半導體材料可分為單質(zhì)半導體及化合物半導體兩類，前者如硅（Si）、鍺(Ge）等所形成的半導體，后者為砷化鎵（GaAs）、氮化鎵（GaN）、碳化硅（SiC）等化合物形成。半導體在過去主要經(jīng)歷了三代變化。砷化鎵（GaAs）、氮化鎵（GaN）和碳化硅（SiC）半導體分別作為第二代和第三代半導體的代表，相比第一代半導體高頻性能、高溫性能優(yōu)異很多，制造成本更為高昂，可謂是半導體中的新貴。

不同化合物半導體應用領域

三大化合物半導體材料中，GaAs 占大頭，主要用于通訊領域，全球市場容量接近百億美元，主要受益通信射頻芯片尤其是 PA 升級驅(qū)動；GaN 大功率、高頻性能更出色，主要應用于軍事領域，目前市場容量不到 10 億美元，隨著成本下降有望迎來廣泛應用；SiC 主要作為高功率半導體材料應用于汽車以及工業(yè)電力電子，在大功率轉(zhuǎn)換應用中具有巨大的優(yōu)勢。

化合物半導體材料性能更為優(yōu)異

超越摩爾：光學、射頻、功率等模擬 IC 持續(xù)發(fā)展

摩爾定律放緩，集成電路發(fā)展分化?，F(xiàn)在集成電路的發(fā)展主要有兩個反向：More Moore（深度摩爾）和 More than Moore （超越摩爾）。摩爾定律是指集成電路大概 18 個月的時間里，在同樣的面積上，晶體管數(shù)量會增加一倍，但是價格下降一半。但是在 28nm時遇到了阻礙，其晶體管數(shù)量雖然增加一倍，但是價格沒有下降一半。More Moore （深度摩爾）是指繼續(xù)提升制程節(jié)點技術，進入后摩爾時期。與此同時，More than Moore （超越摩爾）被人們提出，此方案以實現(xiàn)更多應用為導向，專注于在單片 IC 上加入越來越多的功能。

摩爾定律失效（DRAM 供應鏈）

模擬 IC 更適合在 More than Moore （超越摩爾）道路。先進制程與高集成度可以使數(shù)字 IC 具有更好的性能和更低的成本，但是這不適用于模擬 IC。射頻電路等模擬電路往往需要使用大尺寸電感，先進制程的集成度影響并不大，同時還會使得成本升高；先進制程往往用于低功耗環(huán)境，但是射頻、電源等模擬 IC 會用于高頻、高功耗領域，先進制程對性能甚至有負面影響；低電源和電壓下模擬電路的線性度也難以保證。PA 主要技術是 GaAs，而開關主要技術是 SOI，More than Moore （超越摩爾）可以實現(xiàn)使用不同技術和工藝的組合，為模擬 IC 的進一步發(fā)展提供了道路。

超越摩爾示意

第三代半導體適應更多應用場景。硅基半導體具有耐高溫、抗輻射性能好、制作方便、穩(wěn)定性好?？煽慷雀叩忍攸c，使得 99%以上集成電路都是以硅為材料制作的。但是硅基半導體不適合在高頻、高功率領域使用。2G、3G 和 4G 等時代 PA 主要材料是 GaAs，但是進入 5G 時代以后，主要材料是 GaN。5G 的頻率較高，其跳躍式的反射特性使其傳輸距離較短。由于毫米波對于功率的要求非常高，而 GaN 具有體積小功率大的特性，是目前最適合5G時代的PA材料。SiC和GaN等第三代半導體將更能適應未來的應用需求。

第三代半導體的應用場景

模擬 IC 關注電壓電流控制、失真率、功耗、可靠性和穩(wěn)定性，設計者需要考慮各種元器件對模擬電路性能的影響，設計難度較高。數(shù)字電路追求運算速度與成本，多采用CMOS 工藝，多年來一直沿著摩爾定律發(fā)展，不斷采用地更高效率的算法來處理數(shù)字信號，或者利用新工藝提高集成度降低成本。而過高的工藝節(jié)點技術往往不利于實現(xiàn)模擬IC 實現(xiàn)低失真和高信噪比或者輸出高電壓或者大電流來驅(qū)動其他元件的要求，因此模擬IC 對節(jié)點演進需求相對較低遠大于數(shù)字 IC。模擬芯片的生命周期也較長，一般長達 10年及以上，如仙童公司在 1968 年推出的運放μA741 賣了近五十年還有客戶在用。

