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國產(chǎn)芯片新突破點(diǎn)！報(bào)告揭秘爆發(fā)中的第三代半導(dǎo)體材料
來源:世紀(jì)證券
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作者:陳建生
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發(fā)布時(shí)間: 2020-06-07
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第三代半導(dǎo)體材料是功率半導(dǎo)體躍進(jìn)的基石。第三代半導(dǎo)體材料眾多戰(zhàn)略行業(yè)可以降低50%以上的能量損失，最高可以使裝備體積減小75%以上，是半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)進(jìn)一步躍進(jìn)的基石。先進(jìn)半導(dǎo)體材料已上升至國家戰(zhàn)略層面，2025年目標(biāo)滲透率超過50%。底層材料與技術(shù)是半導(dǎo)體發(fā)展的基礎(chǔ)科學(xué)，在2025中國制造中，對(duì)第三代半導(dǎo)體單晶襯底、光電子器件/模塊等細(xì)分領(lǐng)域做出了目標(biāo)規(guī)劃。在任務(wù)目標(biāo)中提到2025實(shí)現(xiàn)在5G通信、高效能源管理中的國產(chǎn)化率達(dá)到50%；在新能源汽車、消費(fèi)電子中實(shí)現(xiàn)規(guī)模應(yīng)用，在通用照明市場(chǎng)滲透率達(dá)到80%以上。
一、爆發(fā)中的第三代半導(dǎo)體材料
功率半導(dǎo)體下游細(xì)分領(lǐng)域帶動(dòng)需求爆發(fā)式增長(zhǎng)，將帶動(dòng)第三代半導(dǎo)體材料應(yīng)用 。功率半導(dǎo)體在電子行業(yè)中應(yīng)用廣泛，且技術(shù)相對(duì)成熟，目前是以硅片為襯底，帶隙寬度較小，市場(chǎng)普遍認(rèn)為，增長(zhǎng)彈性不大，整體規(guī)模保持穩(wěn)定。與之有差異的是，我們認(rèn)為，未來功率半導(dǎo)體將呈現(xiàn)高性能，高增長(zhǎng)，高集中度的發(fā)展趨勢(shì)，從而帶動(dòng)第三代半導(dǎo)體材料應(yīng)用需求，主要原因有以下幾點(diǎn)：
1）下游新興行業(yè)增量顯著；
2）自給率仍然偏低，替代空間巨大；
3）未來集中產(chǎn)品碎片化將有所改善，高端產(chǎn)品如IGBT、MOSFET產(chǎn)品性能和技術(shù)壁壘同步提升，下游對(duì)高端產(chǎn)品的依賴度會(huì)隨之增加。功率半導(dǎo)體市場(chǎng)規(guī)模較大，高性能驅(qū)使下，新型半導(dǎo)體襯底材料滲透率有望進(jìn)一步提升。
貿(mào)易摩擦加劇與摩爾定律見頂雙重背景下，底層材料提供了彎道超車的可能性 。美方對(duì)華為制裁規(guī)模未有縮小趨勢(shì)，同時(shí)加劇了多方面的技術(shù)圍剿，底層材料的重要性不容忽視。美方將計(jì)劃限制華為使用美國技術(shù)和軟件在海外設(shè)計(jì)和制造半導(dǎo)體的能力來保護(hù)國家安全，華為及其被列入實(shí)體清單的分支機(jī)構(gòu)生產(chǎn)的以下產(chǎn)品將受出口管理?xiàng)l例（EAR）的約束，具體而言包括以下兩個(gè)方面：
1）華為及相關(guān)公司利用美國管制清單（CCL）上的軟件和技術(shù)直接生產(chǎn)的產(chǎn)品；
2）根據(jù)華為的設(shè)計(jì)規(guī)范，在美國海外的地方利用CCL清單上的半導(dǎo)體制造設(shè)備生產(chǎn)的芯片等產(chǎn)品，此類產(chǎn)品在向華為及其分支機(jī)構(gòu)出貨時(shí)需要申請(qǐng)?jiān)S可證。
摩爾定律在硅時(shí)代已接近效能極限，臺(tái)積電已開始2nm探索性研發(fā)，單一增加制程精度的方式不可持續(xù)。“摩爾定律”在過去的幾十年中是集成電路性能增長(zhǎng)的黃金定律。其核心內(nèi)容：價(jià)格維持不變時(shí)，集成電路上可容納的元件數(shù)目，約每隔18-24個(gè)月便會(huì)增加一倍，性能也將提升一倍。根據(jù)ITRS的觀點(diǎn)，傳統(tǒng)的硅晶體管微縮至6納米已達(dá)極限。以硅材料為根基的摩爾定律即將失效。若半導(dǎo)體仍以摩爾定律趨勢(shì)發(fā)展，則需要在底層材料中形成突破。美國、歐盟、日韓等國家和地區(qū)組織已經(jīng)通過制定研發(fā)項(xiàng)目的方式來引導(dǎo)產(chǎn)業(yè)發(fā)展。目前主要的突破手段存在于幾個(gè)方面：
1）底層材料突破，除氮化鎵、砷化鎵外，以碳基為材料的半導(dǎo)體技術(shù)也在持續(xù)突破；
2）以SIP封裝為代表的高密度集成方式，一定程度上滿足了性能的發(fā)展需求。
國內(nèi)基站端建設(shè)投資力度擴(kuò)大，國內(nèi)需求將大于國外。預(yù)計(jì)2020年5G新=建基站有望達(dá)到80w座以上，其中大部分將以“宏基站為主，小基站為輔”的組網(wǎng)方式。在射頻端高頻高速的背景下，第三代半導(dǎo)體材料的滲透率將會(huì)大幅提升，2023年GaN RF在基站中的市場(chǎng)規(guī)模將達(dá)到5.2億美元，年復(fù)合增長(zhǎng)率達(dá)到22.8%。未來隨著GaN技術(shù)進(jìn)步和規(guī)?；l(fā)展，GaN PA滲透率有望不斷提升，預(yù)計(jì)到2023年市場(chǎng)滲透率將超過85%。5G宏基站使用的PA（Power Amplifier，功率放大器）數(shù)量在2019年達(dá)到1843.2萬個(gè)，2020年有望達(dá)到7372.8萬個(gè)，同比增長(zhǎng)有望達(dá)到4倍。預(yù)計(jì)今年，基于GaN工藝的基站PA占比將由去年的50%達(dá)到58%。
消費(fèi)電子市場(chǎng)規(guī)模分別受益于快充滲透率與新能源汽車電子化率的提升。假設(shè)智能手機(jī)未來三年GaN快充滲透率為1%、3%、5%，可穿戴需求度相對(duì)手機(jī)端有所降低，三年的滲透率為0.5%、1%、2%；我們預(yù)計(jì)2020年全球GaN充電器市場(chǎng)規(guī)模為24.41億元，2022年有望達(dá)到87.74億元。在新能源車型中，目前混動(dòng)新能源汽車占新能源汽車總量的80%以上，電機(jī)與電控是核心元器件。GaN可用于48VDC/DC以及OBC(On Board Charger車載充電機(jī))。據(jù)Yole的預(yù)測(cè)，2023年該領(lǐng)域的市場(chǎng)規(guī)模將達(dá)到2500萬美元。新能源汽車無疑是電力電子設(shè)備市場(chǎng)的主要驅(qū)動(dòng)力，也是不同技術(shù)路線（Si、SiC和GaN）的主要爭(zhēng)奪市場(chǎng)。
二、受益于下游新興領(lǐng)域快速發(fā)展
功率IC和功率分立器件占功率半導(dǎo)體的絕大部分。功率器件是通過控制電子設(shè)備中電壓、電流、頻率以及交流（AC）直流（DC）的轉(zhuǎn)換，從而達(dá)到控制元器件的功能。功率半導(dǎo)體屬于半導(dǎo)體的一個(gè)細(xì)分領(lǐng)域，是通過變換電能的交直流、電壓電流頻率大小從而實(shí)現(xiàn)對(duì)電路控制的核心器件，可以分為功率IC和功率分立器件兩大類。功率IC是將控制電路和大功率器件集成在同一塊芯片上控制的集成電路，主要的應(yīng)用產(chǎn)品是電源管理，承擔(dān)變換、分配、檢測(cè)電壓電流頻率的功能，由于在電子設(shè)備系統(tǒng)中每個(gè)模塊所需供電電壓和電流各不相同，需要電源管理芯片對(duì)不同元器件所需電能情況進(jìn)行轉(zhuǎn)換和調(diào)節(jié)。
功率分立器件主要包括有二極管、晶體管及晶閘管，晶體管占有重要的份額，其中MOSFET（金屬氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效晶體管）和IGBT（絕緣柵雙極型晶體管）產(chǎn)品性能優(yōu)越，控制能力及范圍有出色的表現(xiàn)，近年來市場(chǎng)規(guī)模增長(zhǎng)較快，結(jié)構(gòu)占比不斷提升。
