化合物半导体风起云涌大势所趋大有可为

1、1、 市场空间广阔，化合物半导体有望乘风而起1.1、 下游需求强劲，半导体材料市场不断演化半导体材料是半导体产业链上游中的重要组成部分，在集成电路、分立器件等半导体产品生产制造中起到关键性的作用。半导体材料可以根据半导体产品制造过程分为制造材料和封装材料，其中制造材料主要是制造硅晶圆半导体、砷化镓、氮化镓、碳化硅等化合物半导体的芯片过程中所需的各类材料，封装材料则是将制得的芯片在封装切割过程中所用到的材料。下游应用需求强劲，半导体材料市场不断扩展。据中国电子材料行业协会数据，2018 年全球半导体材料销售额达到 519 亿美元，较 2017 年 469 亿美元增长10.66%，其中制造材料、封

2、装测试材料销售额分别为 322 亿美元、197 亿美元。2019 年受全球宏观经济影响，全球半导体材料市场规模有所下降，但其下降幅度低于整体半导体产业。2019 年全球半导体材料整体市场营收 483 亿美元，同比下降 6.7%。2015 年至 2019 年，全球半导体制造材料销售规模由 240 亿美元增长到 293 亿美元，年均复合增长率 5.11%。未来，在半导体芯片工艺升级、芯片尺寸持续小型化，以及全球硅材料、化合物半导体材料的品种和性能不断迭代升级的影响下，半导体制造材料在材料销售规模的占比预计将持续提高。图 1：2015-2019 年全球半导体材料销售规模350300250200150

3、10050020152016201720182019制造材料（亿美元）封装材料（亿美元）资料来源：天科合达招股说明书、国海证券研究所半导体材料共经历了三个发展阶段。第一阶段出现在 20 世纪 50 年代，以硅（Si）、锗（Ge）为代表的第一代半导体材料，主要用于分立器件和芯片制造，并引发了以集成电路为核心的微电子产业的迅速发展，在信息技术、航空航天、国防军工、光伏等领域应用极其广泛。第二阶段是 20 世纪 90 年代，以砷化镓（GaAs）、磷化铟（InP）等化合物为代表的化合物半导体材料，使半导体材料进入光电子领域，主要用于制作高速、高频、大功率以及发光电子器件，也是制作高性能微波、毫米波器件

4、的优良材料，广泛应用在微波通信、光通信、卫星通信、光电器件、激光器和卫星导航等领域。第三阶段是本世纪初，以氮化镓（GaN）、碳化硅（SiC）等为代表的宽禁带半导体材料，在禁带宽度、击穿电场强度、饱和电子漂移速率、热导率以及抗辐射等关键参数方面具有显著优势，满足了现代工业对高功率、高电压、高频率的需求，广泛用于制作高温、高频、大功率和抗辐射电子器件，应用于半导体照明、5G 通信、卫星通信、光通信、电力电子、航空航天等领域。表 1：半导体材料特性对比半导体材料第一代硅第二代砷化镓氮化镓第三代碳化硅分子式SiGaAsGaNSiC300K 电子迁移率(cm2/(Vs)150085001000-2000

5、700电子饱和速度(107cm/s)11.32.52击穿强度(MV/cm)0.30.43.33热导率(W/cm*K)1.50.51.54.5工作温度250350500500介电常数(C2/(N*M2)11.913.19.89.7禁带宽度(eV)1.11.43.43.2优点储量大、价格便宜大功率晶体管、二极应用领域管、集成电路资料来源：华经情报网、国海证券研究所工作温度高、光电性能好、耐热、抗辐射二极管、晶体管、集成电路、霍尔元件、IR LED、LED、激光 LED高频、高温、高压特性好、大功率、抗腐蚀LED、激光器、高频、大功率高频、高温、大功率耐高压、大功率电力电子、金属氧化物半导体场效、

6、应用前景广阔，化合物半导体市场空间持续拓展半导体衬底材料包括硅材料和 GaAs、SiC、GaN 等化合物半导体材料。凭借成熟制程及较低成本的优势，第一代硅质半导体材料制作的元器件已成为了电子电力设备中不可或缺的组成部分，硅也是目前技术最成熟、使用范围最广、市场占比最大的衬底材料。但硅质半导体材料受限于自身性能，无法在高温、高频、高压等环境中使用，化合物半导体材料因此崭露头角。化合物半导体材料拥有高电子迁移率、直接能隙与宽能带等特性，恰好符合半导体产业发展所需，随着材料制备技术与下游应用市场的成熟，以 GaAs、SiC、GaN 为代表的化合物半导体衬底材料市场空间不断拓展。化合物半导体应用场景电

