第三代半导体发展机遇（下）

在制程研发方面，制程微缩效应在砷化镓器件上体现得不明显。目前GaAs器件以0.13μm、0.18μm以上制程工艺为主，Qorvo正在进行90nm工艺研发；受衬底尺寸限制，目前的生产线以4英寸和6英寸晶圆为主，部分企业也开始导入8英寸产线，但还没有形成主流。由于砷化镓是以Emitter-Base-Collector垂直结构为主，晶体管数量只在百颗数量级；而硅晶圆是Source Gate Drain的平面设计，晶体管数量达到数千万数量级，所以砷化镓在制程研发上并没有像硅晶圆代工行业那样明显的优势。财务及营销方面，硅基晶圆厂的巨额投资额已经形成了资本竞争障碍；相比硅晶圆的投资，砷化镓的固定资产投资相对较小。砷化镓市场主要以功率放大器为主，砷化镓代工行业过去不易因为新产品持续升级而产生客户忠诚，客户只要对不同代工厂进行认证通过，就较容易因为价格因素而更换代工厂。

综上，化合物半导体行业之所以未出现像硅半导体行业中大规模的专业晶圆代工的根本原因是相比硅半导体，化合物半导体产业规模较小使得高度专业分工不能带来明显的成本优势；制程优势不明显，不用追求先进制程导致固定资产投资壁垒相对较低，所以无需通过多个客户提高产能利用率从而分担资本开支压力。

欧美主导产业链，台湾厂商垄断代工

砷化镓产业链上游材料端以欧美日为主。半绝缘型衬底主要由日本的住友、德国的Freiberger、和美国的AXT垄断，三家公司合计约占全球90%的市场份额。住友是全球半绝缘型砷化镓单晶片水平最高的公司，以VB法生产砷化镓为主，能够量产4寸和6寸单晶片；德国Freiberger主要以VGF、LEC法生产2到6英寸砷化镓衬底，产品全部用于微电子领域；美国AXT产品中一半用于LED，一半用作微电子衬底。国内供应商砷化镓衬底主要用于LED芯片，少数公司如云南锗业用于射频的砷化镓衬底逐渐放量。

英国IQE占据外延片市场53%的市场份额。具体而言，约90%射频客户采购外部外延片，射频市场被IQE垄断，IQE和VPEC合计占据射频外延片市场约80%的份额。而光电子外延片，不同下游应用有所区别：应用于数据中心的光模块器件主要由Finisar和Avago这些垂直供应商提供，而应用于消费电子VCSEL等3D感应的外延片主要由外部供应商IQE提供。

GaAs射频器件市场主要由IDM厂商Skyworks、Qorvo、博通和日本村田等垄断，其中Skyworks、Qorvo和博通市场份额合计约70%。而这些大型IDM厂扩产趋于谨慎，会选择将毛利率较低的4G产品外包给砷化镓代工厂商使产能优先满足高毛利产品，在需求旺盛自身产能满载的时候也会外包部分5G订单。

稳懋是砷化镓代工市场绝对龙头。砷化镓代工市场规模占全球砷化镓器件市场规模10%左右，其中稳懋、环宇和宏捷科约占这其中90%的市场份额，而稳懋占据其中超过70%市场份额。截至2020年三季度，稳懋月产能达到4.1万片。砷化镓代工厂主要生产功率放大器，稳懋和环宇超过90%营收来自于功率放大器。

绑定下游大客户，锁定客户需求是化合半导体主要策略。以稳懋为例，第一大客户博通在2019年营收贡献占比达到30%-40%。2017年12月，博通以1.85亿美元入股稳懋，深度绑定和稳懋的合作关系。博通在5G和光通讯有强大的布局，并且这种合作关系使得博通无需自己扩充产能，能专心作在它的强项产品设计。过去博通的HBT有一半自己做，一半由稳懋代工，未来有望也会把另外一半的订单逐步转移给稳懋，除博通外，Skyworks、Qorvo和紫光展锐也是稳懋的重要客户。宏捷营收来源高度依赖Skyworks，其营收中约8成左右来自于Skyworks。环宇与三安成立了合作公司，而全球重要的LED外延片生产企业台湾晶电与环宇战略合作，并为环宇提供6寸晶圆代工服务。

