化合物半导体行业报告：化合物半导体风起云涌，大势所趋大有可为

1、 市场空间广阔，化合物半导体有望乘风而起

1.1、 下游需求强劲，半导体材料市场不断演化

半导体材料是半导体产业链上游中的重要组成部分，在集成电路、分立器件等半导体产品生产制造中起到关键性的作用。半导体材料可以根据半导体产品制造过程分为制造材料和封装材料，其中制造材料主要是制造硅晶圆半导体、砷化镓、 氮化镓、碳化硅等化合物半导体的芯片过程中所需的各类材料，封装材料则是将 制得的芯片在封装切割过程中所用到的材料。

下游应用需求强劲，半导体材料市场不断扩展。据中国电子材料行业协会数据， 2018 年全球半导体材料销售额达到 519 亿美元，较 2017 年 469 亿美元增长 10.66%，其中制造材料、封装测试材料销售额分别为 322 亿美元、197 亿美元。 2019 年受全球宏观经济影响，全球半导体材料市场规模有所下降，但其下降幅 度低于整体半导体产业。2019 年全球半导体材料整体市场营收 483 亿美元，同 比下降 6.7%。2015 年至 2019 年，全球半导体制造材料销售规模由 240 亿美元 增长到 293 亿美元，年均复合增长率 5.11%。未来，在半导体芯片工艺升级、 芯片尺寸持续小型化，以及全球硅材料、化合物半导体材料的品种和性能不断迭 代升级的影响下，半导体制造材料在材料销售规模的占比预计将持续提高。

半导体材料共经历了三个发展阶段。

第一阶段出现在 20 世纪 50 年代，以硅（Si）、 锗（Ge）为代表的第一代半导体材料，主要用于分立器件和芯片制造，并引发 了以集成电路为核心的微电子产业的迅速发展，在信息技术、航空航天、国防军 工、光伏等领域应用极其广泛。

第二阶段是 20 世纪 90 年代，以砷化镓（GaAs）、 磷化铟（InP）等化合物为代表的化合物半导体材料，使半导体材料进入光电子 领域，主要用于制作高速、高频、大功率以及发光电子器件，也是制作高性能微 波、毫米波器件的优良材料，广泛应用在微波通信、光通信、卫星通信、光电器 件、激光器和卫星导航等领域。

第三阶段是本世纪初，以氮化镓（GaN）、碳化硅（SiC）等为代表的宽禁带半导体材料，在禁带宽度、击穿电场强度、饱和电 子漂移速率、热导率以及抗辐射等关键参数方面具有显著优势，满足了现代工业 对高功率、高电压、高频率的需求，广泛用于制作高温、高频、大功率和抗辐射 电子器件，应用于半导体照明、5G 通信、卫星通信、光通信、电力电子、航空 航天等领域。

1.2、 应用前景广阔，化合物半导体市场空间持续拓展

半导体衬底材料包括硅材料和 GaAs、SiC、GaN 等化合物半导体材料。凭借成 熟制程及较低成本的优势，第一代硅质半导体材料制作的元器件已成为了电子电 力设备中不可或缺的组成部分，硅也是目前技术最成熟、使用范围最广、市场占 比最大的衬底材料。但硅质半导体材料受限于自身性能，无法在高温、高频、高 压等环境中使用，化合物半导体材料因此崭露头角。化合物半导体材料拥有高电 子迁移率、直接能隙与宽能带等特性，恰好符合半导体产业发展所需，随着材料 制备技术与下游应用市场的成熟，以 GaAs、SiC、GaN 为代表的化合物半导体 衬底材料市场空间不断拓展。

现阶段，全球 95%以上的半导体芯片和器件是用硅片作为基础功能材料而生产 的。硅片占整个半导体材料市场的 35%左右，市场空间约为 80 亿美元，硅基芯 片市场规模高达 4000 多亿美元。然而，随着物联网、5G 时代的到来，以砷化 镓（GaAs）、氮化镓（GaN）、碳化硅（SiC）等为代表的化合物半导体正快速 崛起中。据半导体行业观察的数据，2018 年 GaAs、GaN 与 SiC 的产业销售额 分别约为 3500 亿元、238 亿元和 64 亿元，化合物半导体的市场规模在不断扩 大。

国内第三代半导体器件市场拥有巨大增长空间，倒逼上游材料端发展。据赛迪 顾问统计，2019 年国内第三代半导体器件市场规模达到 86.29 亿元，增长率为 99.7%，到 2022 年，中国第三代半导体器件市场规模有望冲破 608.21 亿元， 增长率为 78.4%。第三代半导体器件广泛应用于“新基建”项目，也是实现“碳中 和“的重要路径。国内在 5G 通讯、新能源等新兴产业的技术水平、产业化规模 等方面处于国际优势地位，下游应用需求强劲将促进国内上游半导体行业的持续 发展，进一步提高半导体企业在国际市场的影响力。

1.3、 政策持续加码，第三代半导体产业扬帆起航

第三代半导体行业是国内“新基建”战略的重要组成部分，有望引发科技变革并重塑国际半导体产业格局。“十三五”期间，国家科技部通过“国家重点研发计划” 支持了第三代半导体发展，国家 2030 计划和“十四五”国家研发计划也已明确提 出第三代半导体是重要发展方向，涉及第三代半导体产业的各研发项目均按照进 度要求完成启动等工作，项目部署涵盖电力电子、微波射频和光电应用多个领域， 紧贴产业发展实际需求和进程，在新能源汽车应用、电网应用前沿研究、光伏逆 变器、小型化电源、农业应用、健康医疗应用、光通讯、紫外应用、激光应用、 智慧照明等多个热点发挥了引导作用。