7、力电子新能源汽车射频无线通信：手机（4G/5G) 基站建设（4G/5G) Wifi（820.11AC)光电领域数据中心物联网AOC、HDMI光纤网络LTE、FTTx应用材料GaN、SiC基应用材料GaAs、GaN基图 2：化合物半导体器件应用场景资料来源：集邦咨询、国海证券研究所现阶段，全球 95%以上的半导体芯片和器件是用硅片作为基础功能材料而生产的。硅片占整个半导体材料市场的 35%左右，市场空间约为 80 亿美元，硅基芯片市场规模高达 4000 多亿美元。然而，随着物联网、5G 时代的到来，以砷化镓（GaAs）、氮化镓（GaN）、碳化硅（SiC）等为代表的化合物半导体正快速崛起中。据半导

8、体行业观察的数据，2018 年 GaAs、GaN 与SiC 的产业销售额分别约为 3500 亿元、238 亿元和 64 亿元，化合物半导体的市场规模在不断扩大。国内第三代半导体器件市场拥有巨大增长空间，倒逼上游材料端发展。据赛迪顾问统计，2019 年国内第三代半导体器件市场规模达到 86.29 亿元，增长率为 99.7%，到 2022 年，中国第三代半导体器件市场规模有望冲破 608.21 亿元，增长率为 78.4%。第三代半导体器件广泛应用于“新基建”项目，也是实现“碳中和“的重要路径。国内在 5G 通讯、新能源等新兴产业的技术水平、产业化规模等方面处于国际优势地位，下游应用需求强劲将促进国

9、内上游半导体行业的持续发展，进一步提高半导体企业在国际市场的影响力。图 3：2018 年三大主要化合物半导体产业销售额图 4：中国第三代半导体器件市场规模增长空间巨大40003500300025002000150010005000砷化镓氮化镓碳化硅700600500400300200100020192022应用材料GaAs、(Al)GaN基产业销售额（亿元）市场规模（亿元）资料来源：半导体行业观察、国海证券研究所资料来源：赛迪顾问、国海证券研究所、 政策持续加码，第三代半导体产业扬帆起航第三代半导体行业是国内“新基建”战略的重要组成部分，有望引发科技变革并重塑国际半导体产业格局。“十三五”期间

10、，国家科技部通过“国家重点研发计划”支持了第三代半导体发展，国家 2030 计划和“十四五”国家研发计划也已明确提出第三代半导体是重要发展方向，涉及第三代半导体产业的各研发项目均按照进度要求完成启动等工作，项目部署涵盖电力电子、微波射频和光电应用多个领域，紧贴产业发展实际需求和进程，在新能源汽车应用、电网应用前沿研究、光伏逆变器、小型化电源、农业应用、健康医疗应用、光通讯、紫外应用、激光应用、智慧照明等多个热点发挥了引导作用。表 2：国家重点研发计划 2020 年度立项项目清单（第三代半导体相关）战略性先进电子材料序号项目名称牵头单位周期1封装基板材料在新能源汽车电驱模块上的应用株洲中车时代半

11、导体有限公司22功率 SiC 芯片和器件在移动储能装置中的应用西安电子科技大学23在设施农业中紫外 LED 应用模组和系统技术应用中国科学院半导体研究所24高性能 Micro-LED 芯片与显示关键技术研究厦门市三安光电科技有限公司2国家质量基础的共性技术研究与应用序号项目名称牵头单位周期1新一代 SiC 电力电子器件共性技术标准研究中国电子科技集团公司第五十五研究所2资料来源：CASA、国海证券研究所目前，国内对于第三代半导体材料的投资热情势头不减。据 CASA Research 不完全统计，2020 年共 24 笔投资扩产项目（2019 年 17 笔），已披露的投资扩产金额达到 694 亿

12、元（不含 GaN 光电子），较 2019 年同比增长 161%。分材料看， SiC 投资 17 笔，涉及金额 550 亿元；GaN 投资 7 笔，涉及金额 144 亿元。分环节看，衬底环节投资 12 笔（主要为 SiC 衬底），涉及金额 175 亿元；器件/模块环节投资 15 笔，涉及金额 520 亿元。在国家政策大力支持与“新基建”的引领下，第三代半导体产业将成为未来半导体产业发展的重要引擎。表 3：2020 年国内主要第三代半导体投资扩产情况（亿元）企业地区主要产品及方向投资金额天科合达北京大兴SiC 衬底9.5 亿元同光晶体河北涞源SiC 衬底15 亿元南砂晶圆广东南沙SiC 衬底9 亿

