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半導(dǎo)體材料可分為單質(zhì)半導(dǎo)體及化合物半導(dǎo)體兩類，前者如硅（Si）、鍺(Ge）等所形成的半導(dǎo)體，后者為砷化鎵（GaAs）、氮化鎵（GaN）、碳化硅（SiC）等化合物形成。半導(dǎo)體在過去主要經(jīng)歷了三代變化。砷化鎵（GaAs）、氮化鎵（GaN）和碳化硅（SiC）半導(dǎo)體分別作為第二代和第三代半導(dǎo)體的代表，相比第一代半導(dǎo)體高頻性能、高溫性能優(yōu)異很多，制造成本更為高昂，可謂是半導(dǎo)體中的新貴。

不同化合物半導(dǎo)體應(yīng)用領(lǐng)域

三大化合物半導(dǎo)體材料中，GaAs 占大頭，主要用于通訊領(lǐng)域，全球市場容量接近百億美元，主要受益通信射頻芯片尤其是 PA 升級驅(qū)動(dòng)；GaN 大功率、高頻性能更出色，主要應(yīng)用于軍事領(lǐng)域，目前市場容量不到 10 億美元，隨著成本下降有望迎來廣泛應(yīng)用；SiC 主要作為高功率半導(dǎo)體材料應(yīng)用于汽車以及工業(yè)電力電子，在大功率轉(zhuǎn)換應(yīng)用中具有巨大的優(yōu)勢。

化合物半導(dǎo)體材料性能更為優(yōu)異

超越摩爾：光學(xué)、射頻、功率等模擬 IC 持續(xù)發(fā)展

摩爾定律放緩，集成電路發(fā)展分化?，F(xiàn)在集成電路的發(fā)展主要有兩個(gè)反向：More Moore（深度摩爾）和 More than Moore （超越摩爾）。摩爾定律是指集成電路大概 18 個(gè)月的時(shí)間里，在同樣的面積上，晶體管數(shù)量會增加一倍，但是價(jià)格下降一半。但是在 28nm時(shí)遇到了阻礙，其晶體管數(shù)量雖然增加一倍，但是價(jià)格沒有下降一半。More Moore （深度摩爾）是指繼續(xù)提升制程節(jié)點(diǎn)技術(shù)，進(jìn)入后摩爾時(shí)期。與此同時(shí)，More than Moore （超越摩爾）被人們提出，此方案以實(shí)現(xiàn)更多應(yīng)用為導(dǎo)向，專注于在單片 IC 上加入越來越多的功能。

摩爾定律失效（DRAM 供應(yīng)鏈）

模擬 IC 更適合在 More than Moore （超越摩爾）道路。先進(jìn)制程與高集成度可以使數(shù)字 IC 具有更好的性能和更低的成本，但是這不適用于模擬 IC。射頻電路等模擬電路往往需要使用大尺寸電感，先進(jìn)制程的集成度影響并不大，同時(shí)還會使得成本升高；先進(jìn)制程往往用于低功耗環(huán)境，但是射頻、電源等模擬 IC 會用于高頻、高功耗領(lǐng)域，先進(jìn)制程對性能甚至有負(fù)面影響；低電源和電壓下模擬電路的線性度也難以保證。PA 主要技術(shù)是 GaAs，而開關(guān)主要技術(shù)是 SOI，More than Moore （超越摩爾）可以實(shí)現(xiàn)使用不同技術(shù)和工藝的組合，為模擬 IC 的進(jìn)一步發(fā)展提供了道路。

超越摩爾示意

第三代半導(dǎo)體適應(yīng)更多應(yīng)用場景。硅基半導(dǎo)體具有耐高溫、抗輻射性能好、制作方便、穩(wěn)定性好?？煽慷雀叩忍攸c(diǎn)，使得 99%以上集成電路都是以硅為材料制作的。但是硅基半導(dǎo)體不適合在高頻、高功率領(lǐng)域使用。2G、3G 和 4G 等時(shí)代 PA 主要材料是 GaAs，但是進(jìn)入 5G 時(shí)代以后，主要材料是 GaN。5G 的頻率較高，其跳躍式的反射特性使其傳輸距離較短。由于毫米波對于功率的要求非常高，而 GaN 具有體積小功率大的特性，是目前最適合5G時(shí)代的PA材料。SiC和GaN等第三代半導(dǎo)體將更能適應(yīng)未來的應(yīng)用需求。