目前，国内对于第三代半导体材料的投资热情势头不减。据 CASA Research 不 完全统计，2020 年共 24 笔投资扩产项目（2019 年 17 笔），已披露的投资扩产 金额达到 694 亿元（不含 GaN 光电子），较 2019 年同比增长 161%。分材料看， SiC 投资 17 笔，涉及金额 550 亿元；GaN 投资 7 笔，涉及金额 144 亿元。分 环节看，衬底环节投资 12 笔（主要为 SiC 衬底），涉及金额 175 亿元；器件/模 块环节投资 15 笔，涉及金额 520 亿元。在国家政策大力支持与“新基建”的引 领下，第三代半导体产业将成为未来半导体产业发展的重要引擎。

2、 GaAs：立足射频前端应用，持续受益于消费电子领域

2.1、 第二代半导体材料的代表，产业链成熟下游应用广阔

作为第二代半导体材料的代表，GaAs 具有宽禁带、高频、高压、抗辐射、耐高 温及发光效率高等特性，被广泛应用于移动通信、无线通信、光纤通信、LED、 光伏、卫星导航等领域。在微电子领域，GaAs 广泛应用于微波通信射频、消费 电子射频领域（PA 和 Switch）等；在光电子领域，GaAs 则用于 LED、激光 VCSEL、太阳能等领域。

GaAs 产业链包括晶圆（衬底、外延片），芯片设计、晶圆代工、封测、下游应 用等环节。GaAs 产业最上游为衬底制造，其次为关键材料 GaAs 外延片，具体 工艺包括 MOCVD（有机金属化学气相沉积法）及 MBE（分子束磊晶法）GaAs 磊晶技术；中游为晶圆制造及封测等；下游则为手机、无线区域网路制造厂以及 无线射频系统商等，整个产业链除晶圆制造外，设计与先进技术主要仍掌握在国 际 IDM 大厂中。

从 GaAs 产品来看，GaAs 产品以手机射频 PA 为主。受到中美贸易摩擦及新冠 肺炎疫情影响，基于 GaAs的射频器件市场受到不小震荡。据集邦咨询数据，2020 年全球 GaAs 射频器件市场规模为 65.80 亿美元，较 2019 年有小幅下滑。

2012-2018 年，中国 GaAs 元器件市场经历了快速增长期。中国作为电子信息 制造业大国，下游应用市场广阔。前瞻产业研究院预计，2019-2024 年，中国 GaAs 元器件市场 CAGR 在 15%左右，增速高于全球市场同期增速，中国市场 规模占全球比重将进一步提升。到 2024 年，中国 GaAs 元器件市场规模将达到 551.3 亿元。

2.2、 手机 PA 主流材料，VCSEL 成为 GaAs 成长新驱动

GaAs 衬底的下游应用主要应用于射频（47%）、LED（42%）、激光二极管（10%） 三大领域。其中，以半绝缘型 GaAs 为主的射频应用占比最高，主要应用于手机PA、Switch、基站射频等方面；其次为 LED，以半导体型 GaAs 材料为主。据 Yole Development 统计，GaAs 晶圆的整体市场规模将从 2019 年的 2 亿美元增 长到 2025 年的超过 3.48 亿美元，复合年增长率为 10%。

2.2.1、 消费电子：GaAs PA 仍为 5G 时代智能手机重要组成部分

手机市场已成为GaAs器件发展的一大动力。4G时代手机端PA的工艺以CMOS 和 GaAs 为主。由于 5G 通讯对频率、功率与效率的要求更高，对 PA 的性能要 求也相应提高。GaAs 的高线性度和高输出功率特性满足 5G 设备对低延迟超高 速的需求，使 GaAs 成为射频前端模组中 PA 材料的理想选择。同时，5G 技术 对 PA 的需求量至少是 4G 对 PA 的需求量的 2 倍，从而增加了 RF 前端的总功 率放大器面积和功率放大器数量，带动 GaAs 晶圆和芯片的出货量增加。

5G 时代 GaAs 仍将主导智能手机 PA 市场。在过去的几年中，RF 一直作为 GaAs 晶圆市场的成长驱动力。据 Yole Development 数据，2019 年 RF 占 GaAs 晶圆 市场总量的 33%和市场价值的 37%，占 GaAs 外延片市场的 67%。5G 时代 sub 6GHz 频段中，GaAs HBT 仍是 PA 的最重要的技术；5G 新增毫米波频段，GaAs pHEMT 则为重要的技术路线。

2.2.2、 光电子：VCSEL 成为 GaAs 成长新驱动

以 VCSEL 为代表的光电子领域将成为 GaAs 增长的驱动力之一。VCSEL 是一 种化合物半导体激光器，可用作光纤通信和自由空间光通信的发射器。与传统发 射激光器相比，VCSEL 具有较小的原场发散角、调制频率高且易于实现大规模 阵列及光电集成等优点，广泛应用于光通信、3D 传感、面部识别、车载激光雷 达等场景，且短期内不易被其他技术取代。随着手机 3D 面部感应渗透率提高、 大容量光纤通信激光器的需求拉动，据 Yole Development 统计数据，全球 VCSEL的市场规模将从2020年的11亿美元增长至2025年的27亿美元，CAGR 达 18.4%。