模擬 IC 與數(shù)字 IC 的區(qū)別

目前數(shù)字 IC 多采用 CMOS 工藝，而模擬 IC 采用的工藝種類較多，不受摩爾定律束縛。

模擬 IC 的制造工藝有 Bipolar 工藝、CMOS 工藝和 BiCMOS 工藝。在高頻領域，SiGe 工藝、GaAs 工藝和 SOI 工藝還可以與 Bipolar 和 BiCMOS 工藝結合，實現(xiàn)更優(yōu)異的性能。而在功率領域，SOI 工藝和 BCD（BiCMOS 基礎上集成 DMOS 等功率器件）工藝也有更好的表現(xiàn)。模擬 IC 應用廣泛，使用環(huán)節(jié)也各不相同，因此制造工藝也會相應變化。

模擬 IC 工藝介紹

砷化鎵（GaAs）：無線通信核心材料，受益 5G 大趨勢

相較于第一代硅半導體，砷化鎵具有高頻、抗輻射、耐高溫的特性，因此廣泛應用在主流的商用無線通信、光通訊以及國防軍工用途上。無線通信的普及與硅在高頻特性上的限制共同催生砷化鎵材料脫穎而出，在無線通訊領域得到大規(guī)模應用。

基帶和射頻模塊是完成 3/4/5G 蜂窩通訊功能的核心部件。射頻模塊一般由收發(fā)器和前端模組（PA、Switch、Filter）組成。其中砷化鎵目前已經(jīng)成為 PA 和 Switch 的主流材料。

4G/5G 頻段持續(xù)提升，驅(qū)動 PA 用量增長。由于單顆 PA 芯片僅能處理固定頻段的信號，所以蜂窩通訊頻段的增加會顯著提升智能手機單機 PA 消耗量。隨著 4G 通訊的普及，移動通訊的頻段由 2010 年的 6 個急速擴張到 43 個，5G 時代更有有望提升至 60 以上。目前主流 4G 通信采用 5 頻 13 模，平均使用 7 顆 PA，4 個射頻開關器。

PA 價值量明顯受益 4G 發(fā)展趨勢

目 前 砷 化 鎵 龍 頭 企 業(yè) 仍 以 IDM 模式為主，包括美國 Skyworks 、 Qorvo、Broadcom/Avago、Cree、德國 Infineon 等。同時我們也注意到產(chǎn)業(yè)發(fā)展模式開始逐漸由 IDM 模式轉(zhuǎn)為設計+代工生產(chǎn)，典型事件為代工比例持續(xù)提升、avago 去年將科羅拉多廠出售給穩(wěn)懋等。我們認為 GaAs 襯底和器件技術不斷成熟和標準化，產(chǎn)品多樣化、器件設計的價值顯著，設計+制造的分工模式開始增加。

目前 PA 產(chǎn)品市場占比

從 Yole Development 等第三方研究機構估算來看，2017 年全球用于 PA 的 GaAs 器件市場規(guī)模達到 80-90 億美元，大部分的市場份額集中于 Skyworks、Qorvo、Avago 三大巨頭。預計隨著通信升級未來兩年有望正式超過 100 億美元。

PA 產(chǎn)品代工廠營收占比情況

同時應用市場決定無需 60 nm 線寬以下先進制程工藝，不追求最先進制程工藝是另外一個特點。化合物半導體面向射頻、高電壓大功率、光電子等領域，無需先進工藝。GaAs和 GaN 器件以 0.13、0.18μm 以上工藝為主。Qorvo 正在進行 90nm 工藝研發(fā)。此外由于受 GaAs 和 SiC 襯底尺寸限制，目前生產(chǎn)線基本全為 4 英寸和 6 英寸。以 Qorvo 為例，我們統(tǒng)計下來氮化鎵制程基本線寬在 0.25-0.50um，生產(chǎn)線以 4 英寸為主。

