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核心观点：
- 化合物半导体性能优异，发展前景广阔。化合物半导体主要指砷化镓(GaAs)、氮化镓(GaN)和碳化硅(SiC)等第二、第三代半导体，相比 第一代单质半导体，在高频性能、高温性能方面优异很多。砷化镓:具有高 频、抗辐射、耐高温的特性，大规模应用于无线通讯领域，目前已经成为 PA 和 Switch 的主流材料;氮化镓:主要被应用于通讯基站、功率器件等领 域，功放效率高、功率密度大，因而能节省大量电能，同时减少基站体积和 质量;碳化硅:主要用于大功率高频功率器件，IHS 预测到 2025 年 SiC 功 率半导体的市场规模有望达到 30 亿美元，在未来的 10 年内，SiC 器件将开 始大范围地应用于工业及电动汽车领域，近期碳化硅产业化进度开始加速， 意法、英飞凌等中游厂商开始锁定上游晶圆货源。
- 5G 提速，射频市场有望高速成长。4 月初，美、韩率先宣布 5G 商用，日 本向四大运营商分配 5G频段，预计明年春正式商用。在海外 5G 积极推进 商用的节奏下，全球 5G 推进提速预期强烈，从基站端到终端射频需求都有 望加速增长。在射频器件领域，目前 LDMOS、GaAs、GaN 三者占比相差不 大，预计到 2025 年，在砷化镓市场份额基本维持不变的情况下，氮化镓有 望替代大部分 LDMOS 份额，占据射频器件市场半壁江山。
- 汽车电气化推动碳化硅市场快速成长。据 IC insights预测，2021 年汽车 IC 市场将会增长到436亿美元，2017 年到 2021 年之间的复合增长率为12.5%，为 IC 领域复合增长率最高的下游应用。同时，随着汽车电气化进 程不断推进，尤其是电动车等新能源汽车的逐渐普及，使汽车硅含量不断提 升，电动车以及由此带动的各类基础设施建设将成为碳化硅市场的主要 驱动力。
报告内容：
化合物半导体
什么是化合物半导体?
半导体材料可分为单质半导体及化合物半导体两类，前者如硅(Si)、锗(Ge)等所形成 的半导体，后者为砷化镓(GaAs)、氮化镓(GaN)、碳化硅(SiC)等化合物形成。半导 体在过去主要经历了三代变化，。砷化镓(GaAs)、氮化镓(GaN)和碳化硅(SiC)半 导体分别作为第二代和第三代半导体的代表，相比第一代半导体高频性能、高温性能优 异很多，制造成本更为高昂，可谓是半导体中的新贵。
三大化合物半导体材料中，GaAs 占大头，主要用于通讯领域，全球市场容量接近百亿 美元，主要受益通信射频芯片尤其是 PA 升级驱动;GaN 大功率、高频性能更出色，主 要应用于军事领域，目前市场容量不到 10 亿美元，随着成本下降有望迎来广泛应用; SiC 主要作为高功率半导体材料应用于汽车以及工业电力电子，在大功率转换应用中具 有巨大的优势。
超越摩尔:光学、射频、功率等模拟 IC 持续发展
摩尔定律放缓，集成电路发展分化。现在集成电路的发展主要有两个反向:More Moore (深度摩尔)和 More than Moore (超越摩尔)。摩尔定律是指集成电路大概 18 个月的 时间里，在同样的面积上，晶体管数量会增加一倍，但是价格下降一半。但是在 28nm 时遇到了阻碍，其晶体管数量虽然增加一倍，但是价格没有下降一半。More Moore (深 度摩尔)是指继续提升制程节点技术，进入后摩尔时期。与此同时，More than Moore (超 越摩尔)被人们提出，此方案以实现更多应用为导向，专注于在单片 IC 上加入越来越多 的功能。