第三代半導(dǎo)體的應(yīng)用場景

模擬 IC 關(guān)注電壓電流控制、失真率、功耗、可靠性和穩(wěn)定性，設(shè)計(jì)者需要考慮各種元器件對模擬電路性能的影響，設(shè)計(jì)難度較高。數(shù)字電路追求運(yùn)算速度與成本，多采用CMOS 工藝，多年來一直沿著摩爾定律發(fā)展，不斷采用地更高效率的算法來處理數(shù)字信號，或者利用新工藝提高集成度降低成本。而過高的工藝節(jié)點(diǎn)技術(shù)往往不利于實(shí)現(xiàn)模擬IC 實(shí)現(xiàn)低失真和高信噪比或者輸出高電壓或者大電流來驅(qū)動(dòng)其他元件的要求，因此模擬IC 對節(jié)點(diǎn)演進(jìn)需求相對較低遠(yuǎn)大于數(shù)字 IC。模擬芯片的生命周期也較長，一般長達(dá) 10年及以上，如仙童公司在 1968 年推出的運(yùn)放μA741 賣了近五十年還有客戶在用。

模擬 IC 與數(shù)字 IC 的區(qū)別

目前數(shù)字 IC 多采用 CMOS 工藝，而模擬 IC 采用的工藝種類較多，不受摩爾定律束縛。

模擬 IC 的制造工藝有 Bipolar 工藝、CMOS 工藝和 BiCMOS 工藝。在高頻領(lǐng)域，SiGe 工藝、GaAs 工藝和 SOI 工藝還可以與 Bipolar 和 BiCMOS 工藝結(jié)合，實(shí)現(xiàn)更優(yōu)異的性能。而在功率領(lǐng)域，SOI 工藝和 BCD（BiCMOS 基礎(chǔ)上集成 DMOS 等功率器件）工藝也有更好的表現(xiàn)。模擬 IC 應(yīng)用廣泛，使用環(huán)節(jié)也各不相同，因此制造工藝也會相應(yīng)變化。

模擬 IC 工藝介紹

砷化鎵（GaAs）：無線通信核心材料，受益 5G 大趨勢

相較于第一代硅半導(dǎo)體，砷化鎵具有高頻、抗輻射、耐高溫的特性，因此廣泛應(yīng)用在主流的商用無線通信、光通訊以及國防軍工用途上。無線通信的普及與硅在高頻特性上的限制共同催生砷化鎵材料脫穎而出，在無線通訊領(lǐng)域得到大規(guī)模應(yīng)用。

基帶和射頻模塊是完成 3/4/5G 蜂窩通訊功能的核心部件。射頻模塊一般由收發(fā)器和前端模組（PA、Switch、Filter）組成。其中砷化鎵目前已經(jīng)成為 PA 和 Switch 的主流材料。

4G/5G 頻段持續(xù)提升，驅(qū)動(dòng) PA 用量增長。由于單顆 PA 芯片僅能處理固定頻段的信號，所以蜂窩通訊頻段的增加會顯著提升智能手機(jī)單機(jī) PA 消耗量。隨著 4G 通訊的普及，移動(dòng)通訊的頻段由 2010 年的 6 個(gè)急速擴(kuò)張到 43 個(gè)，5G 時(shí)代更有有望提升至 60 以上。目前主流 4G 通信采用 5 頻 13 模，平均使用 7 顆 PA，4 個(gè)射頻開關(guān)器。