13、元江苏超芯星江苏仪征SiC 衬底0.8 亿元博蓝特浙江金华SiC 衬底、蓝宝石衬底10 亿元中科钢研陕西西安SiC 衬底18 亿元露笑科技安徽合肥SiC 衬底100 亿元泰科天润湖南浏阳SiC 器件/模块15 亿元华瑞微安徽滁州SiC 器件/模块10 亿元西安西为电气江苏徐州SiC 衬底3 亿元斯达半导体浙江嘉兴SiC 衬底2.3 亿元世纪金光安徽合肥SiC 衬底、器件/模块2.5 亿元三安光电湖南长沙SiC 全产业链160 亿元安徽微芯长江半导体安徽铜陵SiC 全产业链13.5 亿元大连芯冠江西南昌GaN 电力电子立昂微浙江海宁GaN 射频43 亿元赛微电子北京大兴GaN 射频及电力电子1

14、亿元资料来源：CASA、国海证券研究所2、 GaAs：立足射频前端应用，持续受益于消费电子领域2.1、 第二代半导体材料的代表，产业链成熟下游应用广阔作为第二代半导体材料的代表，GaAs 具有宽禁带、高频、高压、抗辐射、耐高温及发光效率高等特性，被广泛应用于移动通信、无线通信、光纤通信、LED、光伏、卫星导航等领域。在微电子领域，GaAs 广泛应用于微波通信射频、消费电子射频领域（PA 和 Switch）等；在光电子领域，GaAs 则用于 LED、激光 VCSEL、太阳能等领域。图 5：GaAs 应用场景资料来源：Yole Development、国海证券研究所GaAs 产业链包括晶圆（衬底、

15、外延片），芯片设计、晶圆代工、封测、下游应用等环节。GaAs 产业最上游为衬底制造，其次为关键材料 GaAs 外延片，具体工艺包括 MOCVD（有机金属化学气相沉积法）及MBE（分子束磊晶法）GaAs磊晶技术；中游为晶圆制造及封测等；下游则为手机、无线区域网路制造厂以及无线射频系统商等，整个产业链除晶圆制造外，设计与先进技术主要仍掌握在国际 IDM 大厂中。衬底外延芯片与器件设计制造封测IQEEmcoreMicrosemi Microchip Airoha和茂科技GCSTriQuint稳懋宏捷VPEC全新光电国内厂商国内厂商元砷光电锐迪科三安光电国民技术中国电子科技集团中普微电子同欣菱生 日月

16、光国内厂商晶方科技华天科技Skyworks、Qorvo、Avago、Broadcom、II-VI、图 6：GaAs 产业链及主要企业资料来源：前瞻产业研究院、国海证券研究所从 GaAs 产品来看，GaAs 产品以手机射频 PA 为主。受到中美贸易摩擦及新冠肺炎疫情影响，基于GaAs 的射频器件市场受到不小震荡。据集邦咨询数据，2020年全球 GaAs 射频器件市场规模为 65.80 亿美元，较 2019 年有小幅下滑。2012-2018 年，中国 GaAs 元器件市场经历了快速增长期。中国作为电子信息制造业大国，下游应用市场广阔。前瞻产业研究院预计，2019-2024 年，中国 GaAs 元器

17、件市场 CAGR 在 15%左右，增速高于全球市场同期增速，中国市场规模占全球比重将进一步提升。到 2024 年，中国 GaAs 元器件市场规模将达到551.3 亿元。图 7：2020 年全球 GaAs 射频器件市场规模小幅下滑图 8：2019-2024 年中国 GaAs 元器件市场规模7,2007,0006,8006,6006,4006,200201820192020E2021F市场规模（百万美元）YoY(%)6%4%2%0%-2%-4%-6%60050040030020010002019E 2020E 2021E 2022E 2023E 2024E中国砷化镓元件市场规模（亿元）资料来源：集

18、邦咨询、国海证券研究所资料来源：前瞻产业研究院、国海证券研究所、 手机 PA 主流材料，VCSEL 成为 GaAs 成长新驱动GaAs 衬底的下游应用主要应用于射频（47%）、LED（42%）、激光二极管（10%）三大领域。其中，以半绝缘型 GaAs 为主的射频应用占比最高，主要应用于手机PA、Switch、基站射频等方面；其次为 LED，以半导体型 GaAs 材料为主。据 Yole Development 统计，GaAs 晶圆的整体市场规模将从 2019 年的 2 亿美元增长到 2025 年的超过 3.48 亿美元，复合年增长率为 10%。图 9：GaAs 衬底各类应用占比图 10：2019