移动和消费领域的 3D 应用蓬勃发展。2017 年以前 VCSEL 市场主要由数据通 信应用驱动。自苹果率先将 VCSEL 解决方案应用于 iPhone 的 Face ID 模块之 后，VCSEL 市场驱动力逐渐被 3D 传感所取代。2017 年，iPhone 中共装配了 4100 万件 VCSEL，2020 预期将有超过 3.25 亿件 VCSEL 被安装在 iPhone 中。 安卓系厂商也在其智能手机的正面应用 3D 传感模块进行人脸识别。除人脸识别 功能外，3D 传感也被应用于后置摄像头以满足摄像功能提升的需求。Yole Development 统计显示，2020 年移动设备中的 3D 传感约占 VCSEL 总市场规 模的 75%，预计 2025 年达到 21 亿美元的规模。从竞争格局来看，Lumentum作为苹果的主要供应商，2020 年市占率达 68%，具有明显领先地位。

2.3、 竞争格局：产业链各环节以海外厂商为主导

目前，GaAs 产业链环节以欧美、日本和中国台湾厂商为主导。从 GaAs 外延片生 产环节来看，根据 Strategy Analytics 数据，前四大 GaAs 外延片厂商为英国厂 商 IQE、中国台湾地区厂商全新光电、日本厂商住友化学与台系厂商英特磊，分别占 市场的 54%、25%、13%、6%，CR4 高达 98%。在 GaAs 晶圆制造环节，台 系代工厂稳懋一家独大，占据了 GaAs 晶圆代工市场的 71%份额，其次为中国台湾 地区的宏捷（9%）与美国的 GCS（8%）。

从竞争格局来看，GaAs 器件市场参与者较多，多为美国、日本与台系厂商，其 中美国厂商占据前三地位，Skyworks 以 30.7%的市占率成为行业领导者，其次 为 Qorvo（28%）与 Avago（7.4%）。中国企业起步晚，在产业链中话语权较弱。

从全球 GaAs 晶圆代工角度看，据 Strategy Analytics 数据，全球 GaAs 器件市 场主要参与者中，美国企业占全球市场份额的 75%，占有明显优势。从 GaAs 晶圆代工格局来看，台系厂商稳懋占龙头地位，市场份额达 72.7%，GCS 以约 8.4%的市占率居于第二。

2.3.1、 稳懋：全球 GaAs 无线通讯领导者

稳懋半导体成立于 1999 年，位于中国台湾林口华亚科技园区，是全球首座以六英寸 晶圆生产 GaAs 微波集成电路的专业晶圆代工服务公司。稳懋拥有完整的技术团 队及最先进的 GaAs 微波电晶体及积体电路制造技术及生产设备，客户群包括全 球射频积体电路设计公司，并致力吸引与全球 IDM 大厂合作。

在制程技术发展方面，稳懋以多元化及领先为原则，期望能提供客户最完整的服 务。在无线宽频通讯的微波高科技领域中，稳懋目前提供两大类 GaAs 电晶体制 程技术：HBT 和 pHEMT 二者均为最尖端的制程技术。在光通讯及 3D 感测领域 中，稳懋更以 MMIC 生产技术为基础，提供光电产品的开发与生产制造。

2016-2020年，稳懋营业收入从136.23亿新台币增长至256.12亿新台币，CAGR 为17.10%，净利润从31.13亿新台币增长至65.29亿新台币，CAGR为20.34%。 稳懋毛利率近 5 年始终维持在 30%以上，2020 年净利率 25.3%，创下五年新高。

3、 GaN：高频性能优越，成为 5G 器件关键材料

3.1、 半导体材料研究热点，GaN 射频器件应用前景明朗

氮化镓（GaN）是由氮和镓组成的一种半导体材料，因为其禁带宽度大于 2.2eV， 故被称为宽禁带半导体材料。GaN 材料作为微波功率晶体管的优良材料与蓝色 光发光器件中的一种具有重要应用价值的半导体，是目前全球半导体研究的前沿 和热点。与传统半导体材料硅相比，由于 GaN 禁带宽度是硅的 3-4 倍、热导率 是硅的 2 倍，使得 GaN 器件可在 300℃以上的高温下工作，能够承载更高的能 量密度，可靠性更高；其击穿场强比硅高 10 倍，使得器件导通电阻减少，有利 于提升器件整体的能效；饱和电子迁移速度是硅的 2-4 倍，因此允许器件更高速 地工作。GaN 器件在光电子、高温大功率器件和高频微波器件应用方面有着广 阔的前景。

GaN 外延片可分为同质外延片与异质外延片。在 GaN 单晶衬底上生长的 GaN 为同质外延片，以 GaN 单晶材料作为衬底可以大大提高外延膜的晶体质量，降 低错位密度，提高器件工作寿命。但由于 GaN 材料硬度高，熔点高，衬底制作 难度高，位错缺陷密度较高导致良率低，技术进步缓慢。因此 GaN 晶圆的成本 仍然居高不下，GaN 厚膜衬底的应用受到限制。除了同质外延片外，GaN 还可 以生长在其他衬底材料上，称之为异质外延片。目前常用的衬底材料包括蓝宝石、 SiC、硅与金刚石。其中蓝宝石 GaN 只能用来做 LED；硅基 GaN（GaN on Si） 可以做功率器件和小功率的射频器件；碳化硅基 GaN（GaN on SiC）可以制造 大功率 LED、功率器件和大功率射频芯片。GaN on SiC 和 GaN on Si 是未来 的主流技术方向。

