半導(dǎo)體材料可分為單質(zhì)半導(dǎo)體及化合物半導(dǎo)體兩類，前者如硅（Si）、鍺(Ge）等所形成的半導(dǎo)體，后者為砷化鎵（GaAs）、氮化鎵（GaN）、碳化硅（SiC）等化合物形成。半導(dǎo)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(dǎo)體分別作為第二代和第三代半導(dǎo)體的代表，相比第一代半導(dǎo)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(dǎo)體中的新貴。
三大化合物半導(dǎo)體材料中，GaAs占大頭，主要用于通訊領(lǐng)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(yīng)用于軍事領(lǐng)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(yīng)用；SiC主要作為高功率半導(dǎo)體材料應(yīng)用于汽車以及工業(yè)電力電子，在大功率轉(zhuǎn)換應(yīng)用中具有巨大的優(yōu)勢。
超越摩爾：光學(xué)、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。現(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(shù)，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(yīng)用為導(dǎo)向，專注于在單片IC上加入越來越多的功能。
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(lǐng)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(shù)是GaAs，而開關(guān)主要技術(shù)是SOI，More than Moore （超越摩爾）可以實現(xiàn)使用不同技術(shù)和工藝的組合，為模擬IC的進一步發(fā)展提供了道路。
第三代半導(dǎo)體適應(yīng)更多應(yīng)用場景。硅基半導(dǎo)體具有耐高溫、抗輻射性能好、制作方便、穩(wěn)定性好。可靠度高等特點，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(dǎo)體不適合在高頻、高功率領(lǐng)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(dǎo)體將更能適應(yīng)未來的應(yīng)用需求。
模擬IC關(guān)注電壓電流控制、失真率、功耗、可靠性和穩(wěn)定性，設(shè)計者需要考慮各種元器件對模擬電路性能的影響，設(shè)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(shù)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。
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(lǐng)域，SiGe工藝、GaAs工藝和SOI工藝還可以與Bipolar和BiCMOS工藝結(jié)合，實現(xiàn)更優(yōu)異的性能。而在功率領(lǐng)域，SOI工藝和BCD（BiCMOS基礎(chǔ)上集成DMOS等功率器件）工藝也有更好的表現(xiàn)。模擬IC應(yīng)用廣泛，使用環(huán)節(jié)也各不相同，因此制造工藝也會相應(yīng)變化。
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(dǎo)體，砷化鎵具有高頻、抗輻射、耐高溫的特性，因此廣泛應(yīng)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(lǐng)域得到大規(guī)模應(yīng)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(guān)器。
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(shè)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(shù)不斷成熟和標(biāo)準(zhǔn)化，產(chǎn)品多樣化、器件設(shè)計的價值顯著，設(shè)計+制造的分工模式開始增加。
從Yole等第三方研究機構(gòu)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(yù)計隨著通信升級未來兩年有望正式超過100億美元。
同時應(yīng)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(dǎo)體面向射頻、高電壓大功率、光電子等領(lǐng)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。
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(dǎo)體材料的雙雄，由于性能不同，二者的應(yīng)用領(lǐng)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(dǎo)率高、化學(xué)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。
氮化鎵：5G時代來臨，射頻應(yīng)用前景廣闊
目前氮化鎵器件有三分之二應(yīng)用于軍工電子，如軍事通訊、電子干擾、雷達等領(lǐng)域；在民用領(lǐng)域，氮化鎵主要被應(yīng)用于通訊基站、功率器件等領(lǐng)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。
特色工藝代工廠崛起，分工大勢所趨。全球半導(dǎo)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(shù)演進，摩爾定律逼近極限，各環(huán)節(jié)技術(shù)、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。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。
氮化鎵射頻器件高速成長，復(fù)合增速23%，下游市場結(jié)構(gòu)整體保持穩(wěn)定。研究機構(gòu)Yole Development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(fù)合增速為22.9%。下游應(yīng)用結(jié)構(gòu)整體保持穩(wěn)定，以通訊與軍工為主，二者合計占比約為80%。
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(lǐng)域取代Si。目前SiC半導(dǎo)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(dǎo)致SiC材料價格昂貴，預(yù)計想要大規(guī)模得到應(yīng)用仍需一段時期的技術(shù)改進。
Die Size和成本是碳化硅技術(shù)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。
研究機構(gòu)IHS預(yù)測到2025年SiC功率半導(dǎo)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(yīng)用于工業(yè)及電動汽車領(lǐng)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(yīng)和逆變器應(yīng)用越來越多地使用SiC器件。
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：
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(yīng)協(xié)議，Wolfspeed將會向ST供應(yīng)150㎜SiC晶圓。
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(lǐng)先電力設(shè)備公司”生產(chǎn)和供應(yīng)SiC晶圓。
2018年2月公告：Cree與英飛凌簽訂了1億美元的長期供應(yīng)協(xié)議，為其光伏逆變器、機器人、充電基礎(chǔ)設(shè)施、工業(yè)電源、牽引和變速驅(qū)動器等產(chǎn)品提供SiC晶圓。