代工比例提升，代工厂大举扩产

随着射频、光电子等应用带动砷化镓器件等下游需求快速增长，GaAs代工比例逐步提升。过去几年砷化镓器件代工比例保持稳定。从2013年-2019年，砷化镓器件代工比例逐渐小幅提升，从2014年的7.5%提升至2019年的10.3%。代工比例的波动取决于IDM厂的盈利情况带来的释放订单意愿的强弱和代工厂自身扩产的节奏。随着代工厂技术的成熟以及长期合作过程中打消技术泄密的疑虑，同时IDM厂了维持高产能利用率使得产能建设趋于保守，因此IDM厂有意愿释放出更多代工订单。除此之外，高通、联发科、海思等Fabless设计公司在射频领域崛起都新增加砷化镓代工需求。

针对快速增加的砷化镓代工需求，代工厂大举扩产应对。稳懋拟投资200亿元人民币在高雄建厂，计划分三年投资，新增总产能超过10万片/月，公司现有月产能约4.1万片，新增产能超过现有产等的两倍。预计2021年一季度宏捷科月产能达到1.5万片，2021年底达到2万片月产能。三安集成2020年底产能在3000片-4000片，预计2021年一季度扩产到8000片。

国内PA产业链闭环，代工不可或缺

砷化镓主要用于手机PA、WifiPA和小基站PA。目前国产PA在4G领域已具备比较成熟的性能和量产能力，市占率达10%-20%，在中功率4G PA，国产产品与国外基本相差不大，而在高功率4G PA，虽然整体性能还有部分差距，但是足够满足手机客户需求；在5G领域，针对华为海思的制裁或将延缓内PA领域的追赶。除海思外，唯捷创芯、昂瑞微、慧智微、紫光展锐等厂家有机会在5G PA上取得突破，预计在2021年会有部分出货。

Wi-FiPA是除手机PA外的第二大增长点。WifiPA也正在经历国产替代，主要差距体现在高功率产品上。具体而言，对于WIFI4PA，国内中功率产品成本优势明显，整体性能上也已经不差于Skyworks和Qorvo;对于WIFI5PA，国内康希5.8G中功率FEM性能上最好;对于WIFI6FEM（射频前端模块），国产WIFI6中功率已经面世，2018年Skyworks和Qorvo高功率的WIFI6FEM面世，预估国内产品的差距至少是3年。

国产砷化镓代工必不可缺，国内厂商有望受益。虽然对于射频器件来说，设计和制造工艺紧密结合，使得射频Fabless设计公司更倾向与有丰富经验的台湾代工厂合作，但是在外部环境导致供应链不确定性加大的背景下，国内砷化镓代工厂也有望获得更多参与机会，这一过程中三安集成和威海华芯有望受益。

三安光电：全面布局化合半导体

2014年三安光电成立全资子公司三安集成，是中国第一家6寸化合物半导体晶圆代工厂，开发砷化镓、氮化镓外延片和衬底，涵盖射频、电力电子、光通讯和滤波器板块。2020年上半年三安集成实现销售收入3.75亿元。砷化镓射频出货客户累计将近100家、氮化镓射频产品重要客户产能正逐步爬坡；电力电子产品客户累计超过60家，27种产品已进入批量量产阶段；光通讯业务除扩大现有中低速PD/MPD产品的市场领先份额外，高端产品10GAPD/25GPD、VCSEL和DFB发射端产品均已在行业重要客户处验证通过，进入批量试产阶段。公司在长沙设立子公司湖南三安从事碳化硅等第三代半导体的研发及产业化项目，项目正处于建设阶段。

射频是三安集成短期内收入的主要来源。公司射频业务产品应用于2G-5G手机射频功放WiFi、物联网、路由器、通信基站射频信号功放等市场应用；其中手机用射频器件以GaAs为主，基站用射频器件以GaN为主。三安射频工艺制程主要包括HBT（异质结双极型晶体管）、pHEMT（伪型态高电子迁移率晶体管）、BiHEMT（异质结双极暨假晶高电子迁移率晶体管外延芯片）。目前用于无线基站功放的GaN射频工艺，已获得主流基站的性能认可。650V GaN工艺开发已经取得突破，某国际化大客户下单，开始流片验证。

电力电子业务布局逐渐完善。公司电力电子业务主要在湖南全资子公司进行，公司从SiC衬底到外延到模组都有布局。三安光电长沙项目将包括长晶—衬底制作—外延生长—芯片制备—封装产业链。