GaN 器件产业链各环节依次为：衬底、材料外延、器件设计与制造及下游应用。 目前产业以 IDM 企业为主，但是设计与制造环节已经开始出现分工。在上游衬 底方面，GaN 衬底大部分由日本公司生产，包括住友电工、三菱化学等。其中， 住友电工的市场份额已经超过 90%。GaN 外延片相关企业主要有比利时的 EpiGaN、英国的 IQE、日本的 NTT-AT。GaN 器件设计厂商方面，美国的 EPC、 MACOM、Transphom，德国的 Dialog 等为主要参与者。IDM企业中日本的住 友电工与美国的 Cree 为行业龙头，市场占有率均超过 30%。

亚太地区占据了全球 GaN 衬底市场的主要份额。2019 年亚太地区占全球 GaN 衬底市场的 36.34%。由于 GaN 终端应用日益普及，Transparency Market Research 预计，2019 至 2027 年亚太地区将继续占据主导地位。除亚太地区外， 北美与欧洲地区也成为GaN衬底的重要市场，2019年分别占有28.18%、23.94% 的市场份额，GaN 在汽车行业中应用为北美与欧洲两个地区的 GaN 市场提供了 巨大的机遇。

在应用领域方面，目前 GaN 主要应用于射频器件和电力电子器件的制造。2019 年，射频 GaN 的市场规模占 GaN 器件整体规模的比重达 91%，电力电子 GaN市场规模仅占 9%。2019 年国内 GaN 产业实现高速增长。据 CASA 初步统计， 2019 年国内 GaN 微波射频产值规模近 38 亿元，同比增长 74%。未来随着 5G 商用的扩大，现行厂商将进一步由原先的 4G 设备更新至 5G。5G 基站的布建密 度高于 4G，而基站内部使用的材料多为 GaN 材料，赛迪顾问预计，到 2022 年 国内 GaN 衬底市场规模将达到 5.67 亿元。

3.2、 5G 射频与基站持续渗透，GaN 在快充领域大放光彩

GaN 作为第三代半导体材料，有更高的禁带宽度，是迄今理论上电光、光电转 换效率最高的材料体系，下游应用包括微波射频器件（通信基站等），电力电子 器件（电源等），光电器件（LED 照明、激光等），其中光电器件仍是 GaN 的主 要应用方向。目前 GaN 器件多应用于军工电子，如军事通讯、电子干扰、雷达 等领域；在民用领域，GaN 主要被应用于通讯基站、功率器件等领域。据 Yole Development 数据，2019 年全球 GaN 功率器件市场规模为 1996.4 万美元，预 计 GaN 市场将在 2025 年达到 6.8 亿美元以上，CAGR 高达 80.04%。随着 5G 时代的到来，5G 基站与数据中心的建设将大幅度带动 GaN 射频与功率器件市 场，GaN 在快充等电源控制方面的应用也成为的新的需求增长点。

3.2.1、 终端射频：5G 时代射频器件要求提高，GaN 器件优势凸显

5G 终端蓄势待发，大用量规模与技术创新为射频前端带来红利。2020 年，5G 已经进入商用部署的快车道。IDC 预计 2020 年，中国 5G 连接终端用户将超过 2 亿，VR/AR 等虚拟现实市场也将在未来三年呈现爆发增长的态势。Qorvo 表 示在未来 10 年内，5G 终端将会成为手机产业中发展最快的部分。5G 需要满足 行业海量物联网设备的通信需求。在人与人的连接场景之外，连接技术与行业数 字化场景的融合也将成为 5G 通信发展的新机遇。IDC 预测，到 2024 年全球物 联网的联接量将接近 650 亿，是手机联接量的 11.4 倍，以 5G 为代表的蜂窝物 联网技术将发挥重要作用。

5G 时代 GaN 射频市场占比进一步上升，未来将不断占领 LDMOS 市场空间。 5G 时代高速增长的数据流量使得调制解调难度不断增加，需要的频段越来越多， 对射频前端器件的性能要求也越来越高。目前在射频前端应用中，硅基 LDMOS 器件和 GaAs 仍是主流器件。通常来说，LDMOS 适用于 3.5GHz 以下的应用， GaAs 适用于 40GHz 以下的场景，但器件尺寸较大。GaN 在高频环境下能够保 持高功率输出，可以有效减少晶体管的数量，从而缩小器件尺寸。从电压角度来 看，LDMOS 的工作电压约为 6V，GaAs 为 10V，GaN 可以工作于 28V 或更高 的电压，工作性能优于 LDMOS 与 GaAs，潜在市场空间巨大。据 Yole Development 数据，2015 年射频功率放大器市场中，LDMOS 市场有率为第一， 占比约为 50%，GaN 射频器件约占 20%，预计到 2025 年，GaN 射频器件将以 55%的占有率取代 LDMOS 第一的市场地位，LDMOS 市场占有率则下降至 11.8%。GaN 发展势头良好，5G 时代中 GaN 射频器件的市场占比将进一步上 升。