19、-2025 年 GaAs 晶圆市场规模应用拆分42%10%1%47%40035030025020015010050020192025射频RF发光二极管LED激光LD其他RFLED光电领域显示PV资料来源：Strategy Analytics、国海证券研究所资料来源：Yole Development、国海证券研究所、 消费电子：GaAs PA 仍为 5G 时代智能手机重要组成部分手机市场已成为GaAs 器件发展的一大动力。4G 时代手机端PA 的工艺以CMOS和 GaAs 为主。由于 5G 通讯对频率、功率与效率的要求更高，对 PA 的性能要求也相应提高。GaAs 的高线性度和高输出功率特性满足

20、 5G 设备对低延迟超高速的需求，使 GaAs 成为射频前端模组中 PA 材料的理想选择。同时，5G 技术对 PA 的需求量至少是 4G 对 PA 的需求量的 2 倍，从而增加了 RF 前端的总功率放大器面积和功率放大器数量，带动 GaAs 晶圆和芯片的出货量增加。5G 时代GaAs 仍将主导智能手机 PA 市场。在过去的几年中，RF 一直作为GaAs晶圆市场的成长驱动力。据 Yole Development 数据，2019 年RF 占 GaAs 晶圆市场总量的 33%和市场价值的 37%，占 GaAs 外延片市场的 67%。5G 时代sub 6GHz 频段中，GaAs HBT 仍是 PA 的

21、最重要的技术；5G 新增毫米波频段，GaAs pHEMT 则为重要的技术路线。据 Yole Development 估计，射频 GaAs 芯片市场规模将从 2019 年的 28 亿美元左右增长至 2025 年的 36 亿美元以上。由于在 5G 时代单部手机中 PA 的数量和单价都比 4G 时代有大幅的提升，据集邦咨询预测，中国手机 GaAs PA 市场将从 2019 年的 18.76 亿美元增长到 2023 年的57.27 亿美元，年复合增长率达到 19.17%。图 11：智能手机 PA 主导 GaAs 芯片市场（百万美元）图 12：中国智能手机 GaAs PA 市场规模持续增长4000300

22、02000100002019 2020 2021 2022 2023 2024 2025消费电子汽车通信基站安防航天航空其他YoY15%10%5%0%-5%706050403020100201920202021202220235G手机GaAs PA市场规模（亿美元）4G手机GaAs PA市场规模（亿美元）资料来源：Yole Development、国海证券研究所资料来源：集邦咨询、国海证券研究所、 光电子：VCSEL 成为 GaAs 成长新驱动以 VCSEL 为代表的光电子领域将成为 GaAs 增长的驱动力之一。VCSEL 是一种化合物半导体激光器，可用作光纤通信和自由空间光通信的发射器。与传

23、统发射激光器相比，VCSEL 具有较小的原场发散角、调制频率高且易于实现大规模阵列及光电集成等优点，广泛应用于光通信、3D 传感、面部识别、车载激光雷达等场景，且短期内不易被其他技术取代。随着手机 3D 面部感应渗透率提高、大容量光纤通信激光器的需求拉动，据 Yole Development 统计数据，全球 VCSEL 的市场规模将从2020 年的11 亿美元增长至2025 年的27 亿美元，CAGR达 18.4%。图 13：GaAs 光电领域 VCSEL 市场增长驱动力图 14：2020-2025 年 VCSEL 市场 CAGR 达 18.4%30CAGR=18.4%252015105020

24、172018201920202025E全球VCSEL市场规模（亿美元）资料来源：Yole Development、国海证券研究所资料来源：Yole Development、国海证券研究所移动和消费领域的 3D 应用蓬勃发展。2017 年以前 VCSEL 市场主要由数据通信应用驱动。自苹果率先将 VCSEL 解决方案应用于iPhone 的 Face ID 模块之后，VCSEL 市场驱动力逐渐被 3D 传感所取代。2017 年，iPhone 中共装配了 4100 万件 VCSEL，2020 预期将有超过 3.25 亿件 VCSEL 被安装在iPhone 中。安卓系厂商也在其智能手机的正面应用 3D

25、 传感模块进行人脸识别。除人脸识别功能外，3D 传感也被应用于后置摄像头以满足摄像功能提升的需求。Yole Development 统计显示，2020 年移动设备中的 3D 传感约占 VCSEL 总市场规模的 75%，预计 2025 年达到 21 亿美元的规模。从竞争格局来看，Lumentum作为苹果的主要供应商，2020 年市占率达 68%，具有明显领先地位。图 15：消费电子领域的 3D 传感占总规模的 75%图 16：2019 年 VSCEL 市场竞争格局医疗, 0.04%汽车, 0.01%Vertilite, 2%Others, 6%通信基站, 24.31%安防, 0.26%工业, 1

