第三代半导体的机遇(上）

来源：驭势资本

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。

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。

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、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VCSEL3D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。

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，GaNHEMT（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。

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。

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。

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。

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。

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650 VIGBT、几个二极管和一个700-μH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230μH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。

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。

2018年特斯拉已在Model 3的主驱逆变器中使用SiC MOSFET，每个电机中采用24个SiC MOS单管模块，拆开封装每颗有2个SiC裸晶，耐压为650V，供应商为意法半导体。2020年比亚迪推出的汉EV高性能四驱版本是国内首款在主逆变器中应用自主开发SiC模块的电动汽车，与当前的1200V硅基IGBT模块相较，采用SiC方案NEDC工况下电控效率提升3%-8%。预计到2023年，比亚迪将在旗下的电动车中，实现SiC车用功率半导体对硅基IGBT的全面替代。2021年蔚来最新发布的首款纯电轿车也将搭载采用碳化硅模块的第二代电驱平台。

除逆变器之外，碳化硅在OBC中已经得到较为广泛的运用，目前有超过20家汽车厂商在OBC中使用SiC器件，随着车载充电机功率的提高，碳化硅方案也从二极管向“二极管+SIC MOS”演进；DCDC转换器上从2018年开始从硅基MOS转向SiCMOS方案。对于充电桩，采用碳化硅模块，充电模块功率可以达到60KW以上，而采用MOSFET/IGBT单管的设计还是在15-30kW水平。采用碳化硅功率器件相比硅基功率器件可以大幅降低模块数量。因此，对于城市大功率充电站、充电桩，碳化硅带来的小体积在特定场景中具有优势。

除了电动汽车，光伏逆变器是碳化硅另一个快速增长的应用领域。用SiC MOSFET或SiC MOSFET与SiC SBD结合的功率模块的光伏逆变器，峰值能源转换效率可从96%提升至99%以上，逆变器能量损耗降低50%以上，设备循环寿命提升50倍，从而能够缩小系统体积、延长器件使用寿命。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。随着太阳能逆变器成本的优化，在组串式和集中式光伏逆变器中，越来越多的厂商将会使用SiC MOSFET作为主逆变器件，来替换原来的三电平逆变器控制的复杂电路。

产业化正循环“奇点时刻”加速到来

发展阶段、核心驱动因素及受益环节分析

我们认为SiC、GaN和GaAs处于不同发展阶段。对于SiC行业而言，目前整体市场规模较小，2020年全球市场规模约6亿美元。但是下游需求确定且巨大，根据IHSMarkit数据，受新能源汽车庞大需求的驱动以及电力设备等领域的带动，预计到2027年碳化硅功率器件的市场规模将超过100亿美元,2020-2027年复合增速比较。目前制约行业发展的主要成本高昂和性能可靠性。我们认为SiC行业一旦到达综合器件成本趋近于硅基功率器件的“奇点时刻”，行业将迎来爆发性增长。对于GaN,根据Grand view research的测算及预测，2027年全球GaN器件市场规模预计达到58.5亿美元，从2020-2027年复合增速有望达到19.8%，增速也较快。而GaAs行业发展较为成熟，预计2020-2025年全球复合增速约10%-15%。

我们认为未来五年驱动SiC、GaN和GaAs行业的核心驱动因素和核心受益环节不同。对于碳化硅行业，由于成本是制约下游采用的最重要因素，因此驱动SiC行业发展的最核心因素是成本的下降速度。而GaAs衬底和外延片制备技术相对成熟，成本趋于稳定，而需求增长点主要来源于5G手机射频和小基站。因此驱动GaAs行业最核心因素是5G技术的更新及基站建设周期。对于GaN,一方面GaN外延片目前成本高昂，另一方面需求主要来源于宏基站。由于宏基站对功率器件成本相对敏感度低，因此短期驱动GaN行业的核心因素是5G的建设周期，长期来看GaN如果要运用于毫米波手机射频及中低压功率器件，成本相比现在也需要有很大幅度下降。

核心受益环节方面，由于目前碳化硅芯片成本结构中60%-70%是衬底和外延片，其中衬底约占40%-50%,因此材料厂商是核心受益环节；而砷化镓的衬底和外延技术稳定且成本占比相对较低，但是发展模式上越来越多砷化镓射频供应商提高使用代工的比例，因此射频IDM厂商和砷化镓代工厂都是核心受益环节。对于氮化镓，由于制造主要以IDM为主，因此核心受益环节是外延片供应商如Sumitomo及IDM厂商如Qorvo。

SiC成本高昂之源及可靠性问题

高纯度碳粉和硅粉提纯不易、晶体生长缓慢、晶体切割速度慢且良品率低共同导致碳化硅成本短期内难以快速下降。碳化硅器件制作的主要工艺流程包括单晶生长、晶片加工、外延、前道加工及后道封装。

碳化硅衬底制造的核心关键技术点包括电子级高纯粉料合成与提纯技术、数字仿真技术、单晶生长技术、单晶加工（切抛磨）技术。碳化硅衬底配方改进困难、晶体生长缓慢、成品良品率低。具体而言：

高纯碳粉是生长高质量SiC晶体的基础，尤其对半绝缘型SiC晶体生长有至关重要的影响，涉及到制备技术、合成技术和提纯技术。其中高纯度碳粉提纯对工艺要求极高，而合成涉及到的配方技术需要长时间的摸索和积累。