3.2.2、 5G 基站+数据中心：“新基建”重要组成部分，GaN 应用前景明朗

5G 基站射频系统非常复杂，GaN 器件的小尺寸、高效率和大功率密度等特点可 实现高集化的解决方案。5G 射频系统需要使用高载波频率和宽频带的新技术， 包括载波聚合、Massive MIMO 等，GaN 在性能、体积、重量以及效率等方面 具备独特优势，使其成为高射频、大功耗应用的技术首选。以 Qorvo 的 MIMO 天线为例，与锗化硅基 MIMO 天线相比，GaN 基 MIMO 天线功耗降低了 40%， 裸片面积减少 94%，成本降低 80%。据 Qorvo 数据显示，2022 年全球用于 Sub-6GHz 频段的 M-MIMO PA 器件年复合增长率将达到 135%，用于 5G 毫米 波频段的射频前端模块年复合增长率将达到 119%。

通信基站应用领域中，GaN 是未来最具增长潜质的第三代半导体材料之一。5G 基站是“新基建”重要组成部分之一，根据工信部的数据，截至 2020 年底国内已 建成全球最大 5G 网络，累计建成 5G 基站 71.8 万个，推动共建共享 5G 基站 33 万个。宏基站建设将会拉动基站端 GaN 射频器件的需求量。由于 5G 基站天 线采用 Massive MIMO 技术，天线和 RRU（射频拉远单元）合设，组成 AAU。 假设 Massive MIMO 天线为 64T64R，则单个宏基站天线数量为 192 个，放大 器数量为 192 个。考虑到 5G 基站的建设周期，拓墣产业研究院预计到 2023 年基站端 GaN 射频器件规模达到顶峰，达到 112.6 亿元。

5G 小基站布局带动 GaN 射频器件规模增大。5G 的高传输速度和广覆盖将需要 搭建更多更复杂的基站，大量的毫米波微基站、Sub-6GHz 微基站对于 GaN 器 件的需求也将大幅提升。由于小基站不能对宏基站造成干扰，故频率较宏基站更 高，GaN 射频器件成为不二之选。据赛迪智库测算数据，中国 5G 网络小基站 需求约为宏基站的 2 倍，即需要 1000 万站小基站。按照每个小基站需要 2 个放 大器，小基站建设进度落后宏基站 1 年测算，拓墣产业研究院预计，到 2024 年 基站端 GaN 射频器件规模达到峰值，市场规模可达 9.4 亿元。

数据中心电源效率要求提升，GaN 的市场前景明朗。随着网络、云计算的发展， 新物联网设备和边缘计算需求的激增，数据中心重要程度逐渐凸显。受新冠疫情 影响，Gartner 调查显示，2020 年数据中心基础设施支出同比下降了 10.3%， 约 60%的新数据中心设施建设受阻。但疫情导致的远程工作比例提高，实际上 数据中心处理的数据量有大幅增长，能源效率与功率、数据密度的需求持续提升。 GaN 技术使得电源体积进一步缩小，从而允许在同一机架空间中添加更多的存 储和内存，并使数据中心的功率密度由 30 瓦/立方英寸提升至 50-60 瓦/立方英 寸甚至更高，即无需实际构建更多的数据中心即可增加数据中心的容量。2023 年欧盟将提高对数据中心电源效率的要求，将进一步促进 GaN 在数据中心中的 使用。Gartner 预计 2021 年全球最终用户数据中心基础设施支出将以 6%的增速 达到 2000 亿美元。

3.2.3、 消费电子：GaN 快充市场迎来爆发期，音频应用为新亮点

GaN 电源市场成长动力十足。随着多端口适配器的兴起，OEM 厂商将推出更多 GaN 充电器。凭借设备设计、性能等要求的提高，GaN 充电器满足了便携、快 充等不断发展的客户需求，并逐渐转变为主流标准。从技术角度分析，采用 GaN 技术的充电器外形尺寸可比传统的基于硅的充电器减少 30-50%，整体系统效率 可提升至 95%，在相同尺寸和相同输出功率的情况下，充电器外壳温度将比传 统充电器更低。此外，GaN 充电器可以使用较小的变压器和较小的机械散热器， 因此整体重量可减少 15-30%。Yole Development 预测，2019 年 GaN 电源目标 市场约为 9000 万美元，2021 年将达到 1.6 亿美元，而在 2022 年将增长到 2.4 亿美元。2020 年美国 CES 展会中，参展的 GaN 充电器数量已经多达 66 款， 涵盖了 18W、30W、65W、100W 等多个功率段，GaN 充电器市场迎来爆发期。

音频设备为 GaN 器件应用新亮点。音频是一个拥有众多细分市场的庞大的市场， 从专业音响，家庭音响到便携音响的所有细分市场中，高质量音频均为首要评判 标准。引入 GaN D 类放大器的音频系统能在不需要牺牲声音质量的前提下，以 更小更轻的设计提供更多的功率和更多的通道，满足消费者市场对出色音质的追 求。2020 年，GaN System 发布了一款为高音质 12V 音频系统开发的参考设计，该参考设计有两个通道，每通道（8 欧姆负载）Class-D 音频放大器支持 200 瓦 功率，允许 12V 电源升压到 18V 给音频系统供电，并支持+-32V 输出。GaN 器 件使用，在保证音质的前提下，将这款 400 瓦音频产品的成本和功率输出能力 上做到了很好的平衡。Semiconductor Digest 认为，到 2021 年底，音频市场会 有更多品牌配备 GaN 音频放大器和配套电源，对高质量音频的需求正在推动 D 类音频放大器市场的增长。BCC Research 数据显示，全球 D 类音频放大器市 场将从 2020 年的 24 亿美元增长到 2025 年的 35 亿美元，2020-2025 年 CAGR 为 7.7%。