晶閘管。晶閘管設(shè)計(jì)用于在高電流和高電壓下工作，并且通常用于AC電流到DC電流的整流以及AC電流頻率與幅值的調(diào)整。通常將晶閘管可以分為可控硅整流器（通常稱為晶閘管）和柵極關(guān)斷晶閘管（GTO），以上均屬于高功率器件。
MOSFET屬于晶體管的一種，與標(biāo)準(zhǔn)雙極晶體管之間的基本區(qū)別在于源極–漏極電流由柵極電壓控制，使其工作比需要高基極電流導(dǎo)通的雙極晶體管更節(jié)能。此外，它具有快速關(guān)閉功能及允許高頻率切換，由于工作環(huán)境可以承受更高的溫度，特別適用于家用電器，汽車和PC電源的電源設(shè)計(jì)。
IGBT將雙極晶體管的某些特性與單個(gè)器件中的MOSFET的特性結(jié)合在一起。IGBT與MOSFET有顯著差異，制造起來更具挑戰(zhàn)性。IGBT器件可以處理大電流（如雙極晶體管）并受電壓控制（如MOSFET），使其適用于高能量應(yīng)用，如變速箱，重型機(jī)車，大型船舶螺旋槳等。
▲各功率半導(dǎo)體的主要特性及應(yīng)用場(chǎng)景
功率半導(dǎo)體下游細(xì)分領(lǐng)域帶動(dòng)需求爆發(fā)式增長(zhǎng)，將帶動(dòng)第三代半導(dǎo)體材料應(yīng)用 。功率半導(dǎo)體在電子行業(yè)中應(yīng)用廣泛，且技術(shù)相對(duì)成熟，目前是以硅片為襯底，帶隙寬度較小，市場(chǎng)普遍認(rèn)為，增長(zhǎng)彈性不大，整體規(guī)模保持穩(wěn)定。與之有差異的是，我們認(rèn)為，未來功率半導(dǎo)體將呈現(xiàn)高性能，高增長(zhǎng)，高集中度的發(fā)展趨勢(shì)，從而帶動(dòng)第三代半導(dǎo)體材料應(yīng)用需求，主要原因有以下幾點(diǎn)：
1）下游新興行業(yè)增量顯著；
2）自給率仍然偏低，替代空間巨大；
3）未來集中產(chǎn)品碎片化將有所改善，高端產(chǎn)品如IGBT、MOSFET產(chǎn)品性能和技術(shù)壁壘同步提升，下游對(duì)高端產(chǎn)品的依賴度會(huì)隨之增加。功率半導(dǎo)體市場(chǎng)規(guī)模較大，高性能驅(qū)使下，新型半導(dǎo)體襯底材料滲透率有望進(jìn)一步提升。
貿(mào)易摩擦加劇與摩爾定律見頂雙重背景下，底層材料提供了彎道超車的可能性 。美方對(duì)華為制裁規(guī)模未有縮小趨勢(shì)，同時(shí)加劇了多方面的技術(shù)圍剿，底層材料的重要性不容忽視。美方將計(jì)劃限制華為使用美國技術(shù)和軟件在海外設(shè)計(jì)和制造半導(dǎo)體的能力來保護(hù)國家安全，華為及其被列入實(shí)體清單的分支機(jī)構(gòu)生產(chǎn)的以下產(chǎn)品將受出口管理?xiàng)l例（EAR）的約束，具體而言包括以下兩個(gè)方面：
1）華為及相關(guān)公司利用美國管制清單（CCL）上的軟件和技術(shù)直接生產(chǎn)的產(chǎn)品；
2）根據(jù)華為的設(shè)計(jì)規(guī)范，在美國海外的地方利用CCL清單上的半導(dǎo)體制造設(shè)備生產(chǎn)的芯片等產(chǎn)品，此類產(chǎn)品在向華為及其分支機(jī)構(gòu)出貨時(shí)需要申請(qǐng)?jiān)S可證。
摩爾定律在硅時(shí)代已接近效能極限，臺(tái)積電已開始2nm探索性研發(fā)，單一增加制程精度的方式不可持續(xù)。“摩爾定律”在過去的幾十年中是集成電路性能增長(zhǎng)的黃金定律。其核心內(nèi)容：價(jià)格維持不變時(shí)，集成電路上可容納的元件數(shù)目，約每隔18-24個(gè)月便會(huì)增加一倍，性能也將提升一倍。根據(jù)ITRS的觀點(diǎn)，傳統(tǒng)的硅晶體管微縮至6納米已達(dá)極限。以硅材料為根基的摩爾定律即將失效。若半導(dǎo)體仍以摩爾定律趨勢(shì)發(fā)展，則需要在底層材料中形成突破。美國、歐盟、日韓等國家和地區(qū)組織已經(jīng)通過制定研發(fā)項(xiàng)目的方式來引導(dǎo)產(chǎn)業(yè)發(fā)展。目前主要的突破手段存在于幾個(gè)方面：
1）底層材料突破，除氮化鎵、砷化鎵外，以碳基為材料的半導(dǎo)體技術(shù)也在持續(xù)突破；
2）以SIP封裝為代表的高密度集成方式，一定程度上滿足了性能的發(fā)展需求。
國內(nèi)基站端建設(shè)投資力度擴(kuò)大，國內(nèi)需求將大于國外。預(yù)計(jì)2020年5G新=建基站有望達(dá)到80w座以上，其中大部分將以“宏基站為主，小基站為輔”的組網(wǎng)方式。在射頻端高頻高速的背景下，第三代半導(dǎo)體材料的滲透率將會(huì)大幅提升，2023年GaN RF在基站中的市場(chǎng)規(guī)模將達(dá)到5.2億美元，年復(fù)合增長(zhǎng)率達(dá)到22.8%。未來隨著GaN技術(shù)進(jìn)步和規(guī)?；l(fā)展，GaN PA滲透率有望不斷提升，預(yù)計(jì)到2023年市場(chǎng)滲透率將超過85%。5G宏基站使用的PA（Power Amplifier，功率放大器）數(shù)量在2019年達(dá)到1843.2萬個(gè)，2020年有望達(dá)到7372.8萬個(gè)，同比增長(zhǎng)有望達(dá)到4倍。預(yù)計(jì)今年，基于GaN工藝的基站PA占比將由去年的50%達(dá)到58%。
消費(fèi)電子市場(chǎng)規(guī)模分別受益于快充滲透率與新能源汽車電子化率的提升。假設(shè)智能手機(jī)未來三年GaN快充滲透率為1%、3%、5%，可穿戴需求度相對(duì)手機(jī)端有所降低，三年的滲透率為0.5%、1%、2%；我們預(yù)計(jì)2020年全球GaN充電器市場(chǎng)規(guī)模為24.41億元，2022年有望達(dá)到87.74億元。在新能源車型中，目前混動(dòng)新能源汽車占新能源汽車總量的80%以上，電機(jī)與電控是核心元器件。GaN可用于48VDC/DC以及OBC(On Board Charger車載充電機(jī))。據(jù)Yole的預(yù)測(cè)，2023年該領(lǐng)域的市場(chǎng)規(guī)模將達(dá)到2500萬美元。新能源汽車無疑是電力電子設(shè)備市場(chǎng)的主要驅(qū)動(dòng)力，也是不同技術(shù)路線（Si、SiC和GaN）的主要爭(zhēng)奪市場(chǎng)。
二、受益于下游新興領(lǐng)域快速發(fā)展
功率IC和功率分立器件占功率半導(dǎo)體的絕大部分。功率器件是通過控制電子設(shè)備中電壓、電流、頻率以及交流（AC）直流（DC）的轉(zhuǎn)換，從而達(dá)到控制元器件的功能。功率半導(dǎo)體屬于半導(dǎo)體的一個(gè)細(xì)分領(lǐng)域，是通過變換電能的交直流、電壓電流頻率大小從而實(shí)現(xiàn)對(duì)電路控制的核心器件，可以分為功率IC和功率分立器件兩大類。功率IC是將控制電路和大功率器件集成在同一塊芯片上控制的集成電路，主要的應(yīng)用產(chǎn)品是電源管理，承擔(dān)變換、分配、檢測(cè)電壓電流頻率的功能，由于在電子設(shè)備系統(tǒng)中每個(gè)模塊所需供電電壓和電流各不相同，需要電源管理芯片對(duì)不同元器件所需電能情況進(jìn)行轉(zhuǎn)換和調(diào)節(jié)。
功率分立器件主要包括有二極管、晶體管及晶閘管，晶體管占有重要的份額，其中MOSFET（金屬氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效晶體管）和IGBT（絕緣柵雙極型晶體管）產(chǎn)品性能優(yōu)越，控制能力及范圍有出色的表現(xiàn)，近年來市場(chǎng)規(guī)模增長(zhǎng)較快，結(jié)構(gòu)占比不斷提升。
▲功率半導(dǎo)體主要分類