Qorvo 氮化鎵射頻器件工藝制程

氮化鎵&碳化硅：高壓高頻優(yōu)勢顯著

氮化鎵(GaN)和碳化硅(SiC)并稱為第三代半導體材料的雙雄，由于性能不同，二者的應用領域也不相同。由于氮化鎵具有禁帶寬度大、擊穿電場高、飽和電子速率大、熱導率高、化學性質(zhì)穩(wěn)定和抗輻射能力強等優(yōu)點，成為高溫、高頻、大功率微波器件的首選材料之一。

GaN HEMT 禁帶寬度表現(xiàn)優(yōu)異

氮化鎵：5G 時代來臨，射頻應用前景廣闊

目前氮化鎵器件有三分之二應用于軍工電子，如軍事通訊、電子干擾、雷達等領域；在民用領域，氮化鎵主要被應用于通訊基站、功率器件等領域。氮化鎵基站 PA 的功放效率較其他材料更高，因而能節(jié)省大量電能，且其可以幾乎覆蓋無線通訊的所有頻段，功率密度大，能夠減少基站體積和質(zhì)量。

GaN 較 GaAs 大幅減少體積

特色工藝代工廠崛起，分工大勢所趨。全球半導體分為 IDM(Integrated Device Manufacture，集成電路制造)模式和垂直分工模式兩種商業(yè)模式，老牌大廠由于歷史原因，多為 IDM 模式。隨著集成電路技術演進，摩爾定律逼近極限，各環(huán)節(jié)技術、資金壁壘日漸提高，傳統(tǒng) IDM 模式弊端凸顯，新銳廠商多選擇 Fabless（無晶圓廠）模式，輕裝追趕。

氮化鎵性能對比

同時英飛凌、TI、AMD 等老牌大廠也逐漸將全部或部分制造、封測環(huán)節(jié)外包，轉(zhuǎn)向 Fab-Lite（輕晶圓廠）甚至 Fabless 模式。

氮化鎵射頻器件產(chǎn)業(yè)結構變化

氮化鎵射頻器件高速成長，復合增速 23%，下游市場結構整體保持穩(wěn)定。研究機構 YoleDevelopment 數(shù)據(jù)顯示，2017 年氮化鎵射頻市場規(guī)模為 3.8 億美元，將于 2023 年增長至 13 億美元，復合增速為 22.9%。下游應用結構整體保持穩(wěn)定，以通訊與軍工為主，二者合計占比約為 80%。

氮化鎵射頻器件下游結構

碳化硅：功率器件核心材料，新能源汽車驅(qū)動成長

SiC 主要用于大功率高頻功率器件。以 SiC 為材料的二極管、MOSFET、IGBT 等器件未來有望在汽車電子領域取代 Si。。

SiC 應用領域

目前 SiC 半導體仍處于發(fā)展初期，晶圓生長過程中易出現(xiàn)材料的基面位錯，以致 SiC 器件可靠性下降。另一方面，晶圓生長難度導致 SiC 材料價格昂貴，預計想要大規(guī)模得到應用仍需一段時期的技術改進。

SiC 特性和優(yōu)勢

Die Size 和成本是碳化硅技術產(chǎn)業(yè)化的核心變量。我們比較目前市場主流 1200V 硅基IGBT 及碳化硅基 MOSFET，可以發(fā)現(xiàn) SiC 基 MOSFET 產(chǎn)品較 Si 基產(chǎn)品能夠大幅減少 Die Size，且表現(xiàn)性能更好。但是目前最大阻礙仍在于 Wafer Cost，根據(jù) yole development測算，單片成本 SiC 比 Si 基產(chǎn)品高出 7-8 倍。