3.3、 竞争格局：美国、欧洲、日本三足鼎立

GaN 下游应用行业拥有大量的市场参与者。这些公司包括恩智浦、英飞凌、GaN System、Efficient Power、Qorvo、Cree 等。全球 GaN 市场的主要参与者通过 在销售、市场和技术方面的密切合作显示出协同效应。GaN 衬底供应商也通过 与同行以及各种研究机构建立战略联盟来扩大规模，以建立自己在全球市场的参 与者地位。意法半导体在 2018 年与 CEA-Leti 展开功率 GaN 合作，主要涉及常 关型氮化镓 HEMT 和氮化镓二极管设计及研发，并于 2020 年 3 月收购法国 GaN 创新企业 Exagan 公司的多数股权；2018 年，Cree 收购了英飞凌的 RF 部门成 为了全球最大的 GaN 射频器件供应商；国内企业闻泰科技 2019 年以 268 亿元 成功收购行业内唯一量产交付客户 GaN FET 产品的化合物功率半导体公司安世 半导体，成为国内首家世界级 IDM 半导体公司。

3.3.1、 住友电工：全球 GaN 射频器件 IDM 龙头厂商

住友电工集团是世界上最著名的通信厂商之一，其光纤光缆产销量多年来名列世 界前列。集团总部位于日本大阪，于 1897 年成立，在全球约 40 个国家拥有大 约 28 万名员工。住友电工自成立以来，一直以电线、电缆的制造技术为基础， 通过独创性的研究开发和对新事业的不懈挑战，不断创造新产品和新技术，扩大 事业领域。目前，通过汽车、信息通信、电子、环境能源、产业原材料这五大事 业领域，在全球范围内开展事业。

住友电工历史悠久，公司技术研发紧跟时代发展。早在 2000 年，着眼于 GaN 潜力的公司的技术团队开始着手开发“GaN HEMT”，并于 2005 年实现样品顺 利出货，2006 年开始量产，2007 年该商品被采用于日本国内 3G 基站。SEDI 在全世界范围内率先实现了“GaN HEMT”的产品化，并且全力推进低成本化， 从而推动了 GaN HEMT 在全世界范围内的广泛应用。

2017-2021 财年，住友电工营业收入与净利润相对稳定，2021 年公司营业收入为 29185.80 亿日元，净利润为 563.44 亿日，同比均小幅滑落。住友电工毛利 率稳定，近 5 年始终维持在 18%左右，2021 年净利率为 2.36%。

4、 SiC：高温大功率材料首选，新能源汽车领域为最大驱动力

4.1、 SiC 是大势所趋，市场前景广阔

碳化硅（SiC）由硅元素与碳元素组成，是原子的复合体，其物理特性取决于晶 体中碳、硅原子的排列结构，性能差异主要取决于硅和碳原子的相对数目，以及 原子排列的不同结构。目前已发现的 SiC 同质异型晶体结构有 200 多种，其中 六方结构的 4H 型 SiC（4H-SiC）具有高临界击穿电场、高电子迁移率的优势， 是制造高压、高温、抗辐照功率半导体器件的优良半导体材料，也是目前综合性 能最好、商品化程度较高、技术较为成熟的第三代半导体材料。SiC 功率器件的 研发始于 20 世纪 90 年代，目前已成为新型功率半导体器件研究开发的主流， 产业链主要包含单晶材料、外延材料、器件、模块和应用这几个环节。

SiC 单晶材料主要分为导通型衬底和半绝缘衬底两种。SiC 晶片通常作为衬底，可以通过化学气相沉积法（CVD），在晶片上淀积一层单晶形成外延片。其中， 在导电型 SiC 衬底上生长 SiC 外延层制得的 SiC 外延片，可进一步制成功率器 件，并应用于新能源汽车、光伏发电、轨道交通、智能电网、航空航天等领域。

在半绝缘型 SiC 衬底上生长 GaN 外延层制得的 SiC 基 GaN（GaN on SiC）外 延片，可进一步制成微波射频器件，应用于 5G 通讯、雷达等领域。 与第一代半导体硅晶片类似，第三代半导体 SiC 晶片向大尺寸方向不断发展， 不断提高下游对 SiC 片的利用率和生产效率。在 8 英寸 SiC 晶片尚未实现产业 化的情况下，6 英寸 SiC 晶片将成为市场主流产品。导通型 SiC 衬底材料方面， 作为制造 SiC 功率半导体器件的基材，根据 Yole Development 统计，2017 年 4 英寸导通型 SiC 晶圆市场接近 10 万片；6 英寸导通型 SiC 晶圆供货约 1.5 万片； 预计到 2020 年，4 英寸导通型 SiC 晶圆的市场需求保持在 10 万片左右，单价 将降低 25%；6 英寸导通型 SiC 晶圆的市场需求将超过 8 万片。半绝缘型 SiC 衬底方面，当前主流半绝缘衬底的产品以 4 英寸为主。Yole Development 预计， 到 2020 年，4 英寸半绝缘衬底的市场保持在 4 万片，而 6 英寸半绝缘衬底的市 场迅速提升至 4-5 万片；2025-2030 年，4 英寸半绝缘衬底逐渐退出市场，而 6 英寸晶圆将增长至 20 万片。