26、.32%消费电子, 74.07%Broadcom, 9%Trumpf, 9%ams, 11%II-VI, 14%Lumentu m, 49%资料来源：Yole Development、国海证券研究所资料来源：Yole Development、国海证券研究所、 竞争格局：产业链各环节以海外厂商为主导目前，GaAs 产业链环节以欧美、日本和台湾厂商为主导。从 GaAs 外延片生产环节来看，根据 Strategy Analytics 数据，前四大GaAs 外延片厂商为英国厂商 IQE、台湾地区厂商全新光电、日本厂商住友化学与台系厂商英特磊，分别占市场的 54%、25%、13%、6%，CR4 高达 9

27、8%。在 GaAs 晶圆制造环节，台系代工厂稳懋一家独大，占据了 GaAs 晶圆代工市场的 71%份额，其次为台湾地区的宏捷（9%）与美国的 GCS（8%）。图 17：全球 GaAs 衬底材料市场格局图 18：全球 GaAs 晶圆制造（IDM+代工）格局6% 2%10%42%10%2%8%71%47%9IQE全新光电住友化学英特磊其他稳懋宏捷GCSAorvo其他资料来源：Strategy Analytics、国海证券研究所资料来源：Strategy Analytics、国海证券研究所从竞争格局来看，GaAs 器件市场参与者较多，多为美国、日本与台系厂商，其中美国厂商占据前三地位，Skywork

28、s 以 30.7%的市占率成为行业领导者，其次为 Qorvo（28%）与 Avago（7.4%）。中国企业起步晚，在产业链中话语权较弱。从全球 GaAs 晶圆代工角度看，据Strategy Analytics 数据，全球 GaAs 器件市场主要参与者中，美国企业占全球市场份额的 75%，占有明显优势。从 GaAs晶圆代工格局来看，台系厂商稳懋占龙头地位，市场份额达 72.7%，GCS 以约 8.4%的市占率居于第二。图 19：GaAs 器件（PA 为主）市场格局图 20：全球 GaAs 晶圆代工格局其他 16%Sony 2%Mitsubishi 2%ADI 3%MACOM 3%Murata 3

29、%稳懋 5%Broadcom 7%Skyworks 31%Qorvo 28%Qorvo, 2.7%其他, 8.2%AWSC, 7.9%GCS, 8.4%稳懋, 72.7%资料来源：Strategy Analytics、国海证券研究所资料来源：Strategy Analytics、国海证券研究所、 稳懋：全球 GaAs 无线通讯领导者稳懋半导体成立于 1999 年，位于台湾林口华亚科技园区，是全球首座以六英寸晶圆生产 GaAs 微波集成电路的专业晶圆代工服务公司。稳懋拥有完整的技术团队及最先进的 GaAs 微波电晶体及积体电路制造技术及生产设备，客户群包括全球射频积体电路设计公司，并致力吸引与全

30、球IDM 大厂合作。在制程技术发展方面，稳懋以多元化及领先为原则，期望能提供客户最完整的服务。在无线宽频通讯的微波高科技领域中，稳懋目前提供两大类 GaAs 电晶体制程技术：HBT 和 pHEMT 二者均为最尖端的制程技术。在光通讯及 3D 感测领域中，稳懋更以 MMIC 生产技术为基础，提供光电产品的开发与生产制造。2016-2020 年，稳懋营业收入从136.23 亿新台币增长至256.12 亿新台币，CAGR为17.10%，净利润从31.13 亿新台币增长至65.29 亿新台币，CAGR 为20.34%。稳懋毛利率近 5 年始终维持在 30%以上，2020 年净利率 25.3%，创下五年

31、新高。图 21：稳懋营业收入和净利润持续增长图 22：稳懋毛利率和净利率维持较高水平3002502001501005002016201720182019202050%40%30%20%10%0%20162017201820192020营业总收入（亿新台币）净利润（亿新台币）毛利率净利率资料来源：wind、国海证券研究所资料来源：wind、国海证券研究所3、 GaN：高频性能优越，成为 5G 器件关键材料3.1、 半导体材料研究热点，GaN 射频器件应用前景明朗氮化镓（GaN）是由氮和镓组成的一种半导体材料，因为其禁带宽度大于 2.2eV，故被称为宽禁带半导体材料。GaN 材料作为微波功率晶体管

32、的优良材料与蓝色光发光器件中的一种具有重要应用价值的半导体，是目前全球半导体研究的前沿和热点。与传统半导体材料硅相比，由于 GaN 禁带宽度是硅的 3-4 倍、热导率是硅的 2 倍，使得 GaN 器件可在 300以上的高温下工作，能够承载更高的能量密度，可靠性更高；其击穿场强比硅高 10 倍，使得器件导通电阻减少，有利于提升器件整体的能效；饱和电子迁移速度是硅的 2-4 倍，因此允许器件更高速地工作。GaN 器件在光电子、高温大功率器件和高频微波器件应用方面有着广阔的前景。图 23：GaN 优异特性资料来源：品利基金、国海证券研究所GaN 外延片可分为同质外延片与异质外延片。在 GaN 单晶衬