PA 價(jià)值量明顯受益 4G 發(fā)展趨勢

目 前 砷 化 鎵 龍 頭 企 業(yè) 仍 以 IDM 模式為主，包括美國 Skyworks 、 Qorvo、Broadcom/Avago、Cree、德國 Infineon 等。同時(shí)我們也注意到產(chǎn)業(yè)發(fā)展模式開始逐漸由 IDM 模式轉(zhuǎn)為設(shè)計(jì)+代工生產(chǎn)，典型事件為代工比例持續(xù)提升、avago 去年將科羅拉多廠出售給穩(wěn)懋等。我們認(rèn)為 GaAs 襯底和器件技術(shù)不斷成熟和標(biāo)準(zhǔn)化，產(chǎn)品多樣化、器件設(shè)計(jì)的價(jià)值顯著，設(shè)計(jì)+制造的分工模式開始增加。

目前 PA 產(chǎn)品市場占比

從 Yole Development 等第三方研究機(jī)構(gòu)估算來看，2017 年全球用于 PA 的 GaAs 器件市場規(guī)模達(dá)到 80-90 億美元，大部分的市場份額集中于 Skyworks、Qorvo、Avago 三大巨頭。預(yù)計(jì)隨著通信升級未來兩年有望正式超過 100 億美元。

PA 產(chǎn)品代工廠營收占比情況

同時(shí)應(yīng)用市場決定無需 60 nm 線寬以下先進(jìn)制程工藝，不追求最先進(jìn)制程工藝是另外一個(gè)特點(diǎn)?；衔锇雽?dǎo)體面向射頻、高電壓大功率、光電子等領(lǐng)域，無需先進(jìn)工藝。GaAs和 GaN 器件以 0.13、0.18μm 以上工藝為主。Qorvo 正在進(jìn)行 90nm 工藝研發(fā)。此外由于受 GaAs 和 SiC 襯底尺寸限制，目前生產(chǎn)線基本全為 4 英寸和 6 英寸。以 Qorvo 為例，我們統(tǒng)計(jì)下來氮化鎵制程基本線寬在 0.25-0.50um，生產(chǎn)線以 4 英寸為主。

Qorvo 氮化鎵射頻器件工藝制程

氮化鎵&碳化硅：高壓高頻優(yōu)勢顯著

氮化鎵(GaN)和碳化硅(SiC)并稱為第三代半導(dǎo)體材料的雙雄，由于性能不同，二者的應(yīng)用領(lǐng)域也不相同。由于氮化鎵具有禁帶寬度大、擊穿電場高、飽和電子速率大、熱導(dǎo)率高、化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定和抗輻射能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，成為高溫、高頻、大功率微波器件的首選材料之一。

GaN HEMT 禁帶寬度表現(xiàn)優(yōu)異

氮化鎵：5G 時(shí)代來臨，射頻應(yīng)用前景廣闊

目前氮化鎵器件有三分之二應(yīng)用于軍工電子，如軍事通訊、電子干擾、雷達(dá)等領(lǐng)域；在民用領(lǐng)域，氮化鎵主要被應(yīng)用于通訊基站、功率器件等領(lǐng)域。氮化鎵基站 PA 的功放效率較其他材料更高，因而能節(jié)省大量電能，且其可以幾乎覆蓋無線通訊的所有頻段，功率密度大，能夠減少基站體積和質(zhì)量。

GaN 較 GaAs 大幅減少體積

特色工藝代工廠崛起，分工大勢所趨。全球半導(dǎo)體分為 IDM(Integrated Device Manufacture，集成電路制造)模式和垂直分工模式兩種商業(yè)模式，老牌大廠由于歷史原因，多為 IDM 模式。隨著集成電路技術(shù)演進(jìn)，摩爾定律逼近極限，各環(huán)節(jié)技術(shù)、資金壁壘日漸提高，傳統(tǒng) IDM 模式弊端凸顯，新銳廠商多選擇 Fabless（無晶圓廠）模式，輕裝追趕。

氮化鎵性能對比

同時(shí)英飛凌、TI、AMD 等老牌大廠也逐漸將全部或部分制造、封測環(huán)節(jié)外包，轉(zhuǎn)向 Fab-Lite（輕晶圓廠）甚至 Fabless 模式。