全球 SiC 市场规模不断扩大，美国企业处于龙头地位。根据 IHS Markit 数据， 2019 年 SiC 功率器件市场规模约 6.1 亿美元，受新能源汽车等领域较大需求的 驱动，2025 年全球 SiC 功率器件的市场规模将达到 30 亿美元，年均复合增速 达到 30.4%。

国内 SiC 产品主要依赖进口，国产替代方向明确。国内 SiC 晶体、晶片领域的 研究从 20 世纪 90 年代末开始起步，在行业发展初期受到技术水平和产能规模 的限制，未进入工业化生产。进入 21 世纪以来，在国家产业政策的支持和引导 下，国内 SiC 晶片产业发展大幅提速。据智研咨询数据显示，2018 年国内 SiC 单晶片行业市场规模为 34.09 亿元，较 2017 年的 34.15 亿元小幅下滑 0.18%。 目前国内 SiC 产品 80%左右依赖进口，国产替代空间较大。以天科合达为代表 的第三代半导体材料制造企业经过十余年的自主研发，实现了设备研制、原料合 成、晶体生长、晶体切割、晶片加工、清洗检测的全流程自主可控，有能力为下 游外延器件厂商稳定提供高品质 SiC 晶片，为 SiC 下游厂商实现进口替代提供 了条件。未来伴随国内新能源汽车、5G 通讯、光伏发电、轨道交通、智能电网、航空航天等行业的快速发展，国内 SiC 材料产业规模和产业技术将得到进一步 提升。

4.2、新能源汽车+新能源发电，打开 SiC 市场空间

4.2.1、新能源汽车及充电桩：现阶段 SiC 的主要应用领域

与 GaN 相比，SiC 拥有更高的热导率和更成熟的技术，适用于 1200V 以上的高 温大电力领域，多制作用于高压、高温、高频、高抗辐射的大功率器件，在新能 源汽车、新能源发电、轨道交通、航天航空、国防军工等极端环境的应用有着不 可替代的优势。根据 Yole Development 的数据，2017-2023 年 SiC 功率器件的 CAGR 将超过 30%，新能源汽车和充电设施是其中增长最快的两个应用场景。

新能源汽车领域是 SiC 功率器件应用推广的主要驱动力。SiC 大量运用在 DC-DC 转换器、牵引逆变器、车载充电器等方面。随着电动汽车市场的扩大， SiC 功率半导体市场需求激增，据 Yole Development 数据显示，2018 年，新能 源汽车细分领域中 SiC 市场规模约为 1.13 亿美元，预计 2024 年 SiC 市场规模 达到 9.46 亿美元，年均复合增长率达到 29%。2019 年，全球新能源汽车 SiC二极管和晶体管市场规模 2600 万美元，预计 2021 年市场规模达到 5700 万美 元。DIGITIMES Research 预计到 2025 年，电动汽车用 SiC 功率半导体将占 SiC 功率半导体总市场的 37%以上，高于 2021 年的 25%。

新能源车市场增速远高于传统燃油车，带动 SiC 功率器件用量快速提升。据 EV sales 的数据显示，2019 年全球新能源汽车销量为 221 万辆，IHS 统计中国市 场销量达到 107 万辆，占全球比重达 48.4%。预计到 2025 年，中国新能源渗透 率约为 20.8%，市场规模约为 548 万辆，其中纯电动占 64%，插电式混动占 36%， 新能源车市场的增长速度远高于传统燃油车，带动 SiC 功率器件用量快速提升， Yole Development 预计 2025 年 SiC 汽车市场将拥有 38%的年均增长率，市场 规模将超过 15 亿美元。

未来，使用 SiC 器件的新能源汽车将更具有成本优势。目前全球已有超 20 余家 汽车厂商开始采用 SiC 器件。罗姆赞助的 Venturi 车队在 2016 年 Formula-E 第 三赛季使用了 IGBT+SiC SBD 的功率模块配置，与传统逆变器相比，该逆变器 重量降低 2kg，尺寸减小 19%；2017 年的第四赛季采用拥有 Si MOS+SiC SBD 模块的逆变器，其重量降低 6kg，尺寸减小 43%。目前，特斯拉的 Model 3 采用了意法半导体和英飞凌的 SiC 逆变器，其电控系统共搭载了 24 个 650V、100A 的 SiC 基 MOSFET 功率模块，每个模块由两个芯片并联组成，特斯拉亦成为第 一家在主逆变器中集成全 SiC 功率模块的车企；丰田也将于 2020 年正式推出搭 载 SiC 器件的电动汽车，全 SiC 的逆变器预计将从 2023 年开始在主流豪华车品 牌中量产。据 Cree 测算，使用 SiC 逆变器能够提升 5-10%的续航，节省 400-800 美元的电池成本（80kWh 电池、102 美元/kWh），与新增 200 美元的 SiC 器件 成本抵消后，能够实现至少 200 美元的单车成本下降。据罗姆测算，到 2026 年， 几乎所有搭载 800V 动力电池的车型采用 SiC 方案都将更具成本优势。