從細(xì)分產(chǎn)品來看，功率半導(dǎo)體因其不同的性能，發(fā)揮作用也有所不同。二極管具有單向?qū)щ娦阅?，即給二極管陽極和陰極加上正向電壓時(shí)，二極管導(dǎo)通。當(dāng)給陽極和陰極加上反向電壓時(shí)，二極管截止。因此，二極管的導(dǎo)通和截止，則相當(dāng)于開關(guān)的接通與斷開。晶閘管。晶閘管設(shè)計(jì)用于在高電流和高電壓下工作，并且通常用于AC電流到DC電流的整流以及AC電流頻率與幅值的調(diào)整。通常將晶閘管可以分為可控硅整流器（通常稱為晶閘管）和柵極關(guān)斷晶閘管（GTO），以上均屬于高功率器件。
MOSFET屬于晶體管的一種，與標(biāo)準(zhǔn)雙極晶體管之間的基本區(qū)別在于源極–漏極電流由柵極電壓控制，使其工作比需要高基極電流導(dǎo)通的雙極晶體管更節(jié)能。此外，它具有快速關(guān)閉功能及允許高頻率切換，由于工作環(huán)境可以承受更高的溫度，特別適用于家用電器，汽車和PC電源的電源設(shè)計(jì)。
IGBT將雙極晶體管的某些特性與單個(gè)器件中的MOSFET的特性結(jié)合在一起。IGBT與MOSFET有顯著差異，制造起來更具挑戰(zhàn)性。IGBT器件可以處理大電流（如雙極晶體管）并受電壓控制（如MOSFET），使其適用于高能量應(yīng)用，如變速箱，重型機(jī)車，大型船舶螺旋槳等。
▲各功率半導(dǎo)體的主要特性及應(yīng)用場(chǎng)景
全球市場(chǎng)規(guī)模平穩(wěn)增長(zhǎng)，國內(nèi)市場(chǎng)需求有望保持高速增長(zhǎng)。功率半導(dǎo)體作為電子設(shè)備中最基礎(chǔ)的元器件，應(yīng)用領(lǐng)域極其廣泛。從市場(chǎng)規(guī)模來看，根據(jù)IHSMarkit數(shù)據(jù)，2018年全球功率半導(dǎo)體市場(chǎng)規(guī)模約為400億美元，預(yù)計(jì)到2021年市場(chǎng)規(guī)模將增長(zhǎng)至441億美元，年復(fù)合增速為4.1%。中國是全球最大的功率半導(dǎo)體消費(fèi)市場(chǎng)，未來有望保持高速發(fā)展，根據(jù)IHS Markit數(shù)據(jù)，2018年國內(nèi)市場(chǎng)規(guī)模達(dá)到138億美元，增速為9.5%，占全球需求比例高達(dá)35%，預(yù)計(jì)未來中國功率半導(dǎo)體將繼續(xù)保持較高速度增長(zhǎng)，2021年市場(chǎng)規(guī)模有望達(dá)到159億美元，年復(fù)合增速達(dá)4.8%。從增量來源來看，由于下游新能源以及汽車電子化程度的提升，功率半導(dǎo)體的應(yīng)用領(lǐng)域已從工業(yè)控制和消費(fèi)電子拓展至光伏、風(fēng)電、智能電網(wǎng)、變頻家電、新能源汽車等諸多市場(chǎng)，下游新型領(lǐng)域市場(chǎng)的發(fā)展情況是功率半導(dǎo)體未來增量的重要保證。
1）消費(fèi)類電子產(chǎn)品/白色家電，功率范圍10W-100W：功率半導(dǎo)體是消費(fèi)電子產(chǎn)品中控制充電機(jī)制、功率輸出和能效的核心元器件。在白色家電中，優(yōu)化的感應(yīng)技術(shù)以及變頻需求，也使得功率半導(dǎo)體也是白色家電走向智能化的核心。
2）新能源汽車及數(shù)據(jù)通信，功率范圍100W-10kW：新能源汽車的電氣化占比快速提升，目前新能源汽車相比于燃油車電子零部件價(jià)值增加5倍以上，新增的功率半導(dǎo)體器件的性能和功率效率是電動(dòng)汽車運(yùn)行的關(guān)鍵，功率元件主要用于逆變器、電源控制系統(tǒng)。
功率半導(dǎo)體保證數(shù)據(jù)中心不間斷供電以及電壓穩(wěn)定方面具有重要作用，主要用于整流，電池充電和DC/AC逆變。UPS是IDC的必需設(shè)備，極大程度增加了服務(wù)器系統(tǒng)中功率半導(dǎo)體元件的使用，未來氮化鎵的使用和能量比例計(jì)算將繼續(xù)增加數(shù)據(jù)中心中功率半導(dǎo)體使用的廣度。
3）可再生能源及交通運(yùn)輸，功率范圍10kW-1000kW:可再生能源發(fā)電也需要高功率半導(dǎo)體，因?yàn)榭稍偕茉床灰?guī)則，需要高的發(fā)電效率才能實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展。以每兆瓦時(shí)為基礎(chǔ)，風(fēng)電場(chǎng)需要比傳統(tǒng)燃煤電站多30倍的功率半導(dǎo)體價(jià)值量。
使用IGBT的變速驅(qū)動(dòng)器越來越多地取代工業(yè)應(yīng)用中的傳統(tǒng)電機(jī)，因?yàn)樗鼈兛梢燥@著提高能效。功率半導(dǎo)體對(duì)于工廠的進(jìn)一步自動(dòng)化也至關(guān)重要，“工業(yè)4.0”的革命在很大程度上取決于增加的功率和傳感器半導(dǎo)體內(nèi)容，以驅(qū)動(dòng)工廠的機(jī)器人技術(shù)。
4）智能電網(wǎng)和儲(chǔ)能，功率范圍1000kW以上：可再生能源（特別是風(fēng)能和太陽能）的消納對(duì)于智能電網(wǎng)的穩(wěn)定性帶來了巨大的挑戰(zhàn)，電能的難以存儲(chǔ)也為儲(chǔ)能帶來了更大的難度。有效的能量存儲(chǔ)對(duì)于向可再生能源對(duì)總發(fā)電的更高貢獻(xiàn)的轉(zhuǎn)變至關(guān)重要，并且需要再次有效地轉(zhuǎn)換電能，即功率半導(dǎo)體。
▲全球功率半導(dǎo)體市場(chǎng)規(guī)模及增速
從應(yīng)用范圍角度看，任何需要電能轉(zhuǎn)換、電能與信號(hào)轉(zhuǎn)換地方都需要功率半導(dǎo)體。從應(yīng)用功率大小來看，可以劃分為四大應(yīng)用場(chǎng)景：1）消費(fèi)類電子產(chǎn)品/白色家電，功率范圍10W-100W：功率半導(dǎo)體是消費(fèi)電子產(chǎn)品中控制充電機(jī)制、功率輸出和能效的核心元器件。在白色家電中，優(yōu)化的感應(yīng)技術(shù)以及變頻需求，也使得功率半導(dǎo)體也是白色家電走向智能化的核心。
2）新能源汽車及數(shù)據(jù)通信，功率范圍100W-10kW：新能源汽車的電氣化占比快速提升，目前新能源汽車相比于燃油車電子零部件價(jià)值增加5倍以上，新增的功率半導(dǎo)體器件的性能和功率效率是電動(dòng)汽車運(yùn)行的關(guān)鍵，功率元件主要用于逆變器、電源控制系統(tǒng)。
功率半導(dǎo)體保證數(shù)據(jù)中心不間斷供電以及電壓穩(wěn)定方面具有重要作用，主要用于整流，電池充電和DC/AC逆變。UPS是IDC的必需設(shè)備，極大程度增加了服務(wù)器系統(tǒng)中功率半導(dǎo)體元件的使用，未來氮化鎵的使用和能量比例計(jì)算將繼續(xù)增加數(shù)據(jù)中心中功率半導(dǎo)體使用的廣度。
3）可再生能源及交通運(yùn)輸，功率范圍10kW-1000kW:可再生能源發(fā)電也需要高功率半導(dǎo)體，因?yàn)榭稍偕茉床灰?guī)則，需要高的發(fā)電效率才能實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展。以每兆瓦時(shí)為基礎(chǔ)，風(fēng)電場(chǎng)需要比傳統(tǒng)燃煤電站多30倍的功率半導(dǎo)體價(jià)值量。
使用IGBT的變速驅(qū)動(dòng)器越來越多地取代工業(yè)應(yīng)用中的傳統(tǒng)電機(jī)，因?yàn)樗鼈兛梢燥@著提高能效。功率半導(dǎo)體對(duì)于工廠的進(jìn)一步自動(dòng)化也至關(guān)重要，“工業(yè)4.0”的革命在很大程度上取決于增加的功率和傳感器半導(dǎo)體內(nèi)容，以驅(qū)動(dòng)工廠的機(jī)器人技術(shù)。
4）智能電網(wǎng)和儲(chǔ)能，功率范圍1000kW以上：可再生能源（特別是風(fēng)能和太陽能）的消納對(duì)于智能電網(wǎng)的穩(wěn)定性帶來了巨大的挑戰(zhàn)，電能的難以存儲(chǔ)也為儲(chǔ)能帶來了更大的難度。有效的能量存儲(chǔ)對(duì)于向可再生能源對(duì)總發(fā)電的更高貢獻(xiàn)的轉(zhuǎn)變至關(guān)重要，并且需要再次有效地轉(zhuǎn)換電能，即功率半導(dǎo)體。
▲功率半導(dǎo)體按照輸出功率分類的應(yīng)用場(chǎng)景