33、底上生长的 GaN为同质外延片，以 GaN 单晶材料作为衬底可以大大提高外延膜的晶体质量，降低错位密度，提高器件工作寿命。但由于 GaN 材料硬度高，熔点高，衬底制作难度高，位错缺陷密度较高导致良率低，技术进步缓慢。因此 GaN 晶圆的成本仍然居高不下，GaN 厚膜衬底的应用受到限制。除了同质外延片外，GaN 还可以生长在其他衬底材料上，称之为异质外延片。目前常用的衬底材料包括蓝宝石、 SiC、硅与金刚石。其中蓝宝石 GaN 只能用来做 LED；硅基 GaN（GaN on Si）可以做功率器件和小功率的射频器件；碳化硅基 GaN（GaN on SiC）可以制造大功率 LED、功率器件和大功率射

34、频芯片。GaN on SiC 和 GaN on Si 是未来的主流技术方向。表 4：GaN 优异特性已可量产的衬底材料成本最大尺寸热导率（W/cmK)外延材料质量主要应用优势GaN on Si 兼具 GaN 的高能量密度和 Si 的低成本，是消费电Si8 英寸20 USD1.5一般1000子电源芯片的主要选择，替代 Si MOSFETGaN on SiC 兼具 GaN 的高频大功率和 SiC 的优良散热性，是SiC6 英寸USD4.9很好5G 基站射频前端芯片、卫星、雷达的主要选择，替代 Si-LDMOSGaN2 英寸2500USD极好同质衬底，主要用作蓝/绿光激光器，应用于光电领域主要用于

35、LED 领域。蓝宝石与 GaN 的晶格失配率较大，导电Sapphire4 英寸20 USD0.5好DiamondNANA20很好资料来源：云掌财经、国海证券研究所性、导热性都差，无法在大电流下工作，无法用于射频器件 金刚石热导率是 SiC 的 4 倍，且具有更宽的带隙、更高的击穿电压，更高的电子迁移率，可以获得更优越的器件性能。但是 GaN 与金刚石的异质外延技术难度大，还不太成熟。该领域是学术热点，主要公司包括 Akash Systems 和韩国 RFHIC 等GaN 器件产业链各环节依次为：衬底、材料外延、器件设计与制造及下游应用。目前产业以 IDM 企业为主，但是设计与制造环节已经开始出

36、现分工。在上游衬底方面，GaN 衬底大部分由日本公司生产，包括住友电工、三菱化学等。其中，住友电工的市场份额已经超过 90%。GaN 外延片相关企业主要有比利时的 EpiGaN、英国的 IQE、日本的 NTT-AT。GaN 器件设计厂商方面，美国的 EPC、 MACOM、Transphom，德国的 Dialog 等为主要参与者。IDM企业中日本的住友电工与美国的Cree 为行业龙头，市场占有率均超过 30%。衬底外延设计制造功率射频EPCGaN System Trasphorm Dialog国内厂商 苏州捷芯威Ampleon RFHIC国内厂商安普隆苏州本然电子稳懋 富士通 GCS TSMCW

37、olfspeed国内厂商三安集成海威华芯EpiGaN IQE NTTATAllos Episil国内厂商 晶湛半导体聚能晶源 聚力成住友电工信越化学三菱化学 Kyma国内厂商东莞中稼 苏州纳维 稼特半导体图 24：GaN 器件产业链及主要企业射频：Cree、Infineon、Qorvo、NXP、MACOM、住友电工功率：Infineon、ST、OnSemi、住友电工、三菱电机、II-IV、富士通国内厂商射频：苏州能讯功率：华功半导体、江苏能华、英诺赛科、大连芯冠、中航微电子、士兰微资料来源：36Kr、国海证券研究所亚太地区占据了全球 GaN 衬底市场的主要份额。2019 年亚太地区占全球 Ga

38、N衬底市场的 36.34%。由于 GaN 终端应用日益普及，Transparency Market Research 预计，2019 至 2027 年亚太地区将继续占据主导地位。除亚太地区外，北美与欧洲地区也成为GaN 衬底的重要市场，2019 年分别占有28.18%、23.94%的市场份额，GaN 在汽车行业中应用为北美与欧洲两个地区的 GaN 市场提供了巨大的机遇。在应用领域方面，目前 GaN 主要应用于射频器件和电力电子器件的制造。2019年，射频 GaN 的市场规模占 GaN 器件整体规模的比重达 91%，电力电子 GaN市场规模仅占 9%。2019 年国内 GaN 产业实现高速增长。