SiC 功率器件在充电模块中的渗透率不断增大，汽车充电桩带动 SiC 市场规模 持续提升。SiC 器件应用于新能源汽车充电桩，可以减小充电桩体积，提高充电 速度。为满足新能源汽车产业的发展需要，自 2011 年起，新能源汽车充电桩就 一直处在快速建设的阶段。新能源汽车充电桩以公共充电桩为主，目前数量最多 的经济体分别是中国、欧盟和美国。截至 2019 年底，美国和欧盟分别约有 7.5 万个和 16.9 万个公共充电桩。随着国内新能源汽车市场的不断扩大，充电桩市 场发展前景也越来越广阔。根据中国电动汽车充电基础设施促进联盟发布数据， 截至 2020 年 4 月，联盟内成员单位总计上报公共类充电桩 54.7 万台，私人充 电桩 74 万台。另外，电动汽车的车载充电机市场已逐步采用 SiC SDB，产品集 中在 1200V/10A、20A，每台车载充电机需要 4-8 颗 SiC SBD。传统的 Si 基功 率器件体积较大，SiC 功率器件可以实现比 Si 基功率器件更高的开关频率，具 备高功率密度、超小体积的特性，因此 SiC 功率器件在充电模块中的渗透率不 断提升。

4.2.2、 光伏发电：SiC 逆变器需求景气度提升

全球光伏新增装机容量规模持续增加。尽管中国受“531 光伏新政”影响，2018 年和 2019 年国内的光伏新增装机容量有所下滑，但得益于印度、墨西哥等新兴 光伏市场的快速发展，以及欧洲市场的复苏，全球光伏新增装机容量规模持续增 加。随着光伏技术提升，光伏发电成本不断降低，未来光伏发电具有广阔的增长 空间。据国家能源局统计数据显示，2020 年上半年，全国新增光伏发电装机 1152 万千瓦，其中集中式光伏新增装机 708.2 万千瓦，分布式光伏新增装机 443.5 万千瓦。2021 年中国明确了 2030 年前实现“碳达峰”，2060 年前实现“碳中 和”的目标，光伏发电成为“十四五”规划的重要组成部分。根据中国光伏行业 协会的乐观预测，十四五期间国内光伏年均新增装机规模是 90GW。光伏发电 有着成本低廉、绿色环保等特质，作为可再生清洁能源的一种，未来需求量将持 续扩大。

SiC 光伏逆变器是未来发展趋势。在光伏发电应用中，基于硅基器件的传统逆变器成本约占系统 10%左右，却是系统能量损耗的主要来源之一。使用 SiC MOSFET 或 SiC MOSFET+SiC SBD 的功率模块的光伏逆变器，能使转换效率从 96%提升至 99%以上，能量损耗降低 50%以上，设备循环寿命提升 50 倍， 从而缩小系统体积、增加功率密度、延长器件使用寿命、降低生产成本。高效、 高功率密度、高可靠和低成本是光伏逆变器的未来发展趋势。在组串式和集中式 光伏逆变器中，SiC 产品预计会逐渐替代硅基器件。

4.3、竞争格局：美国企业技术领先，Cree 为全球龙头

目前，全球 SiC 半导体产品中，70%-80%来自美国公司。以导电型产品为例，据 Yole Development 统计，美国占有全球 SiC 晶片产量的 70%以上，仅 Cree 公司就占据一半以上市场份额，剩余份额大部分被日本和欧洲的其他 SiC 企业 占领；欧洲在 SiC 衬底、外延、器件以及应用方面拥有完整的产业链；日本是 设备和模块开发方面的领先者。近年 SiC 器件行业市场规模高速增长，国外企 业占据的市场份额较大。据CASA统计，全球SiC器件领域主要玩家包括Infineon、 Cree、Rohm、ST，四家合计占据 90%的市场份额。

4.3.1、 Cree (Wolfspeed)：全球 SiC 产业链领军企业

Cree (Wolfspeed)是一家专注于 SiC 和 GaN 技术的大型半导体公司。公司于 1987 年成立于美国，在全球拥有 5300 多名员工，是全球集 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 半导体制造商和行业领先者，产品主要用于室内和室外照明、视频显示、运输、 电子标志和信号、电源、逆变器和无线系统。

Cree 公司是市场上领先的照明革新者与半导体制造商，以显著提高固态照明、 电力及通讯产品的能源效果来提高价值。公司的优势体现在 GaN 和 SiC 等方面， 具有先进的材料技术与先进的白光技术，拥有 3700 余项专利。公司下游客户广 泛，从创新照明灯具制造商到与国防有关的联邦机构均为公司客户，产品应用领 域十分广阔。

2016-2020 年，Cree 营业收入从 16.17 亿美元降低至 9.04 亿美元，公司近 5 年 来持续亏损，主要受 LED 产能过剩、芯片价格下跌、2020 年新冠疫情爆发等因 素影响。Cree 毛利率保持在 28%左右。2020 年公司净利率为-21.09%。净利率 表现虽不尽人意，但仍在不断改善中。

报告链接：化合物半导体行业报告：化合物半导体风起云涌，大势所趋大有可为

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