数字仿真技术：单晶生长温度在2350-2500度，由于炉内温度不可测量，通过高精度数字仿真技术可以节约大量的研发时间和成本，仿真水平的高低也直接代表单晶企业的核心技术能力。

单晶生长技术：单晶生长缓慢是碳化硅衬底成本高居不下的重要原因。目前Cree和国内主流厂家都采用PVT物理气相传输法。由于碳化硅晶体生长速度远慢于硅晶体，8寸硅晶圆2-3天可以生长至1-2米，而碳化硅4寸晶圆一周只能生长2-6cm。影响晶体生长的一个重要因素是仔晶繁殖，仔晶是和碳化硅单晶晶体具有相同晶体结构的“种子”晶片，是晶体生长之源，晶体生长附着凝结于仔晶之上。仔晶生长是碳化硅制备的核心技术，也是评判所有碳化硅衬底企业的核心技术之一。仔晶一般不对外销售。

单晶加工技术：由于碳化硅硬度非常高且脆性高，使得打磨、切割、抛光都耗时长且良品率低。硅片切割只用几小时，而6寸碳化硅片切割要上百小时。

由于碳化硅功率器件主要用于汽车行业，因此对可靠性要求极高。硅功率器件在长时间的质量测试过程中被证实可靠，但是碳化硅则无法假设这一点。SiC器件主要存在两个可靠性问题——栅极氧化物稳定性和阈值电压稳定性。

栅极氧化物稳定性：与功率MOSFET类似，SiC器件也是垂直器件，使用与MOSFET相同的栅极氧化物材料（二氧化硅），但是SiC器件在更高的内部电场工作，因此栅极氧化物在实际工作中寿命可能缩短。目前SiC中的栅极氧化问题已经被理解，TDDB(时变电介质击穿)是时效机制，目前已经已经得到很大解决。

阈值电压稳定性：MOSFET的阈值电压会随着偏置而变化，是由偏置温度不稳定（BTI）的时效机制所引起。BTI是晶体管的退化现象。

预计SiC“奇点时刻”五年之内到来

系统的角度看碳化硅具有综合成本优势。从前面分析中，碳化硅方案相比硅方案可以提高能效提升续航、减少电池容量缩减成本、降低无源器件及冷却系统体积从而缩减整体模块体积、缩减尺寸。因此从车辆总成本的角度看，碳化硅方案可以给汽车制造商带来成本收益。

随着SiC成本下降，碳化硅在电动车上的应用将爆发性增长。从物料成本角度看，目前新能源电动车采用硅基方案的全车功率器件价值约400美元左右，我们预计目前在新能源车全碳化硅方案成本约为1500-2000美元，是硅基方案成本的4-5倍。目前碳化硅方案成本高昂的重要原因是衬底材料成本高昂。我们以SiCJBS（碳化硅结势垒肖特基二极管）为例，成本结构中，衬底约占50%、外延片约占20%、晶圆加工约占25%、封测约占5%。

目前市场4英寸碳化硅衬底比较成熟，良率较高，同时价格较低，而6英寸衬底价格由于供给少和成片良率低，价格远远高于4寸片。未来推动碳化硅衬底成本降低的三大驱动力：1.工艺和设备改进以加快长晶速度2.缺陷控制改进提升良率3.设计改进降低使用器件的衬底使用面积。随着产业成熟，预计衬底价格未来五年以每年10%-15%左右的幅度下降。因此我们预计分立器件成本每年能以10%左右价格下降。

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%，仅考虑相同续航下节省的电池成本，而忽略节省的散热系统成本缩减、无源器件成本缩减以及更好能效节省的使用成本，从2025年开始全碳化硅方案相比硅方案就具有综合物料成本优势，开始爆发式增长。在实现综合成本优势之前，碳化硅从售价相对高昂的车型开始被逐步采用，这部分需求也足够拉动行业快速增长。

GaAs代工比例提高打造本土产业链闭环

化合物半导体行业因为整体规模较小，非标准化程度高，仍然以代工模式为主，但是我们观察到，在GaAs产业中，随着产业逐渐走向成熟以及市场规模增大，代工模式占比在逐渐提高。而在SiC产业中，越来越多企业逐步布局全产业链。

化合物半导体行业以IDM模式为主

跟硅半导体类似，化合物半导体行业商业模式主要分为IDM(集成器件制造)、Foundry(晶圆代工)+Fabless(无工厂)。化合物半导体产业链分工模式跟跟上文的SiC分工模式相同，主要分为单晶生长、晶片加工、外延、前道加工及后道封装。我们从下游应用、生产模式、制程研发、财务及营销等方面比较硅晶圆代工和以砷化镓为代表的化合物半导体晶圆代工的发展模式：

在下游应用方面，材料特性及晶圆结构的不同导致了制造成本的区别以及使用场景的区别。硅晶圆材料生产成本低，普遍用在信息、消费及通讯市场；而砷化镓材料耐高温及高频性能佳，但材料成本贵，目前主要用在无线及光电市场。在生产模式方面，硅晶圆代工行业在设计阶段即提供设计服务，IP专业化及自动化设计工具发展成熟，设计分工及设计自动化工具发展都很成熟，代工厂可以快速响应客户的需求；而砷化镓代工因为外延片需要根据客户不同定制，同时生产良率低及生产制程没有标准化而使得生产成本较高。目前砷化镓代工产业主要竞争对手是国际IDM厂商，他们通过合作及共同开发的策略持续使用彼此的产品，使得IC设计公司不易取得市场份额；而在硅晶圆代工行业，竞争对手主要是世界上几家大型代工厂。