39、据 CASA 初步统计， 2019 年国内 GaN 微波射频产值规模近 38 亿元，同比增长 74%。未来随着 5G商用的扩大，现行厂商将进一步由原先的 4G 设备更新至 5G。5G 基站的布建密度高于 4G，而基站内部使用的材料多为 GaN 材料，赛迪顾问预计，到 2022 年国内 GaN 衬底市场规模将达到 5.67 亿元。图 25：2019 年 GaN 市场份额（按地区）图 26：国内 GaN 微波射频产业产值持续上升南美, 6.97亚太, 36.34中东与非洲, 4.57北美, 28.18欧洲, 23.9440353025201510502016201720182019衬底 外延及芯片

40、 器件及模组 装置 合计（亿元）资料来源：Transparency Market Research、国海证券研究所资料来源：CASA、国海证券研究所、 5G 射频与基站持续渗透，GaN 在快充领域大放光彩GaN 作为第三代半导体材料，有更高的禁带宽度，是迄今理论上电光、光电转换效率最高的材料体系，下游应用包括微波射频器件（通信基站等），电力电子器件（电源等），光电器件（LED 照明、激光等），其中光电器件仍是 GaN 的主要应用方向。目前 GaN 器件多应用于军工电子，如军事通讯、电子干扰、雷达等领域；在民用领域，GaN 主要被应用于通讯基站、功率器件等领域。据 Yole Developmen

41、t 数据，2019 年全球 GaN 功率器件市场规模为 1996.4 万美元，预计 GaN 市场将在 2025 年达到 6.8 亿美元以上，CAGR 高达 80.04%。随着 5G时代的到来，5G 基站与数据中心的建设将大幅度带动 GaN 射频与功率器件市场，GaN 在快充等电源控制方面的应用也成为的新的需求增长点。图 27：2019 年国内 GaN 行业需求分布图 28：2025 年全球 GaN 功率器件规模达 6.8 亿美元4.9%12.7%22.160.3%80070060050040030020010002019 2020 2021 2022 2023 2024 2025120%100

42、%80%60%40%20%0%射频器件快充无人驾驶国防工业市场规模（百万美元）YoY资料来源：观研天下、国海证券研究所资料来源：Yole Development、国海证券研究所、 终端射频：5G 时代射频器件要求提高，GaN 器件优势凸显5G 终端蓄势待发，大用量规模与技术创新为射频前端带来红利。2020 年，5G已经进入商用部署的快车道。IDC 预计 2020 年，中国 5G 连接终端用户将超过 2 亿，VR/AR 等虚拟现实市场也将在未来三年呈现爆发增长的态势。Qorvo 表示在未来 10 年内，5G 终端将会成为手机产业中发展最快的部分。5G 需要满足行业海量物联网设备的通信需求。在人与

43、人的连接场景之外，连接技术与行业数字化场景的融合也将成为 5G 通信发展的新机遇。IDC 预测，到 2024 年全球物联网的联接量将接近 650 亿，是手机联接量的 11.4 倍，以 5G 为代表的蜂窝物联网技术将发挥重要作用。5G 时代 GaN 射频市场占比进一步上升，未来将不断占领 LDMOS 市场空间。5G 时代高速增长的数据流量使得调制解调难度不断增加，需要的频段越来越多，对射频前端器件的性能要求也越来越高。目前在射频前端应用中，硅基 LDMOS器件和 GaAs 仍是主流器件。通常来说，LDMOS 适用于 3.5GHz 以下的应用， GaAs 适用于 40GHz 以下的场景，但器件尺寸

44、较大。GaN 在高频环境下能够保持高功率输出，可以有效减少晶体管的数量，从而缩小器件尺寸。从电压角度来看，LDMOS 的工作电压约为 6V，GaAs 为 10V，GaN 可以工作于 28V 或更高的电压，工作性能优于 LDMOS 与 GaAs，潜在市场空间巨大。据 Yole Development 数据，2015 年射频功率放大器市场中，LDMOS 市场有率为第一，占比约为 50%，GaN 射频器件约占 20%，预计到 2025 年，GaN 射频器件将以 55%的占有率取代 LDMOS 第一的市场地位，LDMOS 市场占有率则下降至11.8%。GaN 发展势头良好，5G 时代中 GaN 射频器