模拟 IC 更适合在More than Moore (超越摩尔)道路。先进制程与高集成度可以使 数字 IC 具有更好的性能和更低的成本，但是这不适用于模拟 IC。射频电路等模拟电路 往往需要使用大尺寸电感，先进制程的集成度影响并不大，同时还会使得成本升高;先 进制程往往用于低功耗环境，但是射频、电源等模拟 IC 会用于高频、高功耗领域，先进 制程对性能甚至有负面影响;低电源和电压下模拟电路的线性度也难以保证。PA 主要技 术是 GaAs，而开关主要技术是SOI，More than Moore (超越摩尔)可以实现使用不同 技术和工艺的组合，为模拟 IC 的进一步发展提供了道路。
第三代半导体适应更多应用场景。硅基半导体具有耐高温、抗辐射性能好、制作方便、 稳定性好。可靠度高等特点，使得99%以上集成电路都是以硅为材料制作的。但是硅基 半导体不适合在高频、高功率领域使用。2G、3G 和 4G 等时代 PA 主要材料是GaAs，但是进入 5G 时代以后，主要材料是GaN。5G 的频率较高，其跳跃式的反射特性使其传 输距离较短。由于毫米波对于功率的要求非常高，而 GaN 具有体积小功率大的特性，是 目前最适合 5G时代的 PA 材料。SiC 和 GaN 等第三代半导体将更能适应未来的应用需求。
模拟 IC 关注电压电流控制、失真率、功耗、可靠性和稳定性，设计者需要考虑各种元 器件对模拟电路性能的影响，设计难度较高。数字电路追求运算速度与成本，多采用 CMOS 工艺，多年来一直沿着摩尔定律发展，不断采用地更高效率的算法来处理数字信 号，或者利用新工艺提高集成度降低成本。而过高的工艺节点技术往往不利于实现模拟IC实现低失真和高信噪比或者输出高电压或者大电流来驱动其他元件的要求，因此模拟 IC 对节点演进需求相对较低远大于数字 IC。模拟芯片的生命周期也较长，一般长达 10 年及以上，如仙童公司在 1968 年推出的运放μA741 卖了近五十年还有客户在用。
目前数字 IC 多采用 CMOS 工艺，而模拟IC采用的工艺种类较多，不受摩尔定律束缚。 模拟 IC 的制造工艺有 Bipolar 工艺、CMOS 工艺和 BiCMOS 工艺。在高频领域，SiGe 工 艺、GaAs 工艺和SOI工艺还可以与 Bipolar 和 BiCMOS 工艺结合，实现更优异的性能。 而在功率领域，SOI工艺和 BCD(BiCMOS 基础上集成 DMOS等功率器件)工艺也有更 好的表现。模拟IC应用广泛，使用环节也各不相同，因此制造工艺也会相应变化。
砷化镓(GaAs):无线通信核心材料，受益5G大趋势
相较于第一代硅半导体，砷化镓具有高频、抗辐射、耐高温的特性，因此广泛应用在主 流的商用无线通信、光通讯以及国防军工用途上。无线通信的普及与硅在高频特性上的 限制共同催生砷化镓材料脱颖而出，在无线通讯领域得到大规模应用。
基带和射频模块是完成 3/4/5G 蜂窝通讯功能的核心部件。射频模块一般由收发器和前 端模组(PA、Switch、Filter)组成。其中砷化镓目前已经成为PA和 Switch 的主流材料。
4G/5G频段持续提升，驱动 PA 用量增长。由于单颗 PA 芯片仅能处理固定频段的信号， 所以蜂窝通讯频段的增加会显著提升智能手机单机 PA 消耗量。随着4G通讯的普及，移 动通讯的频段由 2010 年的 6 个急速扩张到43个，5G 时代更有有望提升至 60 以上。目 前主流 4G通信采用 5 频 13 模，平均使用7颗 PA，4 个射频开关器。
目前砷化镓龙头企业仍以 IDM 模式为主，包括美国 Skyworks、Qorvo、 Broadcom/Avago、Cree、德国 Infineon 等。同时我们也注意到产业发展模式开始 逐渐由 IDM模式转为设计+代工生产，典型事件为代工比例持续提升、avago 去年将科 罗拉多厂出售给稳懋等。我们认为 GaAs 衬底和器件技术不断成熟和标准化，产品多样 化、器件设计的价值显著，设计+制造的分工模式开始增加。
