一、為什么推薦投資第三代半導(dǎo)體材料
1、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。
2、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(guó)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(guó)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(guó)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(guó)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(guó)、歐盟、日韓等國(guó)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。
3、新基建與消費(fèi)電子為國(guó)內(nèi)需求打開空間
國(guó)內(nèi)基站端建設(shè)投資力度擴(kuò)大，國(guó)內(nèi)需求將大于國(guó)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)模化發(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、功率半導(dǎo)體受益于下游新興領(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。
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。
2、市場(chǎng)規(guī)模平穩(wěn)增長(zhǎng)，未來增量空間來自于新興領(lǐng)域
全球市場(chǎng)規(guī)模平穩(wěn)增長(zhǎng)，國(guó)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) IHS Markit 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(guó)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(guó)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(guó)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。
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。
3、國(guó)內(nèi)是最大的消費(fèi)市場(chǎng)，自給率不足 20%
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%。
在中國(guó)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(guó)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。
中國(guó)為全球最大的消費(fèi)國(guó)和進(jìn)口國(guó)，隨下游新興領(lǐng)域發(fā)展加快，國(guó)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?gòu)椥圆淮?，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(guó)內(nèi)需求增加的同時(shí)，自給率不足 20%，從國(guó)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(guó)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)。
三、第三代半導(dǎo)體材料是功率半導(dǎo)體躍進(jìn)的基石
1、第三代半導(dǎo)體材料對(duì)性能提升有明顯優(yōu)勢(shì)
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。
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)。
2、產(chǎn)業(yè)應(yīng)用集中在襯底、射頻器件，2025 年滲透率將達(dá)到 50%以上
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(guó)內(nèi)企業(yè)在 SiC 襯底方面以 4 英寸為主。目前，國(guó)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(guó)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(guó) 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(guó)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(guó)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(guó)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。
3、底層材料突破是摩爾定律延續(xù)的關(guān)鍵
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(guó)、歐盟、日韓等國(guó)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。
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(guó)、歐盟等國(guó)家和組 織啟動(dòng)了超過 15 個(gè)研發(fā)項(xiàng)目。其中，美國(guó)的研發(fā)支持力度最大。2018 年美 國(guó)能源部（DOE）、國(guó)防先期研究計(jì)劃局（DARPA）、和國(guó)家航空航天局 （NASA）和電力美國(guó)(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(guó)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)。
四、新基建視角：5G 射頻端需求帶動(dòng) GaN 爆發(fā)式增長(zhǎng)
1、宏基站射頻元器件數(shù)量大增，GaN 滲透率有望持續(xù)提升
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 LDMOS(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 Input Multi 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%。
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)。
含有 GaN 的基站 PA 有望實(shí)現(xiàn)爆發(fā)式增長(zhǎng)。目前我國(guó) 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(gòu)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(gòu)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(guó)本土的 PA 供應(yīng)量，國(guó)內(nèi) GaN 領(lǐng)域公司望受益。
行業(yè)動(dòng)態(tài)