氮化鎵射頻器件產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)變化

氮化鎵射頻器件高速成長，復(fù)合增速 23%，下游市場結(jié)構(gòu)整體保持穩(wěn)定。研究機(jī)構(gòu) YoleDevelopment 數(shù)據(jù)顯示，2017 年氮化鎵射頻市場規(guī)模為 3.8 億美元，將于 2023 年增長至 13 億美元，復(fù)合增速為 22.9%。下游應(yīng)用結(jié)構(gòu)整體保持穩(wěn)定，以通訊與軍工為主，二者合計(jì)占比約為 80%。

氮化鎵射頻器件下游結(jié)構(gòu)

碳化硅：功率器件核心材料，新能源汽車驅(qū)動(dòng)成長

SiC 主要用于大功率高頻功率器件。以 SiC 為材料的二極管、MOSFET、IGBT 等器件未來有望在汽車電子領(lǐng)域取代 Si。。

SiC 應(yīng)用領(lǐng)域

目前 SiC 半導(dǎo)體仍處于發(fā)展初期，晶圓生長過程中易出現(xiàn)材料的基面位錯(cuò)，以致 SiC 器件可靠性下降。另一方面，晶圓生長難度導(dǎo)致 SiC 材料價(jià)格昂貴，預(yù)計(jì)想要大規(guī)模得到應(yīng)用仍需一段時(shí)期的技術(shù)改進(jìn)。

SiC 特性和優(yōu)勢

Die Size 和成本是碳化硅技術(shù)產(chǎn)業(yè)化的核心變量。我們比較目前市場主流 1200V 硅基IGBT 及碳化硅基 MOSFET，可以發(fā)現(xiàn) SiC 基 MOSFET 產(chǎn)品較 Si 基產(chǎn)品能夠大幅減少 Die Size，且表現(xiàn)性能更好。但是目前最大阻礙仍在于 Wafer Cost，根據(jù) yole development測算，單片成本 SiC 比 Si 基產(chǎn)品高出 7-8 倍。

SiC 較 Si 基產(chǎn)品能夠大幅減少 Die Size

硅基 IGBT 與碳化硅基 MOSFET wafer cost 對比

研究機(jī)構(gòu) IHS 預(yù)測到 2025 年 SiC 功率半導(dǎo)體的市場規(guī)模有望達(dá)到 30 億美元。在未來的 10 年內(nèi)，SiC 器件將開始大范圍地應(yīng)用于工業(yè)及電動(dòng)汽車領(lǐng)域?？v觀全球 SiC 主要市場，電力電子占據(jù)了 2016-2017 年最大的市場份額。該市場增長的主要驅(qū)動(dòng)因素是由于電源供應(yīng)和逆變器應(yīng)用越來越多地使用 SiC 器件。

碳化硅市場空間（百萬美元）

碳化硅產(chǎn)業(yè)鏈

SiC 近期產(chǎn)業(yè)化進(jìn)度加速，上游產(chǎn)業(yè)鏈開始擴(kuò)大規(guī)模和鎖定貨源。我們根據(jù)整理 CREE公告，可以發(fā)現(xiàn)近期碳化硅產(chǎn)業(yè)化進(jìn)度開始加速，ST、英飛凌等中游廠商開始鎖定上游晶圓貨源：

一、2019 年 1 月公告：CREE 與 ST 簽署一項(xiàng)為期多年的 2.5 億美元規(guī)模的生產(chǎn)供應(yīng)協(xié)議，Wolfspeed 將會向 ST 供應(yīng) 150 ㎜ SiC 晶圓。

二、2018 年 10 月公告：CREE 宣布了一項(xiàng)價(jià)值 8,500 萬美元的長期協(xié)議，將為一家未公布名稱的“領(lǐng)先電力設(shè)備公司”生產(chǎn)和供應(yīng) SiC 晶圓。

三、2018 年 2 月公告：Cree 與英飛凌簽訂了 1 億美元的長期供應(yīng)協(xié)議，為其光伏逆變器、機(jī)器人、充電基礎(chǔ)設(shè)施、工業(yè)電源、牽引和變速驅(qū)動(dòng)器等產(chǎn)品提供 SiC 晶圓。