从 Yole Development 等第三方研究机构估算来看，2017 年全球用于 PA的 GaAs 器 件市场规模达到 80-90 亿美元，大部分的市场份额集中于 Skyworks、Qorvo、Avago 三 大巨头。预计随着通信升级未来两年有望正式超过100亿美元。
同时应用市场决定无需 60 nm 线宽以下先进制程工艺，不追求最先进制程工艺是另外 一个特点。化合物半导体面向射频、高电压大功率、光电子等领域，无需先进工艺。GaAs 和 GaN 器件以 0.13、0.18μm 以上工艺为主。Qorvo 正在进行 90nm 工艺研发。此外由 于受 GaAs和 SiC 衬底尺寸限制，目前生产线基本全为 4 英寸和 6 英寸。以 Qorvo 为例， 我们统计下来氮化镓制程基本线宽在 0.25-0.50um，生产线以 4 英寸为主。
氮化镓&碳化硅:高压高频优势显著
氮化镓(GaN)和碳化硅(SiC)并称为第三代半导体材料的双雄，由于性能不同，二者的 应用领域也不相同。由于氮化镓具有禁带宽度大、击穿电场高、饱和电子速率大、热导 率高、化学性质稳定和抗辐射能力强等优点，成为高温、高频、大功率微波器件的首选 材料之一。
氮化镓:5G时代来临，射频应用前景广阔
目前氮化镓器件有三分之二应用于军工电子，如军事通讯、电子干扰、雷达等领域;在 民用领域，氮化镓主要被应用于通讯基站、功率器件等领域。氮化镓基站 PA 的功放效 率较其他材料更高，因而能节省大量电能，且其可以几乎覆盖无线通讯的所有频段，功 率密度大，能够减少基站体积和质量。
特色工艺代工厂崛起，分工大势所趋。全球半导体分为 IDM(Integrated Device Manufacture，集成电路制造)模式和垂直分工模式两种商业模式，老牌大厂由于历史原 因，多为 IDM 模式。随着集成电路技术演进，摩尔定律逼近极限，各环节技术、资金壁 垒日渐提高，传统 IDM 模式弊端凸显，新锐厂商多选择 Fabless(无晶圆厂)模式，轻 装追赶。同时英飞凌、TI、AMD 等老牌大厂也逐渐将全部或部分制造、封测环节外包， 转向 Fab-Lite(轻晶圆厂)甚至 Fabless 模式。
氮化镓射频器件高速成长，复合增速 23%，下游市场结构整体保持稳定。研究机构 Yole Development 数据显示，2017 年氮化镓射频市场规模为3.8亿美元，将于 2023 年增长 至 13 亿美元，复合增速为22.9%。下游应用结构整体保持稳定，以通讯与军工为主， 二者合计占比约为 80%。
碳化硅:功率器件核心材料，新能源汽车驱动成长
SiC主要用于大功率高频功率器件。以 SiC 为材料的二极管、MOSFET、IGBT 等器件未 来有望在汽车电子领域取代 Si。目前 SiC 半导体仍处于发展初期，晶圆生长过程中易出现材料的基面位错，以致SiC器件可靠性下降。另一方面，晶圆生长难度导致 SiC 材料价格昂贵，预计想要大规模得到应用仍需一段时期的技术改进。
Die Size 和成本是碳化硅技术产业化的核心变量。我们比较目前市场主流 1200V 硅基 IGBT 及碳化硅基MOSFET，可以发现 SiC 基 MOSFET 产品较 Si 基产品能够大幅减少Die Size，且表现性能更好。但是目前最大阻碍仍在于 Wafer Cost，根据 yole development 测算，单片成本 SiC 比 Si 基产品高出 7-8 倍。
