率不到 Cree 的五分之 一。 Cree 在车载领域市占率超过 80%， 而车规级 SiC MOSFET 单价达到 710 美元 /颗 ，而 工业 级碳化硅 二极管产品单价是几毛到几块钱不等。 公司 2020年 旗下 Wolfspeed实现 营收约 4.7 亿美 元 左右 ， 公司预计 2025年实现营 收 15 亿美元，实现毛利率 50%。 图表 43： Cree 与国内一线衬底厂商产品比较 CREE 国内一线 长晶速度（ 4 寸， cm/周） 4-6 2-4 技术阶段 6 寸规模化供应， 8 寸成功研制并投建 6 寸实现规模化供应 主要产品 车规级、 MOS 工业用，二极管 良率 70-80% 40-50% 技术发展时间 33 年（ 1987） 15 年 6 寸一周产出（片） 37.5 6.7 来源： Cree、天科合达招股说明书 、 国金证券研究所 整理 行业深度研究 - 22 - 敬请参阅最后一页特别声明 而在 GaN上， Cree 也积极布局。 2018 年， Cree 以 3.45 亿欧元的对价 收 购 英飞凌 的 射频 部门，其中包括位于加利福尼亚州摩根希尔的 LDMOS 和 GaN 技术工厂 。 在宣布的 10 亿美 元 扩产中， GaN 的外延（ on SiC）和器件制造也 包含其中 。 Cree 在宽禁带半导体上的技术、应用、资产和市场 上有三十 多 年 积 累， 2019 年剥离照明部门 之后专注于宽禁带化合物半导体，是我们在此领域建 议关注的重点公司 。 4.英飞凌 ：全球最大功率 IDM，布局 SiC/GaN 英飞凌是全球最大的功率器件供应商 。 碳化硅布局方面， 2018 年公司收购 初创公司 Siltectra，其 研发了冷切割技术，可高效处理晶体材料，并最大限度 减少材料损耗 可用于 切割碳化硅晶圆，使单片晶圆可产出的芯片数量翻倍 ， 公 司推出 了 650V和 1700V的 CoolSiC MOSFET 系列 ， 2020年 12月公司与 GT Advanced 签订碳化硅晶锭五年供货协议，进一步确保未来碳化硅材料供应需 求。 2020 财年 英飞凌 来自于碳化硅营收达到 8000 万欧元 。 图表 44： 2019年全球分立功率器件和模组企业市占率 图表 45： 英飞凌 CoolSiC MOSFET 650V 系列 来源：英飞凌、国金证券研究所 来源： 英飞凌、 国金证券研究所 英飞凌在氮化镓上提供丰富的解决方案 。 市场上 GaN方案主要分成三种方 式，分别是：分立式 +外部驱动器；多片集成，开关和驱动 采用 不同的衬底， 但是封装在同一个壳子里；单片集成，氮化镓的开关、驱动、其他器件作为同 衬底的一个解决方案。 而英飞凌能满足不同解决方案需求。公司对于碳化硅技 术和氮化镓采取稳扎稳打推进的方式，利用覆盖从前端到后端的研发能力，从 材料到封装端确保 自身优势。 图表 46：英飞凌提供完整的 GaN解决方案 来源：英飞凌、国金证券研究所 0% 5% 10% 15% 20% 英飞凌 安森美 三菱 东芝 行业深度研究 - 23 - 敬请参阅最后一页特别声明 5.华润微： 国内首家量产 SiC商用产线 公司是国内最大的 MOSFET 功率器件公司 ,2020 年实现营收约 70 亿元， 实现归母净利润 9.6 亿元 。 在碳化硅方面， 公司 通过华润微电子控股参股国内 碳化硅外延片企业瀚天天成 3.2%的股权 ; 2020 年 7 月正式 发布 1200V 和 650V工业级 SiC 肖特基二极管功率器件产品系列， 1200V产品电流等级从 2A 到 40A，主要聚焦于太阳能、 UPS 电源、充电桩、储能、车载电源等应用领域 ， 650V 产品电流等级为 4A 到 16A，主要瞄准服务器电源、通讯电源等高效开关 电源应用市场 ； 与此同时 公司的 国内首条 6 英寸商用 SiC 晶圆产线正式量产。 在 GaN方面，公司利用现有的全产业链 和足够的现金流支持 从衬底材料 、 器件 设计、制造工艺，封装工艺 全面的 硅基氮化镓的研发工作。 五、投资建议 在新能源汽车 刚性需求驱动下，碳化硅产业链在实现综合成本优势之后， 有望迎来爆发式增长；砷化镓未来仍将继续主导 sub-6G 手机射频，同时国内 PA 厂商的发展也带来本土代工需求； GaN 在 5G 宏基站和消费级快充上将取 得大发展。我们从产业链各环节，建议重点关注： 衬底： Cree、山东天岳、天科合达 等 外延：