兩大驅(qū)動(dòng)力：5G 提速+汽車電氣化

5G 加速推進(jìn)，射頻市場有望高速成長。

海外 5G 率先商用，國內(nèi) 5G 推進(jìn)有望加速！4 月 3 日，美國運(yùn)營商 Verizon 宣布在部分地區(qū)推出 5G 服務(wù)；4 月 5 日，韓國三大運(yùn)營商宣布開始針對普通消費(fèi)者的 5G 商用服務(wù)；4 月 10 日，日本政府向四大運(yùn)營商分配 5G 頻段，預(yù)計(jì)明年春正式商用；我們認(rèn)為，在海外 5G 積極推進(jìn)商用的節(jié)奏下，國內(nèi) 5G 有望加速。

全球 5G 落地時(shí)間

隨著 5G 的推廣，從 5G 的建設(shè)需求來看，5G 將會采取"宏站加小站"組網(wǎng)覆蓋的模式，歷次基站的升級，都會帶來一輪原有基站改造和新基站建設(shè)潮。2017 年我國 4G 廣覆蓋階段基本結(jié)束，4G 宏基站達(dá)到 328 萬個(gè)。根據(jù)賽迪顧問預(yù)測，5G 宏基站總數(shù)量將會是4G 宏基站 1.1~1.5 倍，對應(yīng) 360 萬至 492 萬 5G 宏基站。

宏基站年建設(shè)數(shù)量預(yù)測

于此同時(shí)在小站方面，毫米波高頻段的小站覆蓋范圍是 10~20m，應(yīng)用于熱點(diǎn)區(qū)域或更高容量業(yè)務(wù)場景，其數(shù)量保守估計(jì)將是宏站的 2 倍，由此我們預(yù)計(jì) 5G 小站將達(dá)到 950萬個(gè)。

5G 基站分結(jié)構(gòu)市場規(guī)模

氮化鎵將占射頻器件市場半壁江山

基站建設(shè)將是氮化鎵市場成長的主要驅(qū)動(dòng)力之一。Yole development 數(shù)據(jù)顯示，2018年，基站端氮化鎵射頻器件市場規(guī)模不足 2 億美元，預(yù)計(jì)到 2023 年，基站端氮化鎵市場規(guī)模將超 5 億美元。氮化鎵射頻器件市場整體將保持 23%的復(fù)合增速，2023 年市場規(guī)模有望達(dá) 13 億美元。

氮化鎵射頻器件市場結(jié)構(gòu)

氮化鎵將占射頻器件市場半壁江山。在射頻器件領(lǐng)域，目前 LDMOS（橫向擴(kuò)散金屬氧化物半導(dǎo)體）、GaAs（砷化鎵）、GaN（氮化鎵）三者占比相差不大，但據(jù) Yole development預(yù)測，至 2025 年，砷化鎵市場份額基本維持不變的情況下，氮化鎵有望替代大部分LDMOS 份額，占據(jù)射頻器件市場約 50%的份額。

射頻器件市場結(jié)構(gòu)

汽車電氣化推動(dòng)碳化硅市場快速成長

汽車 IC 快速增長，成半導(dǎo)體增長亮點(diǎn)。根據(jù) IC Insights 數(shù)據(jù)，預(yù)計(jì) 2018 年汽車 IC 增速可達(dá) 18.5%，規(guī)模可達(dá) 323 億美元。到 2021 年，汽車 IC 市場將會增長到 436 億美元，2017 年到 2021 年之間的復(fù)合增長率為 12.5%，為復(fù)合增長率最高的細(xì)分市場汽車 IC 快速增長，成半導(dǎo)體增長亮點(diǎn)。根據(jù) IC Insights 數(shù)據(jù)，預(yù)計(jì) 2018 年汽車 IC 增速可達(dá) 18.5%，規(guī)模可達(dá) 323 億美元。到 2021 年，汽車 IC 市場將會增長到 436 億美元，2017 年到 2021 年之間的復(fù)合增長率為 12.5%，為復(fù)合增長率最高的細(xì)分市場。