研究机构 IHS 预测到 2025 年 SiC 功率半导体的市场规模有望达到 30 亿美元。在未来 的 10 年内，SiC 器件将开始大范围地应用于工业及电动汽车领域。纵观全球 SiC 主要市 场，电力电子占据了 2016-2017 年最大的市场份额。该市场增长的主要驱动因素是由于 电源供应和逆变器应用越来越多地使用 SiC 器件。
SiC近期产业化进度加速，上游产业链开始扩大规模和锁定货源。我们根据整理 CREE 公告，可以发现近期碳化硅产业化进度开始加速，ST、英飞凌等中游厂商开始锁定上游 晶圆货源:
Ø2019 年 1 月公告:CREE 与 ST 签署一项为期多年的 2.5 亿美元规模的生产供应协议，Wolfspeed 将会向 ST 供应 150 mm SiC 晶圆。
Ø2018 年 10 月公告: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”生产和供应 SiC 晶圆。
Ø2018 年 2 月公告: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、机器人、充电基础设施、工业电源、牵引和变速驱动器等产品提供 SiC 晶圆。
两大驱动力:5G提速+汽车电气化
5G 加速推进，射频市场有望高速成长
海外率先商用，5G 提速预期强烈
海外 5G 率先商用，国内5G推进有望加速!4 月 3 日，美国运营商Verizon宣布在部分 地区推出 5G 服务;4 月 5 日，韩国三大运营商宣布开始针对普通消费者的5G商用服务; 4 月 10 日，日本政府向四大运营商分配5G频段，预计明年春正式商用;我们认为，在 海外 5G积极推进商用的节奏下，国内 5G 有望加速。
随着 5G 的推广，从5G的建设需求来看，5G 将会采取"宏站加小站"组网覆盖的模式， 历次基站的升级，都会带来一轮原有基站改造和新基站建设潮。2017 年我国 4G 广覆盖 阶段基本结束，4G 宏基站达到 328 万个。根据赛迪顾问预测，5G 宏基站总数量将会是 4G 宏基站1.1~1.5倍，对应 360 万至 492 万 5G 宏基站。
于此同时在小站方面，毫米波高频段的小站覆盖范围是 10~20m，应用于热点区域或更 高容量业务场景，其数量保守估计将是宏站的 2 倍，由此我们预计 5G 小站将达到950万个。
氮化镓将占射频器件市场半壁江山
基站建设将是氮化镓市场成长的主要驱动力之一。Yole development 数据显示，2018 年，基站端氮化镓射频器件市场规模不足 2 亿美元，预计到 2023 年，基站端氮化镓市 场规模将超 5亿美元。氮化镓射频器件市场整体将保持 23%的复合增速，2023 年市场 规模有望达 13亿美元。
氮化镓将占射频器件市场半壁江山。在射频器件领域，目前 LDMOS(横向扩散金属氧化 物半导体)、GaAs(砷化镓)、GaN(氮化镓)三者占比相差不大，但据 Yole development 预测，至 2025 年，砷化镓市场份额基本维持不变的情况下，氮化镓有望替代大部分LDMOS份额，占据射频器件市场约 50%的份额。
汽车电气化推动碳化硅市场快速成长
汽车半导体市场快速增长
汽车 IC 快速增长，成半导体增长亮点。根据 IC Insights 数据，预计 2018 年汽车 IC 增 速可达 18.5%，规模可达 323 亿美元。到 2021 年，汽车 IC 市场将会增长到 436 亿 美元，2017 年到 2021 年之间的复合增长率为 12.5%，为复合增长率最高的细分市场模块，也是未来的主要驱动力之一。