SiC 較 Si 基產(chǎn)品能夠大幅減少 Die Size

硅基 IGBT 與碳化硅基 MOSFET wafer cost 對比

研究機構 IHS 預測到 2025 年 SiC 功率半導體的市場規(guī)模有望達到 30 億美元。在未來的 10 年內(nèi)，SiC 器件將開始大范圍地應用于工業(yè)及電動汽車領域。縱觀全球 SiC 主要市場，電力電子占據(jù)了 2016-2017 年最大的市場份額。該市場增長的主要驅(qū)動因素是由于電源供應和逆變器應用越來越多地使用 SiC 器件。

碳化硅市場空間（百萬美元）

碳化硅產(chǎn)業(yè)鏈

SiC 近期產(chǎn)業(yè)化進度加速，上游產(chǎn)業(yè)鏈開始擴大規(guī)模和鎖定貨源。我們根據(jù)整理 CREE公告，可以發(fā)現(xiàn)近期碳化硅產(chǎn)業(yè)化進度開始加速，ST、英飛凌等中游廠商開始鎖定上游晶圓貨源：

一、2019 年 1 月公告：CREE 與 ST 簽署一項為期多年的 2.5 億美元規(guī)模的生產(chǎn)供應協(xié)議，Wolfspeed 將會向 ST 供應 150 ㎜ SiC 晶圓。

二、2018 年 10 月公告：CREE 宣布了一項價值 8,500 萬美元的長期協(xié)議，將為一家未公布名稱的“領先電力設備公司”生產(chǎn)和供應 SiC 晶圓。

三、2018 年 2 月公告：Cree 與英飛凌簽訂了 1 億美元的長期供應協(xié)議，為其光伏逆變器、機器人、充電基礎設施、工業(yè)電源、牽引和變速驅(qū)動器等產(chǎn)品提供 SiC 晶圓。

兩大驅(qū)動力：5G 提速+汽車電氣化

5G 加速推進，射頻市場有望高速成長。

海外 5G 率先商用，國內(nèi) 5G 推進有望加速！4 月 3 日，美國運營商 Verizon 宣布在部分地區(qū)推出 5G 服務；4 月 5 日，韓國三大運營商宣布開始針對普通消費者的 5G 商用服務；4 月 10 日，日本政府向四大運營商分配 5G 頻段，預計明年春正式商用；我們認為，在海外 5G 積極推進商用的節(jié)奏下，國內(nèi) 5G 有望加速。

全球 5G 落地時間

隨著 5G 的推廣，從 5G 的建設需求來看，5G 將會采取"宏站加小站"組網(wǎng)覆蓋的模式，歷次基站的升級，都會帶來一輪原有基站改造和新基站建設潮。2017 年我國 4G 廣覆蓋階段基本結束，4G 宏基站達到 328 萬個。根據(jù)賽迪顧問預測，5G 宏基站總數(shù)量將會是4G 宏基站 1.1~1.5 倍，對應 360 萬至 492 萬 5G 宏基站。

宏基站年建設數(shù)量預測

于此同時在小站方面，毫米波高頻段的小站覆蓋范圍是 10~20m，應用于熱點區(qū)域或更高容量業(yè)務場景，其數(shù)量保守估計將是宏站的 2 倍，由此我們預計 5G 小站將達到 950萬個。

5G 基站分結構市場規(guī)模

氮化鎵將占射頻器件市場半壁江山

基站建設將是氮化鎵市場成長的主要驅(qū)動力之一。Yole development 數(shù)據(jù)顯示，2018年，基站端氮化鎵射頻器件市場規(guī)模不足 2 億美元，預計到 2023 年，基站端氮化鎵市場規(guī)模將超 5 億美元。氮化鎵射頻器件市場整體將保持 23%的復合增速，2023 年市場規(guī)模有望達 13 億美元。

氮化鎵射頻器件市場結構

氮化鎵將占射頻器件市場半壁江山。在射頻器件領域，目前 LDMOS（橫向擴散金屬氧化物半導體）、GaAs（砷化鎵）、GaN（氮化鎵）三者占比相差不大，但據(jù) Yole development預測，至 2025 年，砷化鎵市場份額基本維持不變的情況下，氮化鎵有望替代大部分LDMOS 份額，占據(jù)射頻器件市場約 50%的份額。