功率IC與功率分立器件市場(chǎng)份額占比接近各半，IGBT、MOSFET在分立器件中占比較大。在全球功率半導(dǎo)體市場(chǎng)，功率IC和功率分立器件幾乎平分了整個(gè)市場(chǎng)份額。根據(jù)Yole、IHS、Gartner數(shù)據(jù)匯總分析，2018年，功率IC和功率器件全球市場(chǎng)份額分別為54%和46%。其中，在功率分立器件市場(chǎng)中，MOSFET和IGBT占比較大，分別為17%和15%，功率二極管/整流橋占比稍低，為12%。
▲2018年全球IGBT市場(chǎng)格局
▲ 2018年全球MOSFET市場(chǎng)格局
在中國功率半導(dǎo)體市場(chǎng)，電源管理IC、MOSFET和IGBT合計(jì)占據(jù)了95%的市場(chǎng)份額。其中，電源管理IC市占率高達(dá)61%，占比最大，MOSFET和IGBT市場(chǎng)份額分別為20%和14%。得益于下游消費(fèi)電子、新能源汽車、通訊行業(yè)近幾年的快速發(fā)展，電源管理IC市場(chǎng)保持穩(wěn)健增長(zhǎng)，截止2018年，中國電源管理IC市場(chǎng)規(guī)模已達(dá)84.3億美元。同時(shí)，未來伴隨新能源汽車行業(yè)的快速發(fā)展，MOSFET和IGBT也將迎來廣闊的成長(zhǎng)空間。
▲2018年全球功率半導(dǎo)體產(chǎn)品結(jié)構(gòu)
1）下游新興行業(yè)增量顯著：下游以汽車電子為代表的新興應(yīng)用增速進(jìn)一步加快，除去傳統(tǒng)電子控制系統(tǒng)外，電驅(qū)、電控、電池三大件對(duì)于功率半導(dǎo)體的需求量爆發(fā)式增長(zhǎng)，假設(shè)2025年新能源汽車市場(chǎng)規(guī)模達(dá)到150億元，按照汽車電子化率30%測(cè)算，僅在新能源汽車中的電子元器件增量為50億元；
2）自給率仍然偏低，替代空間巨大：國內(nèi)需求增加的同時(shí)，自給率不足20%，從國內(nèi)外產(chǎn)業(yè)鏈的對(duì)比來看，假設(shè)自給率達(dá)到50%，國內(nèi)至少仍有50億美元的市場(chǎng)空間增量；
3）未來集中度會(huì)進(jìn)一步提升，產(chǎn)品碎片化將有所改善：由于產(chǎn)品種類繁多，總體較為碎片化，但部分高端產(chǎn)品如IGBT、MOSFET產(chǎn)品性能和技術(shù)壁壘同步提升，下游對(duì)高端產(chǎn)品的依賴度會(huì)隨之增加，細(xì)分領(lǐng)域集中度提升是必然趨勢(shì)。
▲2018年全球功率半導(dǎo)體市場(chǎng)份額
第三代半導(dǎo)體材料以碳化硅、氮化鎵為代表，極具性能優(yōu)勢(shì)。第三代半導(dǎo)體材料是指帶隙寬度明顯大于Si的寬禁帶半導(dǎo)體材料，主要包括SiC、GaN、金剛石等，因其禁帶寬度大于或等于2.3電子伏特，又被稱為寬禁帶半導(dǎo)體材料。和第一代、第二代半導(dǎo)體材料相比，第三代半導(dǎo)體材料具有高熱導(dǎo)率、高擊穿場(chǎng)強(qiáng)、高飽和電子漂移速率和高鍵合能等優(yōu)點(diǎn)，可以滿足現(xiàn)代電子技術(shù)對(duì)高溫、高功率、高壓、高頻以及高輻射等惡劣條件的新要求。第三代半導(dǎo)體材料在航空、航天、光存儲(chǔ)等領(lǐng)域有著重要應(yīng)用前景，在寬帶通訊、太陽能、汽車制造、半導(dǎo)體照明、智能電網(wǎng)等眾多戰(zhàn)略行業(yè)可以降低50%以上的能量損失，最高可以使裝備體積減小75%以上，是半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)進(jìn)一步躍進(jìn)的基石。
材料分子結(jié)構(gòu)導(dǎo)致先天性能優(yōu)勢(shì)。第三代半導(dǎo)體材料相對(duì)于Si材料具有：禁帶寬度更大、電子飽和飄移速度較高等特點(diǎn)，制作出的半導(dǎo)體器件擁有光電性能優(yōu)異、高速、高頻、大功率、耐高溫和高輻射等特征，具備應(yīng)用于光電器件、微波器件和電力電子器件的先天性能優(yōu)勢(shì)。
高技術(shù)門檻導(dǎo)致第三代半導(dǎo)體材料市場(chǎng)以日美歐寡頭壟占，國內(nèi)企業(yè)在SiC襯底方面以4英寸為主。目前，國內(nèi)已經(jīng)開發(fā)出了6英寸導(dǎo)電性SiC襯底和高純半絕緣SiC襯底，山東天岳公司、北京天科合達(dá)公司和河北同光晶體公司分別與山東大學(xué)、中科院物理所和中科院半導(dǎo)體所進(jìn)行技術(shù)合作與轉(zhuǎn)化，在SiC單晶襯底技術(shù)上形成自主技術(shù)體系。國內(nèi)目前已實(shí)現(xiàn)4英寸襯底的量產(chǎn)；同時(shí)山東天岳、天科合達(dá)、河北同光、中科節(jié)能均已完成6英寸襯底的研發(fā)；中電科裝備已成功研制出6英寸半絕緣襯底。在GaN襯底方面，國內(nèi)企業(yè)已經(jīng)可以小批量生產(chǎn)2英寸襯底，具備4英寸襯底生產(chǎn)能力，并開發(fā)出6英寸襯底樣品。目前已實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化的企業(yè)包括蘇州納米所的蘇州納維科技公司和北京大學(xué)的東莞市中鎵半導(dǎo)體科技公司，其中蘇州納維目前已推出4英寸襯底產(chǎn)品，并且正在開展6英寸襯底片研發(fā)。
先進(jìn)半導(dǎo)體材料已上升至國家戰(zhàn)略層面，2025年目標(biāo)滲透率超過50%。底層材料與技術(shù)是半導(dǎo)體發(fā)展的基礎(chǔ)科學(xué)，在2025中國制造中，分別對(duì)第三代半導(dǎo)體單晶襯底、光電子器件/模塊、電力電子器件/模塊、射頻器件/模塊等細(xì)分領(lǐng)域做出了目標(biāo)規(guī)劃。在任務(wù)目標(biāo)中提到2025實(shí)現(xiàn)在5G通信、高效能源管理中的國產(chǎn)化率達(dá)到50%；在新能源汽車、消費(fèi)電子中實(shí)現(xiàn)規(guī)模應(yīng)用，在通用照明市場(chǎng)滲透率達(dá)到80%以上。
▲2025第三代半導(dǎo)體材料發(fā)展目標(biāo)
▲2018年國內(nèi)功率半導(dǎo)體產(chǎn)品結(jié)構(gòu)
中國為全球最大的消費(fèi)國和進(jìn)口國，隨下游新興領(lǐng)域發(fā)展加快，國產(chǎn)替代空間明顯。由于功率半導(dǎo)體下游應(yīng)用廣泛，市場(chǎng)普遍認(rèn)為行業(yè)增速彈性不大，整體規(guī)模保持穩(wěn)定。與之有差異的是，我們認(rèn)為，未來功率半導(dǎo)體將呈現(xiàn)高性能，高增長(zhǎng)，高集中度的發(fā)展趨勢(shì)，主要原因有以下幾點(diǎn)：1）下游新興行業(yè)增量顯著：下游以汽車電子為代表的新興應(yīng)用增速進(jìn)一步加快，除去傳統(tǒng)電子控制系統(tǒng)外，電驅(qū)、電控、電池三大件對(duì)于功率半導(dǎo)體的需求量爆發(fā)式增長(zhǎng)，假設(shè)2025年新能源汽車市場(chǎng)規(guī)模達(dá)到150億元，按照汽車電子化率30%測(cè)算，僅在新能源汽車中的電子元器件增量為50億元；
2）自給率仍然偏低，替代空間巨大：國內(nèi)需求增加的同時(shí)，自給率不足20%，從國內(nèi)外產(chǎn)業(yè)鏈的對(duì)比來看，假設(shè)自給率達(dá)到50%，國內(nèi)至少仍有50億美元的市場(chǎng)空間增量；
3）未來集中度會(huì)進(jìn)一步提升，產(chǎn)品碎片化將有所改善：由于產(chǎn)品種類繁多，總體較為碎片化，但部分高端產(chǎn)品如IGBT、MOSFET產(chǎn)品性能和技術(shù)壁壘同步提升，下游對(duì)高端產(chǎn)品的依賴度會(huì)隨之增加，細(xì)分領(lǐng)域集中度提升是必然趨勢(shì)。
▲2018年全球功率半導(dǎo)體市場(chǎng)份額
▲2018年中國功率半導(dǎo)體市場(chǎng)份額