汽车模拟 IC 增长强劲，实现对智能手机的超越。智能手机的高速增长曾经是带动半导 体市场增长的主要驱动力，如今汽车成为下一位选手。根据HIS数据，从体量上看，2015 年汽车模拟 IC 市场将已经超过的智能手机市场，预计2018年汽车模拟 IC 市场规模可 达 102 亿美元。与此同时，由于汽车市场增速高于其他子行业，其模拟IC销售占比也 逐年增加。
环保需求持续驱动汽车电气化进程
环保节能需求推动汽车电气化，新能源汽车快速增长。由于各国政府对能源和环境问题 高度重视，纷纷提出禁售燃油车计划，汽车电气化几乎是必然趋势。Katusa Research 数据显示，中国，美国和德国将成为电动汽车的主要推广者，致使 2040 年电动汽车年 均销售量可达 6 千万量。新能源汽车能够有效降低燃油消耗量，而新能源汽车需要用到大量的电源类 IC(比如升降电压用的DC/DC)，模拟 IC 行业可从中受益。
汽车硅含量持续提升，碳化硅市场显著受益
汽车电气化程度逐步加深，硅价值量持续增长。各车企纷纷推出新能源车，以实现汽车 电动化的软替代，常见的新能源汽车包括混合动力汽车、插电式混合动力汽车、增程式 电动汽车、纯电动汽车。随着电气化程度的提升，汽车半导体价值量也水涨船高。2018 年中度混合动力汽车、插电式混合动力汽车和纯电动汽车单车半导体价值量分别达 475、 740 和 750 美元，根据 Strategy Analytics 预测，2025 年度混合动力汽车、插电式混合 动力汽车和纯电动汽车销量分别可达到 0.17 亿、0.13 亿、0.08 亿，合计半导体市场规 模可达 237亿美元。
电动车市场将是碳化硅器件成长的主要驱动力。根据 Yole development 预测，未来几年 新能源汽车、电机驱动、铁路对碳化硅市场增长影响较大，其中增量价值最高的为新能 源汽车，包括汽车本身以及由此带动的各类基础设施建设。
汽车处于安全性考虑，需要包含各个子系统的稳压、静电保护、信号隔绝等需求，同时 还需要众多与电力系统配套的功率半导体产品，包括充电器、电池管理、逆变器、次逆 变器、DC/DC以及各种接口等。因此汽车电动化给功率半导体带来了更广阔的市场空间。
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三安光电:全工艺平台布局，持续加码化合物半导体，III-V 族龙头正式起 航
我们认为 III-V 族化合物半导体是三安光电下一个十年的核心成长驱动及跟踪重点，5G 无线通讯基站、智能手机、WiFi 与光纤等高速数据传输、汽车/工业/太阳能等功率芯 片，都将对化合物半导体产生强劲的需求。
继此前与华芯投资(集成电路产业大基金托管人)签署战略协议开展不超过 25 亿美元 的合作，拟合资设立III—V族化合物集成电路发展专项基金，公司 17 年 12 月再度公 告加码，拟投资总额333亿元在福建泉州成立项目公司，全部项目五年内实现投产，七 年内全部项目实现达产，经营期限不少于25年。产业化项目包括:
- 高端氮化镓 LED衬底、外延、芯片的研发与制造; Ø高端砷化镓 LED 外延、芯片的研发与制造;
- 大功率氮化镓激光器的研发与制造;
- 光通讯器件的研发与制造;
- 射频、滤波器的研发与制造;
- 功率型半导体(电力电子)的研发与制造;
- 特种衬底材料研发与制造、特种封装产品应用研发与制造。
三安光电作为 LED 芯片国际龙头，依托 LED 外延、芯片工艺在III-V族化合物半导体 布局深厚，成立时间、规模及品质均为国内领先。333 亿元议案再度加码彰显公司决心， 未来将立足于III-V族化合物半导体材料的研发与应用，以砷化镓、氮化镓、碳化硅、磷 化铟等半导体新材料所涉及到的核心主业做大做强!