汽車集成電路市場規(guī)模（十億美元）

汽車模擬 IC 增長強(qiáng)勁，實(shí)現(xiàn)對智能手機(jī)的超越。智能手機(jī)的高速增長曾經(jīng)是帶動(dòng)半導(dǎo)體市場增長的主要驅(qū)動(dòng)力，如今汽車成為下一位選手。

模擬電路下游結(jié)構(gòu)

根據(jù) HIS 數(shù)據(jù)，從體量上看，2015年汽車模擬 IC 市場將已經(jīng)超過的智能手機(jī)市場，預(yù)計(jì) 2018 年汽車模擬 IC 市場規(guī)模可達(dá) 102 億美元。與此同時(shí)，由于汽車市場增速高于其他子行業(yè)，其模擬 IC 銷售占比也逐年增加。

汽車模擬 IC 市場增速超過手機(jī)（億美元）

環(huán)保需求持續(xù)驅(qū)動(dòng)汽車電氣化進(jìn)程

環(huán)保節(jié)能需求推動(dòng)汽車電氣化，新能源汽車快速增長。由于各國政府對能源和環(huán)境問題高度重視，紛紛提出禁售燃油車計(jì)劃，汽車電氣化幾乎是必然趨勢。Katusa Research數(shù)據(jù)顯示，中國，美國和德國將成為電動(dòng)汽車的主要推廣者，致使 2040 年電動(dòng)汽車年均銷售量可達(dá) 6 千萬量。新能源汽車能夠有效降低燃油消耗量，而新能源汽車需要用到大量的電源類 IC（比如升降電壓用的 DC/DC），模擬 IC 行業(yè)可從中受益。

新能源燃油消耗對比

汽車硅含量持續(xù)提升，碳化硅市場顯著受益

汽車電氣化程度逐步加深，硅價(jià)值量持續(xù)增長。各車企紛紛推出新能源車，以實(shí)現(xiàn)汽車電動(dòng)化的軟替代，常見的新能源汽車包括混合動(dòng)力汽車、插電式混合動(dòng)力汽車、增程式電動(dòng)汽車、純電動(dòng)汽車。

汽車電氣化分類

隨著電氣化程度的提升，汽車半導(dǎo)體價(jià)值量也水漲船高。2018年中度混合動(dòng)力汽車、插電式混合動(dòng)力汽車和純電動(dòng)汽車單車半導(dǎo)體價(jià)值量分別達(dá) 475、740 和 750 美元，根據(jù) Strategy Analytics 預(yù)測，2025 年度混合動(dòng)力汽車、插電式混合動(dòng)力汽車和純電動(dòng)汽車銷量分別可達(dá)到 0.17 億、0.13 億、0.08 億，合計(jì)半導(dǎo)體市場規(guī)模可達(dá) 237 億美元。

新能源汽車半導(dǎo)體價(jià)值量提升

電動(dòng)車市場將是碳化硅器件成長的主要驅(qū)動(dòng)力。根據(jù) Yole development 預(yù)測，未來幾年新能源汽車、電機(jī)驅(qū)動(dòng)、鐵路對碳化硅市場增長影響較大，其中增量價(jià)值最高的為新能源汽車，包括汽車本身以及由此帶動(dòng)的各類基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)。

氮化鎵功率器件市場空間

汽車處于安全性考慮，需要包含各個(gè)子系統(tǒng)的穩(wěn)壓、靜電保護(hù)、信號隔絕等需求，同時(shí)還需要眾多與電力系統(tǒng)配套的功率半導(dǎo)體產(chǎn)品，包括充電器、電池管理、逆變器、次逆變器、DC/DC以及各種接口等。因此汽車電動(dòng)化給功率半導(dǎo)體帶來了更廣闊的市場空間。

碳化硅功率器件市場結(jié)構(gòu)

汽車電動(dòng)化需要多種模擬 IC 產(chǎn)品