三、第三代半導(dǎo)體材料是功率半導(dǎo)體躍進(jìn)的基石第三代半導(dǎo)體材料以碳化硅、氮化鎵為代表，極具性能優(yōu)勢(shì)。第三代半導(dǎo)體材料是指帶隙寬度明顯大于Si的寬禁帶半導(dǎo)體材料，主要包括SiC、GaN、金剛石等，因其禁帶寬度大于或等于2.3電子伏特，又被稱為寬禁帶半導(dǎo)體材料。和第一代、第二代半導(dǎo)體材料相比，第三代半導(dǎo)體材料具有高熱導(dǎo)率、高擊穿場(chǎng)強(qiáng)、高飽和電子漂移速率和高鍵合能等優(yōu)點(diǎn)，可以滿足現(xiàn)代電子技術(shù)對(duì)高溫、高功率、高壓、高頻以及高輻射等惡劣條件的新要求。第三代半導(dǎo)體材料在航空、航天、光存儲(chǔ)等領(lǐng)域有著重要應(yīng)用前景，在寬帶通訊、太陽能、汽車制造、半導(dǎo)體照明、智能電網(wǎng)等眾多戰(zhàn)略行業(yè)可以降低50%以上的能量損失，最高可以使裝備體積減小75%以上，是半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)進(jìn)一步躍進(jìn)的基石。
▲三代半導(dǎo)體材料主要特征
半導(dǎo)體材料經(jīng)歷了三次明顯的換代和發(fā)展。第一代半導(dǎo)體材料是Si、Ge等單質(zhì)半導(dǎo)體材料，由于其具有出色的性能和成本優(yōu)勢(shì)，目前仍然是集成電路等半導(dǎo)體器件主要使用的材料；第二代半導(dǎo)體材料以GaAs和InP等材料為代表。第二代半導(dǎo)體材料在物理結(jié)構(gòu)上具有直接帶隙的特點(diǎn)，相對(duì)于Si材料具有光電性能佳、工作頻率高、抗高溫、抗輻射等優(yōu)勢(shì)，可以應(yīng)用于光電器件和射頻器件；第三代半導(dǎo)體材料以GaN和SiC等材料為代表。1969年實(shí)現(xiàn)了GaN單晶薄膜的制備。1994年中村修二研發(fā)了第一支高亮度的GaN基藍(lán)光LED。1891年，SiC晶體被人工合成。1955年，飛利浦實(shí)驗(yàn)室的Lely發(fā)明SiC的升華生長(zhǎng)法(或物理氣相傳輸法，即PVT法)，后來經(jīng)過改進(jìn)后的PVT法成為SiC單晶制備的主要方法。材料分子結(jié)構(gòu)導(dǎo)致先天性能優(yōu)勢(shì)。第三代半導(dǎo)體材料相對(duì)于Si材料具有：禁帶寬度更大、電子飽和飄移速度較高等特點(diǎn)，制作出的半導(dǎo)體器件擁有光電性能優(yōu)異、高速、高頻、大功率、耐高溫和高輻射等特征，具備應(yīng)用于光電器件、微波器件和電力電子器件的先天性能優(yōu)勢(shì)。
▲第三代半導(dǎo)體與硅的特性對(duì)比
GaN襯底技術(shù)難度較大，光電子領(lǐng)域中較為成熟。目前，SiC襯底技術(shù)相對(duì)簡(jiǎn)單，主要制備過程大致分為兩步：第一步SiC粉料在單晶爐中經(jīng)過高溫升華之后在單晶爐中形成SiC晶錠；第二步通過對(duì)SiC晶錠進(jìn)行粗加工、切割、研磨、拋光，得到透明或半透明、無損傷層、低粗糙度的SiC晶片（即SiC襯底）。GaN襯底的生長(zhǎng)主要采用HVPE（氫化物氣相外延）法，制備技術(shù)仍有待提升，行業(yè)產(chǎn)量較低，導(dǎo)致GaN襯底的缺陷密度和價(jià)格較高，目前只有激光器等少數(shù)器件采用GaN同質(zhì)襯底；GaN電力電子器件的襯底主要采用Si襯底，部分企業(yè)采用藍(lán)寶石襯底，GaN同質(zhì)襯底的器件在研發(fā)中；GaN射頻器件主要是SiC高純半絕緣襯底，少數(shù)企業(yè)采用Si做襯底；GaN光電子器件是GaN材料最成熟的領(lǐng)域，基于藍(lán)寶石、SiC和Si襯底的藍(lán)寶石LED產(chǎn)業(yè)已經(jīng)進(jìn)入成熟階段。高技術(shù)門檻導(dǎo)致第三代半導(dǎo)體材料市場(chǎng)以日美歐寡頭壟占，國內(nèi)企業(yè)在SiC襯底方面以4英寸為主。目前，國內(nèi)已經(jīng)開發(fā)出了6英寸導(dǎo)電性SiC襯底和高純半絕緣SiC襯底，山東天岳公司、北京天科合達(dá)公司和河北同光晶體公司分別與山東大學(xué)、中科院物理所和中科院半導(dǎo)體所進(jìn)行技術(shù)合作與轉(zhuǎn)化，在SiC單晶襯底技術(shù)上形成自主技術(shù)體系。國內(nèi)目前已實(shí)現(xiàn)4英寸襯底的量產(chǎn)；同時(shí)山東天岳、天科合達(dá)、河北同光、中科節(jié)能均已完成6英寸襯底的研發(fā)；中電科裝備已成功研制出6英寸半絕緣襯底。在GaN襯底方面，國內(nèi)企業(yè)已經(jīng)可以小批量生產(chǎn)2英寸襯底，具備4英寸襯底生產(chǎn)能力，并開發(fā)出6英寸襯底樣品。目前已實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化的企業(yè)包括蘇州納米所的蘇州納維科技公司和北京大學(xué)的東莞市中鎵半導(dǎo)體科技公司，其中蘇州納維目前已推出4英寸襯底產(chǎn)品，并且正在開展6英寸襯底片研發(fā)。
先進(jìn)半導(dǎo)體材料已上升至國家戰(zhàn)略層面，2025年目標(biāo)滲透率超過50%。底層材料與技術(shù)是半導(dǎo)體發(fā)展的基礎(chǔ)科學(xué)，在2025中國制造中，分別對(duì)第三代半導(dǎo)體單晶襯底、光電子器件/模塊、電力電子器件/模塊、射頻器件/模塊等細(xì)分領(lǐng)域做出了目標(biāo)規(guī)劃。在任務(wù)目標(biāo)中提到2025實(shí)現(xiàn)在5G通信、高效能源管理中的國產(chǎn)化率達(dá)到50%；在新能源汽車、消費(fèi)電子中實(shí)現(xiàn)規(guī)模應(yīng)用，在通用照明市場(chǎng)滲透率達(dá)到80%以上。
▲2025第三代半導(dǎo)體材料發(fā)展目標(biāo)
摩爾定律在硅時(shí)代6nm已接近效能極限。“摩爾定律”在過去的幾十年中是集成電路性能增長(zhǎng)的黃金定律。其核心內(nèi)容：價(jià)格維持不變時(shí)，集成電路上可容納的元件數(shù)目，約每隔18-24個(gè)月便會(huì)增加一倍，性能也將提升一倍。根據(jù)ITRS的觀點(diǎn)，傳統(tǒng)的硅晶體管微縮至6納米已達(dá)極限。以硅材料為根基的摩爾定律即將失效。若半導(dǎo)體仍以摩爾定律趨勢(shì)發(fā)展，則需要在底層材料中形成突破。美國、歐盟、日韓等國家和地區(qū)組織已經(jīng)通過制定研發(fā)項(xiàng)目的方式來引導(dǎo)產(chǎn)業(yè)發(fā)展。
美歐等經(jīng)濟(jì)體持續(xù)加大化合物半導(dǎo)體投入。2018年，美國、歐盟等國家和組織啟動(dòng)了超過15個(gè)研發(fā)項(xiàng)目。其中，美國的研發(fā)支持力度最大。2018年美國能源部（DOE）、國防先期研究計(jì)劃局（DARPA）、和國家航空航天局（NASA）和電力美國(Power America)等機(jī)構(gòu)紛紛制定第三代半導(dǎo)體相關(guān)的研究項(xiàng)目，支持總資金超過4億美元，涉及光電子、射頻和電力電子等方向，以期保持美國在第三代半導(dǎo)體領(lǐng)域全球領(lǐng)先的地位。此外，歐盟先后啟動(dòng)了“硅基高效毫米波歐洲系統(tǒng)集成平臺(tái)（SERENA）”項(xiàng)目和“5GGaN2”項(xiàng)目，以搶占5G發(fā)展先機(jī)。
▲各國第三代半導(dǎo)體領(lǐng)域研發(fā)項(xiàng)目
▲摩爾定律：1971-2018年集成電路晶體管數(shù)量變化
超越摩爾定律，新材料是突破路徑之一。目前市面上超過99%的集成電路都是以第一代元素半導(dǎo)體材料之一，硅(Si)、鍺(Ge)材料在20世紀(jì)50年代有過高光時(shí)刻，廣泛應(yīng)用于低壓、低頻、中功率晶體管以及光電探測(cè)器中，但到了60年代后期因耐高溫和抗輻射性能較差，工藝更難、成本更高逐漸被硅材料取代。第三代寬禁帶半導(dǎo)體材料(SiC、GaN等)，因其禁帶寬度(Eg)大于或等于2.3電子伏特(eV)而得名。第三代半導(dǎo)體材料具有優(yōu)越的性能和能帶結(jié)構(gòu)，廣泛用于射頻器件、光電器件、功率器件等制造，具有很大的發(fā)展?jié)摿ΑＤ壳暗谌雽?dǎo)體材料已逐漸滲透5G、新能源汽車、綠色照明等新興領(lǐng)域，被認(rèn)為是半導(dǎo)體行業(yè)的重要發(fā)展方向。美歐等經(jīng)濟(jì)體持續(xù)加大化合物半導(dǎo)體投入。2018年，美國、歐盟等國家和組織啟動(dòng)了超過15個(gè)研發(fā)項(xiàng)目。其中，美國的研發(fā)支持力度最大。2018年美國能源部（DOE）、國防先期研究計(jì)劃局（DARPA）、和國家航空航天局（NASA）和電力美國(Power America)等機(jī)構(gòu)紛紛制定第三代半導(dǎo)體相關(guān)的研究項(xiàng)目，支持總資金超過4億美元，涉及光電子、射頻和電力電子等方向，以期保持美國在第三代半導(dǎo)體領(lǐng)域全球領(lǐng)先的地位。此外，歐盟先后啟動(dòng)了“硅基高效毫米波歐洲系統(tǒng)集成平臺(tái)（SERENA）”項(xiàng)目和“5GGaN2”項(xiàng)目，以搶占5G發(fā)展先機(jī)。