由三安光电研发的III-V 族化合物半导体材料的应用领域从原有的 LED 外延片、芯片，延 伸到了光通讯器件、射频与滤波器、功率型半导体三个新领域，基本涵盖了今后III-V 族 化合物半导体材料应用的重要领域。这一布局，除了将为三安光电每年在营收上带来贡 献，进一步扩大公司体量。
目前三安集成全工艺平台布局，在 HBT、pHEMT、GaN 以及碳化硅领域均进行工艺开 发及工艺鉴定试验:
根据三安集成官网 12 月 19 日正式发布，三安公布商业版本的6英寸碳化硅晶圆制造 流程，宣布完成全部工艺鉴定试验，并将其加入到代工服务组合中。公司目前生产的碳 化硅晶圆，是用于电力电子中电路设计的最成熟的宽禁带(WBG)半导体，可以为650V、 1200V 和更高额定肖特基势垒二极管(SBD)提供器件结构，不久后会推出针对 900V、 1200V 和更高额定肖特基势垒二极管的碳化硅MOS场效应晶体管工艺(SiC MOSFETs)。
CREE:碳化硅基氮化镓龙头，Wolfspeed 持续高增长
CREE成立于 1987 年，1993 年上市，为全球LED外延、芯片、封装、LED 照明解决方案、化合物半导体材料、功率器件和射频于一体的著名制造商和行业领先者。
CREE在氮化镓射频领域，专利护城河全球第一。根据专利研究机构 KnowMade 对 3750 项氮化镓射频领域专利的研究，基于数量与质量等多个维度的综合考量，CREE 毫无疑 问为全球第一，尤其在碳化硅基氮化镓领域。
公司在 2018 年 2月的投资者日提出了未来的发展规划，推动 Wolfspeed 成为增长引擎， 将 LED 聚焦于更加差异化的市场。Wolfspeed 专注于碳化硅与氮化镓领域，产品包括碳 化硅材料、射频器件、功率器件。下游包括电动车、通讯、工业、国防、航天航空。
Wolfspeed收入规模高速增长，毛利率维持高位。2019 财年第二财季，对应公历 18Q4，Wolfspeed收入同比增长 92%，环比增长6%至 1.35 亿美元;不计入收购英飞凌部分业 务时，同比增长超过 50%;毛利率为47.8%，环比增加40个基点;预计 FQ3 收入将环 比继续增长几个百分点，利润率目标为 48%。
从市场空间看，CREE 碳化硅、氮化镓下游目标市场均有高速成长的趋势，根据 CREE 在 2018 年 2 月投资者日公布的相关数据，在碳化硅功率、氮化镓射频、碳化硅材料三大市 场，2017 年合计规模为 7.42 亿美元，2022 年 CREE 可服务市场规模为73.22美元，5 年有望增长近乎 10 倍。
从市场份额看，CREE 均占据领先地位，2017 年，碳化硅功率分立器件市场规模约为3亿美元，CREE 占比 26%;碳化硅晶圆市场规模约为 8000 万美元，CREE 占比 52%。两 大领域份额均居首位。
2019年 3 月 15 日，CREE 宣布出售其照明产品业务部门(Cree Lighting)给 IDEAL INDUSTRIES，其中包括面向商业、工业及消费者的 LED 照明灯具、光源和照明解决方 案业务。该交易税前价约为 3.1亿美元(约合人民币 20.8 亿元)。出售照明业务部门 符合公司战略，有助于为 Wolfspeed 半导体业务提供增长资本，预计公司资本配臵将优 先用于 wolfspeed 业务，进一步增强公司在碳化硅、氮化镓领域的竞争力。
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（报告来源：国盛证券；分析师：郑震湘、佘凌星、徐斌毅 ）
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