射頻器件市場結構

汽車電氣化推動碳化硅市場快速成長

汽車 IC 快速增長，成半導體增長亮點。根據(jù) IC Insights 數(shù)據(jù)，預計 2018 年汽車 IC 增速可達 18.5%，規(guī)?？蛇_ 323 億美元。到 2021 年，汽車 IC 市場將會增長到 436 億美元，2017 年到 2021 年之間的復合增長率為 12.5%，為復合增長率最高的細分市場汽車 IC 快速增長，成半導體增長亮點。根據(jù) IC Insights 數(shù)據(jù)，預計 2018 年汽車 IC 增速可達 18.5%，規(guī)?？蛇_ 323 億美元。到 2021 年，汽車 IC 市場將會增長到 436 億美元，2017 年到 2021 年之間的復合增長率為 12.5%，為復合增長率最高的細分市場。

汽車集成電路市場規(guī)模（十億美元）

汽車模擬 IC 增長強勁，實現(xiàn)對智能手機的超越。智能手機的高速增長曾經(jīng)是帶動半導體市場增長的主要驅(qū)動力，如今汽車成為下一位選手。

模擬電路下游結構

根據(jù) HIS 數(shù)據(jù)，從體量上看，2015年汽車模擬 IC 市場將已經(jīng)超過的智能手機市場，預計 2018 年汽車模擬 IC 市場規(guī)模可達 102 億美元。與此同時，由于汽車市場增速高于其他子行業(yè)，其模擬 IC 銷售占比也逐年增加。

汽車模擬 IC 市場增速超過手機（億美元）

環(huán)保需求持續(xù)驅(qū)動汽車電氣化進程

環(huán)保節(jié)能需求推動汽車電氣化，新能源汽車快速增長。由于各國政府對能源和環(huán)境問題高度重視，紛紛提出禁售燃油車計劃，汽車電氣化幾乎是必然趨勢。Katusa Research數(shù)據(jù)顯示，中國，美國和德國將成為電動汽車的主要推廣者，致使 2040 年電動汽車年均銷售量可達 6 千萬量。新能源汽車能夠有效降低燃油消耗量，而新能源汽車需要用到大量的電源類 IC（比如升降電壓用的 DC/DC），模擬 IC 行業(yè)可從中受益。

新能源燃油消耗對比

汽車硅含量持續(xù)提升，碳化硅市場顯著受益

汽車電氣化程度逐步加深，硅價值量持續(xù)增長。各車企紛紛推出新能源車，以實現(xiàn)汽車電動化的軟替代，常見的新能源汽車包括混合動力汽車、插電式混合動力汽車、增程式電動汽車、純電動汽車。

汽車電氣化分類

隨著電氣化程度的提升，汽車半導體價值量也水漲船高。2018年中度混合動力汽車、插電式混合動力汽車和純電動汽車單車半導體價值量分別達 475、740 和 750 美元，根據(jù) Strategy Analytics 預測，2025 年度混合動力汽車、插電式混合動力汽車和純電動汽車銷量分別可達到 0.17 億、0.13 億、0.08 億，合計半導體市場規(guī)?？蛇_ 237 億美元。

新能源汽車半導體價值量提升

電動車市場將是碳化硅器件成長的主要驅(qū)動力。根據(jù) Yole development 預測，未來幾年新能源汽車、電機驅(qū)動、鐵路對碳化硅市場增長影響較大，其中增量價值最高的為新能源汽車，包括汽車本身以及由此帶動的各類基礎設施建設。

氮化鎵功率器件市場空間

汽車處于安全性考慮，需要包含各個子系統(tǒng)的穩(wěn)壓、靜電保護、信號隔絕等需求，同時還需要眾多與電力系統(tǒng)配套的功率半導體產(chǎn)品，包括充電器、電池管理、逆變器、次逆變器、DC/DC以及各種接口等。因此汽車電動化給功率半導體帶來了更廣闊的市場空間。

碳化硅功率器件市場結構

汽車電動化需要多種模擬 IC 產(chǎn)品