▲各國第三代半導(dǎo)體領(lǐng)域研發(fā)項(xiàng)目
四、新基建視角：5G射頻端需求帶動(dòng)GaN爆發(fā)式增長(zhǎng)
5G宏基站將加速GaN取代LDMOS市場(chǎng)份額。5G商用宏基站將以64通道的大規(guī)模陣列天線為主，單基站PA（射頻功率放大器）需求量接近200個(gè)，目前基站用功率放大器主要為L(zhǎng)DMOS(橫向擴(kuò)散金屬氧化物半導(dǎo)體)技術(shù)，但是LDMOS技術(shù)適用于低頻段，在高頻領(lǐng)域存在局限性。5G基站GaN射頻PA將成為主流技術(shù)，對(duì)LDMOS的市場(chǎng)份額有一定的擠壓，GaAs器件份額變化不大。GaN能較好的適用于大規(guī)模MIMO（多輸入多輸出Multi InputMulti Output）通道，根據(jù)Yole的預(yù)計(jì)，2023年GaN RF在基站中的市場(chǎng)規(guī)模將達(dá)到5.2億美元，年復(fù)合增長(zhǎng)率達(dá)到22.8%。未來隨著GaN技術(shù)進(jìn)步和規(guī)?；l(fā)展，GaN PA滲透率有望不斷提升，預(yù)計(jì)到2023年市場(chǎng)滲透率將超過85%。
▲GaN將逐步取代LDMOS市場(chǎng)份額
▲2019年起5G基站將走向建設(shè)高峰
5G宏基站將加速GaN取代LDMOS市場(chǎng)份額。5G商用宏基站將以64通道的大規(guī)模陣列天線為主，單基站PA（射頻功率放大器）需求量接近200個(gè)，目前基站用功率放大器主要為L(zhǎng)DMOS(橫向擴(kuò)散金屬氧化物半導(dǎo)體)技術(shù)，但是LDMOS技術(shù)適用于低頻段，在高頻領(lǐng)域存在局限性。5G基站GaN射頻PA將成為主流技術(shù)，對(duì)LDMOS的市場(chǎng)份額有一定的擠壓，GaAs器件份額變化不大。GaN能較好的適用于大規(guī)模MIMO（多輸入多輸出Multi InputMulti Output）通道，根據(jù)Yole的預(yù)計(jì)，2023年GaN RF在基站中的市場(chǎng)規(guī)模將達(dá)到5.2億美元，年復(fù)合增長(zhǎng)率達(dá)到22.8%。未來隨著GaN技術(shù)進(jìn)步和規(guī)?；l(fā)展，GaN PA滲透率有望不斷提升，預(yù)計(jì)到2023年市場(chǎng)滲透率將超過85%。
▲GaN將逐步取代LDMOS市場(chǎng)份額
▲2019年起5G基站將走向建設(shè)高峰
射頻器件數(shù)量成倍上升成為后續(xù)主要增長(zhǎng)動(dòng)力。2018年基站領(lǐng)域GaN射頻器件規(guī)模為1.5億美元，占GaN射頻器件市場(chǎng)的33%的份額。5G時(shí)代基站領(lǐng)域的射頻器件將以GaN器件為主，隨著5G通信的實(shí)施，2020年市場(chǎng)規(guī)模會(huì)出現(xiàn)明顯增長(zhǎng)。并且，為了充分利用空間資源，提高頻譜效率和功率效率，大規(guī)模多輸入多輸出（Massive MIMO）技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生，通過在基站側(cè)安裝幾百上千根天線，實(shí)現(xiàn)大量天線同時(shí)收發(fā)數(shù)據(jù)，為此將帶動(dòng)功率放大器等射頻模塊的需求，使得GaN射頻器件的規(guī)模不斷增長(zhǎng)。
▲GaN射頻器件需求量
▲Massive MIMO在5G中將大量出現(xiàn)
▲汽車電子占整車成本未來趨近50%
▲新能源汽車是電子化的重要標(biāo)志
▲GaN射頻器件需求量
▲Massive MIMO在5G中將大量出現(xiàn)
含有GaN的基站PA有望實(shí)現(xiàn)爆發(fā)式增長(zhǎng)。目前我國5G宏基站使用的PA（Power Amplifier，功率放大器）數(shù)量在2019年達(dá)到1843.2萬個(gè)，2020年有望達(dá)到7372.8萬個(gè)，同比增長(zhǎng)有望達(dá)到4倍。預(yù)計(jì)今年，基于GaN工藝的基站PA占比將由去年的50%達(dá)到58%。在此背景下，以華為為代表的通信設(shè)備廠商加大基站PA的自研力度和采購數(shù)量，未來市場(chǎng)規(guī)模有望進(jìn)一步擴(kuò)大。對(duì)于華為巨大的基站和手機(jī)PA用量來說，依然以外購為主，而在當(dāng)下貿(mào)易限制的大背景下，正在加大來自中國本土的PA供應(yīng)量，國內(nèi)GaN領(lǐng)域公司望受益。
4G時(shí)代小基站（Small Cells）已有爆發(fā)式增長(zhǎng)，產(chǎn)品性能優(yōu)勢(shì)明顯。小基站可更加有效改善室內(nèi)深度覆蓋、增加網(wǎng)絡(luò)容量、提升用戶感知，是網(wǎng)絡(luò)部署的重要組成部分。4G時(shí)代，能夠有效覆蓋室內(nèi)或者熱點(diǎn)區(qū)域的小基站獲得了快速發(fā)展。小基站借鑒了WLAN的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，引入了Femtocell（飛站），分流宏蜂窩流量壓力，并解決室內(nèi)覆蓋難的問題。隨著小基站應(yīng)用范圍擴(kuò)大，以及產(chǎn)品類型豐富，小基站分類包括室外Micro、室內(nèi)的Pico、分布式Pico、Femtocell等，從產(chǎn)品形態(tài)、發(fā)射功率、覆蓋范圍等方面，都相比傳統(tǒng)宏站小很多。皮站（Pico）具有低成本、易部署的綜合優(yōu)勢(shì)。主要為企業(yè)級(jí)應(yīng)用，針對(duì)室內(nèi)公共場(chǎng)所。飛站（Femtocell）主要為家庭級(jí)應(yīng)用，外表美觀，具有易安裝、易配置，管理傻瓜化的特點(diǎn)。從統(tǒng)計(jì)上來看，絕大多數(shù)的數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)發(fā)生在室內(nèi)或熱點(diǎn)區(qū)域。相比宏基站，小基站可有效改善室內(nèi)深度覆蓋、增加網(wǎng)絡(luò)容量、提升用戶感知，因而越來越受到業(yè)界的關(guān)注。
5G正式開啟小基站市場(chǎng)，高功率高頻段需求進(jìn)一步提升GaN滲透率。目前針對(duì)4G和LTE基站市場(chǎng)宏基站主要采用SiLDMOS功率放大器，小基站主要采用GaAs功率放大器，但GaN功率放大器的滲透率將不斷提高。然而，LDMOS功率放大器的帶寬會(huì)隨著頻率的增加而大幅減少，僅在不超過約3.5GHz的頻率范圍內(nèi)有效，相比之下，GaN射頻器件更能有效滿足高功率、高通信頻段和高效率等要求。隨著5G的推進(jìn)，在小基站以及微基站市場(chǎng)，GaAs功率放大器憑借性能優(yōu)勢(shì)和較低的成本也有望占據(jù)部分市場(chǎng)。根據(jù)Yole預(yù)測(cè)，GaAs射頻器件市場(chǎng)總額預(yù)計(jì)到2022年將達(dá)到8.576億美元，其中。同時(shí)GaN射頻器件的市場(chǎng)規(guī)模將從2017年3.8億美元到2023年增長(zhǎng)至13億美元，GAGR超過20%，最主要的增量也是來自于基站的應(yīng)用。
五、消費(fèi)電子視角：高效能、小體積加速GaN消費(fèi)電子中的應(yīng)用
