化合物半导体：行业风起云涌，大势所趋大有可为（下） - 联盟动态中关村天合宽禁带半导体技术创新联盟

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YoleDevelopment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+SiCSBD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YoleDevelopment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。

5、行业评级及投资策略

伴随5G、IoT时代的来临以及新能源汽车、新能源发电等“新基建”的持续快速发展，以砷化镓、氮化镓与碳化硅为代表的化合物半导体逐步走向历史的舞台，未来市场前景明朗。我们认为化合物半导体下游需求旺盛，政策、资金持续发力，有望乘政策东风实现快速崛起，给予行业“推荐”评级。

6、重点推荐个股

6.1

三安光电（600703）：国内化合物半导体制造领军者

三安光电集团旗下子公司三安集成设立于2014年，目前已成为国内化合物半导体制造的领军者。三安光电延伸LED用GaAs及GaN芯片的生产经验，涉足化合物半导体晶圆制造的代工服务并于2015年10月开始试生产。2017年1月公司HBT工艺通过重点客户产品认证，2018年12月公司宣布推出国内第一家6英寸SiC晶圆代工制程，且全部工艺鉴定试验已完成。2019年7月公司VCSEL产品已量产出货。

三安集成收入同比大幅增长，业务取得重大突破，产品获新客户认证。三安集成2021H1销售收入同比大幅增加，集成电路产品客户信赖度大幅提升，产品竞争力大幅提升，客户粘性不断增加。GaAs射频业务上半年扩产设备已逐步到位，产能达到8000片/月，国内外客户累计近100家。滤波器SAW和TC-SAW产品已开拓客户41家，其中17家为国内手机和通信模块主要客户，并且公司近期取得富智康集团的声表面波（SAW）滤波器订单，标志着公司滤波器业务在模块客户和手机厂商客户取得重大突破。电力电子业务方面，碳化硅二极管上半年新开拓客户518家，出货客户超过180家，超过60种产品已进入量产阶段，并已有2款产品通过车载认证并送样行业标杆客户，处于小批量生产阶段。碳化硅MOSFET工业级产品已送样客户验证，车规级产品正配合多家车企做流片设计及测试。硅基GaN产品完成约60家客户工程送样及系统验证，24家进入量产阶段，产品性能优越。目前公司前期新扩充产能已进入量产阶段，有效产能将在第三季度逐步释放，产能不足问题将得到缓解。我们认为公司产品市场认可度不断提升，未来伴随产能逐步释放，产品交付能力的大幅提升，公司营收规模将会持续扩大，化合物半导体龙头的优势地位将进一步巩固。

三安集成自成立以来，公司业绩逐年快速提升。2015-2020年公司营收由305.64万元快速增长至9.74亿元，复合年增长率高达894.07%，在广阔市场空间与国产替代需求下，公司营收有望持续高速增长。

6.2

斯达半导（603290）：国内IGBT行业领军者，布局车规级SiC未来可期

斯达半导成立于2005年4月，是一家专业从事功率半导体芯片和模块（尤其是IGBT芯片和模块）研发、生产和销售服务的国家级高新技术企业。公司总部位于浙江嘉兴，在上海和欧洲均设有子公司，并在国内和欧洲设有研发中心。根据IHS数据，公司2018年在全球IGBT模块市场排名第八，是国内唯一一家进入全球前十的IGBT模块供应商，也是目前国内IGBT领域的领军企业。

公司主要产品为功率半导体元器件，包括IGBT、MOSFET、IPM、FRD、SiC等。公司IGBT模块产品超过600种，电压等级涵盖100V-3300V，电流等级涵盖10A-3600A，产品已被成功应用于新能源汽车、变频器、逆变焊机、UPS、光伏/风力发电、SVG、白色家电等领域。公司积极布局第三代半导体赛道，投资建设车规级SiC模组项目，今年上半年与Cree合作开发的1200V SiC模块已经得到宇通客车认可，将被应用在宇通客车高效率电机控制系统中，预计在2021年开始装车。另外，公司拟于2021年定增募投35亿元用于多个项目，其中有5亿元募投资金将被用于SiC芯片研发及产业化项目，项目达产后，预计将形成年产6万片6英寸SiC芯片生产能力。我们认为公司投资布局SiC功率模组生产线与SiC芯片研发，将进一步提高公司技术和竞争壁垒，为公司拓展新能源汽车市场、提高市场占有率打下坚实的基础。

2016-2020年，斯达半导营业收入从3.01亿元快速增长至9.63亿元，CAGR为33.74%，归母净利润从0.21亿元增长至1.81亿元，CAGR为71.34%。公司毛利率稳定且保持在较高水平，2016-2020年始终维持在30%附近，公司净利率呈现上升趋势，2020年净利率增长至18.80%。

6.3

华润微（688396）：国内功率IDM龙头，布局SiC、GaN领域

华润微电子成立于2000年，是华润集团旗下的高科技企业。公司是中国以IDM模式为主经营的半导体企业之一，亦是中国领先的功率器件厂商，产品聚焦于功率半导体、智能传感器与智能控制领域。公司主要产品之一为MOSFET。根据IHS的统计，以销售额计，公司在中国MOSFET市场中排名第三，仅次于英飞凌和安森美，是中国本土最大的MOSFET厂商。

华润微加大技术研发的投入力度，充分利用产业链一体化的生产能力及技术资源，加快第三代半导体相关产品的布局。公司充分利用IDM模式优势和在功率器件领域雄厚的技术积累，开展SiC功率器件研发。2020年7月，上海慕尼黑电子展期间，华润微宣布正式向市场投入1200V和650V工业级SiC肖特基二极管系列产品，产品可广泛应用于太阳能、UPS、充电桩、储能和车载电源等领域。同时，华润微宣布国内首条6英寸商用SiC晶圆生产线正式量产。另外，公司已完成6寸硅基GaN功率器件工艺平台和生产线的建立，自主开发的第一代650V器件的静态参数达到国外对标样品的水平，并开始建设GaN外延材料的生产能力。

2016-2020年，公司营收增速逐渐放缓，2020年公司营业收入69.77亿元，归母净利润为9.64亿元。2016-2020年，公司的毛利率和净利率均稳步提升，其中毛利率由14.49%提高至27.47%，净利率由负提高至15.19%。