公司化合物半导体业务客户开拓取得积极拓展。在射频代工领域，国内主要客户包括海思、紫光展锐、昂瑞微等。在光通讯领域，PD产品的客户包括瑞谷、铭普、储翰等；数通产品领域客户中际旭创、AOI、光迅、剑桥等，公司目前已处于送样评估阶段。在电力电子板块，公司已布局能源市场领域：在逆变器方面，三安集成与主要客户阳光电源确认了合作开发项目意向。在国家电网方面，已进入南瑞、许继电器供应链，并已小量试产；充电桩方面，产品已进入行业领先客户永联供应链的样品测试阶段；在交通领域，公司已正式启动汽车行业认证体系；在数据中心电源行业龙头的科华恒盛、长城电源都已成功送样并测试通过，目前正在小量样品导入阶段。

三安集成营收规模增长，公司亏损幅度收窄。三安集成目前虽仍处于亏损状态，但是随着收入规模上升公司亏损幅度收窄。由于前期产能利用率低，良品率低，三安集成2017-2019年分别亏损9600万元、1700万元和8200万元，2020年上半年亏损幅度收窄至1100万元。

Cree引领SiC产业全球供需即将失衡

全产业布局占优,国内追赶海外巨头

成本结构导致SiC全产业链布局具有优势。以碳化硅为衬底的产业链主要分为衬底、外延和器件三个环节。由于衬底在器件中的高成本占比，使得掌握衬底工艺和产能的企业在竞争中具有优势。美国的Cree和日本的罗姆都是拥有从衬底、外延片到器件的碳化硅全产业链生产能力，所生产的碳化硅衬底除对外销售外，其余部分为自用。目前Cree在衬底方面产能和市占率领先所有竞争者，2019年宣布建设8英寸衬底产线，2020年全球市场份额约50%。除了Cree和罗姆，在衬底方面处于领先地位的还有II-VI，国内的有天科合达和东天岳，6寸衬底开始规模化生产或者开始建设产线。

外延片市场主要被IDM公司主导，如三菱、英飞凌和意法半导体。在国内纯粹做外延片的有瀚天天成和东莞天域，均可供应4-6英寸外延片，中电科13所、55所亦均有内部供应的外延片生产部门。器件方面，意法半导体、安森美、英飞凌和罗姆都是重要供应商，华润微的国内首条6寸商用SiC产线已经正式量产，三安光电拟投资160亿元的碳化硅全产业链布局的湖南子公司也于2020年开工。由于碳化硅器件的成本结构导致全产业链的优势，我们看到器件公司逐步布局上游材料，如意法半导体在2020年2月份以1.4亿美元现金收购了瑞典SiC晶圆制造商Norstel，Norstel生产6英寸SiC衬底和外延晶圆。

在碳化硅产业链各个环节，国内领先水平与国际领先水平仍有一定差距，但是工艺水平和发展状况的差距远小于相比硅半导体。

需求增长，全球供需即将失衡

特斯拉Model3逆变器集成意法半导体的SiC MOSFET的功率模块，该主逆变器需要24个电源模块。另外假如OBC、DCDC转换器、快充电桩等都使用SiC的话，每台特斯拉约消耗0.5片6英寸碳化硅衬底。

2020年特斯拉全年共交付新车49.96万辆，同比增长35.87%。如果2022年特斯拉车型全部采用碳化硅，交付量达到100万辆的话，那么仅特斯拉一年就将消耗掉50万片晶圆产量。目前全球碳化硅衬底产能为40-60万片。因此电动车的快速发展或将造成碳化硅衬底短时间的失衡。

在此背景下，全球加大碳化硅衬底投资：2020年Cree计划投资10亿美元用于碳化硅产能扩充，这次产能扩大在2024年全部完工后，将带来碳化硅晶圆制造产能的30倍增长和碳化硅材料生产的30倍增长，以满足2024年之前的预期市场增长。罗姆公司也宣布2024财年碳化硅生产能力相比2019财年提升5倍以上。

国际企业通过提前锁定衬底产能保证未来供应。如Cree与英飞凌、意法半导体等欧美主要碳化硅下游企业签订长期供货协议，公司四分之三的材料业务都签订了长期协议。