GaN三個(gè)特點(diǎn)大幅提升效率：開關(guān)頻率高、禁斷寬度大、更低的導(dǎo)通電阻。開關(guān)頻率是指充電頭內(nèi)部晶閘管，可控硅等電子元件，每秒可以完全導(dǎo)通、斷開的次數(shù)。變壓器恰好是充電器中體積最大的元器件之一，占據(jù)了內(nèi)部相當(dāng)大的空間。開關(guān)的頻率高可使用體積更小的變壓器。使用氮化鎵作為變壓元件，變壓器和電容的體積減少，有助于減少充電頭的體積和重量。禁帶寬度直接決定電子器件的耐壓和最高工作溫度，禁帶寬度越大，器件能夠承載的電壓和溫度越高，擊穿電壓也會(huì)越高，功率越高。更低的導(dǎo)通電阻，直接表現(xiàn)為導(dǎo)電時(shí)的發(fā)熱量。導(dǎo)通電阻越低，發(fā)熱量越低。
2018年ANKER將GaN帶出實(shí)驗(yàn)室。2018年10月25日ANKER在美國紐約發(fā)布了一款劃時(shí)代的新品—“ANKER Power Port Atom PD1”GaN充電器，由于其搭載了高頻高效的GaN（氮化鎵）功率器件而備受業(yè)界關(guān)注。該款產(chǎn)品也是首次將第三代半導(dǎo)體技術(shù)應(yīng)用在充電設(shè)備上，從而將相關(guān)技術(shù)從實(shí)驗(yàn)室?guī)驊?yīng)用市場(chǎng)。
主流廠商依次跟進(jìn)，高功率，小體積成最明顯優(yōu)勢(shì)。小米于2020年2月發(fā)布了GaN充電器Type-C65W，能夠?yàn)樾∶?0Pro最高提供50W的充電功率，小米10Pro搭配其使用從充電至100%僅需45分鐘。同時(shí)，它支持小米疾速閃充、PD3.0等快充協(xié)議，并且還支持全系iPhone快充，官方表示，使用小米GaN充電器Type-C65W為iPhone11充電，充電速度比原裝5W充電器提升約50%。得益于新型半導(dǎo)體材料GaN的加持，Type-C65W的體積比小米筆記本標(biāo)配的適配器減小約48%。此外，小米Type-C65W的USB-C接口支持多個(gè)檔位的智能調(diào)節(jié)輸出電流，能為新款MacBookPro、小米筆記本等大功率設(shè)備進(jìn)行最大65W充電，還能兼容大多數(shù)Type-C接口的電子設(shè)備，包括Switch等。產(chǎn)品搭載E-Marker芯片，最大支持5A電流。目前，業(yè)界已推出多種快充技術(shù)方案，主要包括高通Quick Charge技術(shù)、OPPO VOOC閃充技術(shù)、聯(lián)發(fā)科Pump Express技術(shù)、華為Super Charge技術(shù)、vivo SUPER Flash Charge技術(shù)和USB3.1PD充電技術(shù)等。
▲各充電方案對(duì)比
▲ 小基站設(shè)備形態(tài)及應(yīng)用場(chǎng)景
目前采用“宏基站為主，小基站為輔”的組網(wǎng)方式，是網(wǎng)絡(luò)廣深覆蓋的重要途徑。宏蜂窩基站一般有3個(gè)扇區(qū)，微蜂窩基站一般只有1個(gè)扇區(qū)。宏基站和小基站的區(qū)別在于，小微基站設(shè)備統(tǒng)一都裝在電源柜里，一個(gè)柜子加天線即可實(shí)現(xiàn)部署，體積較小。宏基站需要單獨(dú)的機(jī)房和鐵塔，設(shè)備，電源柜，傳輸柜，空調(diào)等分開部署，體積較大。一方面，5G主要采用3.5G及以上的頻段，在室外場(chǎng)景下覆蓋范圍更小，受建筑物等阻擋，信號(hào)衰減更加明顯，宏基站布設(shè)成本較高。另一方面，由于宏基占用面積較大，布設(shè)難度較高，站址選擇難度增大，而小基站體積小，布設(shè)簡(jiǎn)單，可以充分利用社會(huì)公共資源快速部署。5G室外場(chǎng)景下，小基站和宏基站配合組網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)成本和網(wǎng)絡(luò)性能最優(yōu)將是重要的發(fā)展思路。5G正式開啟小基站市場(chǎng)，高功率高頻段需求進(jìn)一步提升GaN滲透率。目前針對(duì)4G和LTE基站市場(chǎng)宏基站主要采用SiLDMOS功率放大器，小基站主要采用GaAs功率放大器，但GaN功率放大器的滲透率將不斷提高。然而，LDMOS功率放大器的帶寬會(huì)隨著頻率的增加而大幅減少，僅在不超過約3.5GHz的頻率范圍內(nèi)有效，相比之下，GaN射頻器件更能有效滿足高功率、高通信頻段和高效率等要求。隨著5G的推進(jìn)，在小基站以及微基站市場(chǎng)，GaAs功率放大器憑借性能優(yōu)勢(shì)和較低的成本也有望占據(jù)部分市場(chǎng)。根據(jù)Yole預(yù)測(cè)，GaAs射頻器件市場(chǎng)總額預(yù)計(jì)到2022年將達(dá)到8.576億美元，其中。同時(shí)GaN射頻器件的市場(chǎng)規(guī)模將從2017年3.8億美元到2023年增長(zhǎng)至13億美元，GAGR超過20%，最主要的增量也是來自于基站的應(yīng)用。
五、消費(fèi)電子視角：高效能、小體積加速GaN消費(fèi)電子中的應(yīng)用
GaN三個(gè)特點(diǎn)大幅提升效率：開關(guān)頻率高、禁斷寬度大、更低的導(dǎo)通電阻。開關(guān)頻率是指充電頭內(nèi)部晶閘管，可控硅等電子元件，每秒可以完全導(dǎo)通、斷開的次數(shù)。變壓器恰好是充電器中體積最大的元器件之一，占據(jù)了內(nèi)部相當(dāng)大的空間。開關(guān)的頻率高可使用體積更小的變壓器。使用氮化鎵作為變壓元件，變壓器和電容的體積減少，有助于減少充電頭的體積和重量。禁帶寬度直接決定電子器件的耐壓和最高工作溫度，禁帶寬度越大，器件能夠承載的電壓和溫度越高，擊穿電壓也會(huì)越高，功率越高。更低的導(dǎo)通電阻，直接表現(xiàn)為導(dǎo)電時(shí)的發(fā)熱量。導(dǎo)通電阻越低，發(fā)熱量越低。
2018年ANKER將GaN帶出實(shí)驗(yàn)室。2018年10月25日ANKER在美國紐約發(fā)布了一款劃時(shí)代的新品—“ANKER Power Port Atom PD1”GaN充電器，由于其搭載了高頻高效的GaN（氮化鎵）功率器件而備受業(yè)界關(guān)注。該款產(chǎn)品也是首次將第三代半導(dǎo)體技術(shù)應(yīng)用在充電設(shè)備上，從而將相關(guān)技術(shù)從實(shí)驗(yàn)室?guī)驊?yīng)用市場(chǎng)。
主流廠商依次跟進(jìn)，高功率，小體積成最明顯優(yōu)勢(shì)。小米于2020年2月發(fā)布了GaN充電器Type-C65W，能夠?yàn)樾∶?0Pro最高提供50W的充電功率，小米10Pro搭配其使用從充電至100%僅需45分鐘。同時(shí)，它支持小米疾速閃充、PD3.0等快充協(xié)議，并且還支持全系iPhone快充，官方表示，使用小米GaN充電器Type-C65W為iPhone11充電，充電速度比原裝5W充電器提升約50%。得益于新型半導(dǎo)體材料GaN的加持，Type-C65W的體積比小米筆記本標(biāo)配的適配器減小約48%。此外，小米Type-C65W的USB-C接口支持多個(gè)檔位的智能調(diào)節(jié)輸出電流，能為新款MacBookPro、小米筆記本等大功率設(shè)備進(jìn)行最大65W充電，還能兼容大多數(shù)Type-C接口的電子設(shè)備，包括Switch等。產(chǎn)品搭載E-Marker芯片，最大支持5A電流。目前，業(yè)界已推出多種快充技術(shù)方案，主要包括高通Quick Charge技術(shù)、OPPO VOOC閃充技術(shù)、聯(lián)發(fā)科Pump Express技術(shù)、華為Super Charge技術(shù)、vivo SUPER Flash Charge技術(shù)和USB3.1PD充電技術(shù)等。
▲各充電方案對(duì)比
從消費(fèi)電子快充市場(chǎng)來看，未來隨快充需求與GaN滲透率不斷提升，2022年市場(chǎng)規(guī)模有望達(dá)到87.74億元。隨著5G手機(jī)各類參數(shù)不斷提升，內(nèi)部射頻、處理器、屏幕的耗電量在直線上升，電子產(chǎn)品對(duì)快充的需求日益提升。多家廠商發(fā)布GaN快充后，目前的售價(jià)大部分用戶已經(jīng)可以接受，未來滲透率有望逐步提升。假設(shè)智能手機(jī)未來三年GaN快充滲透率為1%、3%、5%，可穿戴需求度相對(duì)手機(jī)端有所降低，三年的滲透率為0.5%、1%、2%；我們預(yù)計(jì)2020年全球GaN充電器市場(chǎng)規(guī)模為24.41億元，2022年有望達(dá)到87.74億元。
從消費(fèi)電子快充市場(chǎng)來看，未來隨快充需求與GaN滲透率不斷提升，2022年市場(chǎng)規(guī)模有望達(dá)到87.74億元。隨著5G手機(jī)各類參數(shù)不斷提升，內(nèi)部射頻、處理器、屏幕的耗電量在直線上升，電子產(chǎn)品對(duì)快充的需求日益提升。多家廠商發(fā)布GaN快充后，目前的售價(jià)大部分用戶已經(jīng)可以接受，未來滲透率有望逐步提升。假設(shè)智能手機(jī)未來三年GaN快充滲透率為1%、3%、5%，可穿戴需求度相對(duì)手機(jī)端有所降低，三年的滲透率為0.5%、1%、2%；我們預(yù)計(jì)2020年全球GaN充電器市場(chǎng)規(guī)模為24.41億元，2022年有望達(dá)到87.74億元。
▲不同自動(dòng)駕駛級(jí)別所對(duì)應(yīng)的智能程度
▲智能手機(jī)與可穿戴設(shè)備中GaN快充測(cè)算
新能源汽車拐點(diǎn)已至，發(fā)展路徑復(fù)制智能手機(jī)。新能源汽車的競(jìng)爭(zhēng)格局已出現(xiàn)明顯變化，政策端：全球節(jié)能減排，碳排放成國際談判的重要籌碼，國六排放的實(shí)行，加速新能源汽車替代傳統(tǒng)燃油車。供給端：全球主流廠商規(guī)劃將未來重點(diǎn)發(fā)展方向放到NEV，有保有量加速提升，目前全球有超過150家車廠已有規(guī)劃EV新車上市；在自動(dòng)駕駛水平方面，2019年L2+級(jí)別自動(dòng)駕駛產(chǎn)品在部分車型中已成為標(biāo)配，部分車型仍需要選裝，未來L3級(jí)別的自動(dòng)駕駛有可能會(huì)在2020年后正式上市，從供給端來看，智能化水平在加速提升。需求端：新能源汽車的邊際變化來源有兩點(diǎn)：車載娛樂及駕乘體驗(yàn)，純電動(dòng)與自動(dòng)駕駛帶來的獨(dú)特駕駛體驗(yàn)，車聯(lián)網(wǎng)的落地及人車手機(jī)生態(tài)化的構(gòu)建，是娛樂化需求的來源。▲不同自動(dòng)駕駛級(jí)別所對(duì)應(yīng)的智能程度
汽車電子化程度上升是必然趨勢(shì)，直接帶動(dòng)汽車產(chǎn)業(yè)鏈價(jià)值遷移。汽車電子是車體汽車電子控制裝置和車載汽車電子控制裝置的總稱。其中控制裝置包括動(dòng)力總成控制、底盤和車身電子控制等；車載電子裝置包括汽車信息系統(tǒng)導(dǎo)航系統(tǒng)、車載通信系統(tǒng)、車載網(wǎng)絡(luò)等。從傳統(tǒng)燃油動(dòng)力車型轉(zhuǎn)向電池動(dòng)力的過程中，汽車電子化程度將呈現(xiàn)大幅提升，其中兩類需求增長(zhǎng)最為迅速：1）以智能駕駛為長(zhǎng)期驅(qū)動(dòng)力的安全系統(tǒng)（ADAS），是未來實(shí)現(xiàn)無人駕駛的重要保障；2）以智能座艙位代表的車載電子、車載通信，是建設(shè)車聯(lián)網(wǎng)及物聯(lián)網(wǎng)的基礎(chǔ)需求。
▲汽車電子占整車成本未來趨近50%
▲新能源汽車是電子化的重要標(biāo)志
汽車電子市場(chǎng)規(guī)模快速發(fā)展，國內(nèi)市場(chǎng)有望超千億。隨著汽車智能化、車聯(lián)網(wǎng)、安全汽車和新能源汽車時(shí)代的到來，汽車電子市場(chǎng)規(guī)模不斷擴(kuò)大，從汽車音響空調(diào)電子顯示屏等，目前已轉(zhuǎn)向助力包括安全系統(tǒng)、娛樂信息系統(tǒng)、車內(nèi)網(wǎng)絡(luò)、動(dòng)力系統(tǒng)等汽車其他相關(guān)部件發(fā)展上，未來汽車電子市場(chǎng)發(fā)展空間還將進(jìn)一步增加，汽車電子將成為半導(dǎo)體應(yīng)用的主要增長(zhǎng)點(diǎn)。根據(jù)中國汽車工業(yè)協(xié)會(huì)數(shù)據(jù)，2020年全球汽車電子產(chǎn)品市場(chǎng)的產(chǎn)業(yè)規(guī)模預(yù)計(jì)將達(dá)到2400億美元，其中我國汽車電子市場(chǎng)規(guī)模將超過1058億美元。
▲全球與國內(nèi)汽車電子市場(chǎng)規(guī)模（億美元）
▲全球與國內(nèi)汽車電子市場(chǎng)規(guī)模（億美元）
第三代半導(dǎo)體材料功率器件對(duì)于電機(jī)、電控、電池三大核心元件的效率提升具有重要意義。從燃油車和新能源車兩方面看：在國六排放要求背景下，主流車廠選擇以48V輕混作為過度時(shí)期的解決方案；在新能源車型中，目前混動(dòng)新能源汽車占新能源汽車總量的80%以上，電機(jī)與電控是核心元器件。GaN可用于48VDC/DC以及OBC(On Board Charger車載充電機(jī))。據(jù)Yole的預(yù)測(cè)，2023年該領(lǐng)域的市場(chǎng)規(guī)模將達(dá)到2500萬美元。新能源汽車無疑是電力電子設(shè)備市場(chǎng)的主要驅(qū)動(dòng)力，也是不同技術(shù)路線（Si、SiC和GaN）的主要爭(zhēng)奪市場(chǎng)。
汽車電子涉及高功率的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)與低功率的控制系統(tǒng)，目前解決方案并不統(tǒng)一。從技術(shù)上而言，GaN功率器件在48V的混合動(dòng)力汽車領(lǐng)域?qū)碛休^強(qiáng)的競(jìng)爭(zhēng)力：SiC更適合大功率主逆變器，Si基GaN功率電子技術(shù)更適合小功率DC/DC和AC/DC轉(zhuǎn)換器。預(yù)計(jì)到2025年，大部分的輕型車將采用48V逆變器。同時(shí)GaN功率器件也可用于車載充電器（OBC）。目前部分企業(yè)正在設(shè)計(jì)與SiC與GaN兼容的OBC解決方案，若GaN方案的成本和技術(shù)足夠成熟，GaN在新能源汽車OBC上的使用可能性將會(huì)大大提升。
未來前景看好，目前穩(wěn)定性仍待提高。由于在新能源汽車的應(yīng)用中，功率需求相對(duì)較大，如在混合動(dòng)力車型上，包含動(dòng)力系統(tǒng)在內(nèi)的電子元器件的成本占比已經(jīng)達(dá)到50%，對(duì)器件穩(wěn)定性和可靠性的要求非常高，需要較長(zhǎng)時(shí)間的質(zhì)量認(rèn)證過程，在此過程中需要投入大量的研發(fā)經(jīng)費(fèi)；而SiC功率器件也將在如新能源汽車等領(lǐng)域與GaN功率器件的形成直接的競(jìng)爭(zhēng)。在這種情況下，GaN功率器件在新能源汽車領(lǐng)域的應(yīng)用發(fā)展可能還需要較長(zhǎng)時(shí)間。另外，（汽車）激光雷達(dá)、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)中心、包絡(luò)追蹤等應(yīng)用都是GaN功率器件新興的應(yīng)用市場(chǎng)，基于GaN功率器件的性能優(yōu)越性，未來市場(chǎng)預(yù)期較好，據(jù)Yole的預(yù)測(cè)，上述應(yīng)用市場(chǎng)在未來5年的年均增速超過65%，部分廠商會(huì)已經(jīng)在高端設(shè)備上采用GaN功率器件。因此GaN功率器件未來的市場(chǎng)發(fā)展情況除了受到現(xiàn)有的既定市場(chǎng)的影響之外，新興市場(chǎng)的影響力也不容忽視。
智東西認(rèn)為， 5G對(duì)高功率射頻的需求，手機(jī)和筆電對(duì)高效輕小快充的需求將在2020-2021年爆發(fā)，疫情對(duì)深紫外UVC的需求將在2020年短期內(nèi)集中爆發(fā)。中長(zhǎng)期來看，三類需求面對(duì)的都是GaN器件的藍(lán)海市場(chǎng)，具有可觀的增長(zhǎng)空間。
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