45、件的市场占比将进一步上升。图 29：2019-2024 年全球连接规模预测图 30：GaN 射频器件不断占领 LDMOS 市场空间7006005004003002001000201920202021202220232024物联网连接量（亿）手机连接量（亿）资料来源：IDC、国海证券研究所资料来源：Yole Develpment、国海证券研究所、 5G 基站+数据中心：“新基建”重要组成部分，GaN 应用前景明朗5G 基站射频系统非常复杂，GaN 器件的小尺寸、高效率和大功率密度等特点可实现高集化的解决方案。5G 射频系统需要使用高载波频率和宽频带的新技术，包括载波聚合、Massive MIMO

46、 等，GaN 在性能、体积、重量以及效率等方面具备独特优势，使其成为高射频、大功耗应用的技术首选。以 Qorvo 的 MIMO天线为例，与锗化硅基 MIMO 天线相比，GaN 基 MIMO 天线功耗降低了 40%，裸片面积减少 94%，成本降低 80%。据 Qorvo 数据显示，2022 年全球用于 Sub-6GHz 频段的 M-MIMO PA 器件年复合增长率将达到 135%，用于 5G 毫米波频段的射频前端模块年复合增长率将达到 119%。图 31：氮化镓 MIMO 性能优于锗化硅基 MIMO图 32：GaN 在基站应用中的市场规模（亿美元）201510502017201820192020

47、202120224G/5G Small Signal4G Macro GaN PA 5G6 GHz M-MIMO PA5G mmW FEM资料来源：Qorvo、国海证券研究所资料来源：Qorvo、国海证券研究所通信基站应用领域中，GaN 是未来最具增长潜质的第三代半导体材料之一。5G基站是“新基建”重要组成部分之一，根据工信部的数据，截至 2020 年底国内已建成全球最大 5G 网络，累计建成 5G 基站 71.8 万个，推动共建共享 5G 基站 33 万个。宏基站建设将会拉动基站端 GaN 射频器件的需求量。由于 5G 基站天线采用 Massive MIMO 技术，天线和 RRU（射频拉远单

48、元）合设，组成 AAU。假设 Massive MIMO 天线为 64T64R，则单个宏基站天线数量为 192 个，放大器数量为 192 个。考虑到 5G 基站的建设周期，拓墣产业研究院预计到 2023 年2019202020212022202320242025基站新增数量（万站）9.638.472105.6115.276.862.4PA 数量（万）1843.27372.81382420275.222118.414745.61843.2GaN 占比0.50.580.660.740.80.820.85LDMOS 占比0.50.420.340.260.20.180.15单扇 GaN 器件价格（元）5

49、000475045134287407338693675单扇 LDMOS 价格（元）3000285027082572244423212205PA 单扇区平均价格（元）4000395238993841374735903455基站端 PA 市场规模（亿元）11.545.584.2121.7129.582.764.7基站端 GaN 射频器件规模（亿元）7.231.764.3100.5112.673.158.5基站端 GaN 射频器件规模达到顶峰，达到 112.6 亿元。表 5：中国 5G 宏基站 PA 市场测算资料来源：拓墣产业研究院、国海证券研究所图 33：2019-2024 年宏基站 PA 使用量

50、预测图 34：2019-2024 年基站端 GaN 射频器件规模及预测25,00020,00015,00010,0005,0000201920202021202220232024120100806040200201920202021202220232024宏基站PA数量（万只）基站GaN射频器件市场规模（亿元）资料来源：中国产业信息网、国海证券研究所资料来源：中国产业信息网、国海证券研究所5G 小基站布局带动 GaN 射频器件规模增大。5G 的高传输速度和广覆盖将需要搭建更多更复杂的基站，大量的毫米波微基站、Sub-6GHz 微基站对于 GaN 器件的需求也将大幅提升。由于小基站不能对宏基站造

51、成干扰，故频率较宏基站更高，GaN 射频器件成为不二之选。据赛迪智库测算数据，中国 5G 网络小基站需求约为宏基站的 2 倍，即需要 1000 万站小基站。按照每个小基站需要 2 个放大器，小基站建设进度落后宏基站 1 年测算，拓墣产业研究院预计，到 2024 年基站端 GaN 射频器件规模达到峰值，市场规模可达 9.4 亿元。图 35：GaN 在通信基站中的应用趋势图 36：中国 5G 小基站 GaN 射频器件市场规模预测10864202020202120222023202420255G小基站GaN射频器件市场规模（亿元）资料来源：Yole Development、国海证券研究所资料来源：赛

52、迪智库、国海证券研究所表 6：中国 5G 小基站 PA 市场测算2020202120222023202420252026基站新增数量（万站）19.276.8144211.2230.4153.6124.8放大器数量（万个）384153.6288422.4460.8307.22496单扇 GaN 器件价格（元）500475451.3428.7407.3386.9367.5基站端 GaN 射频器件规模（亿元）13.66.59. 19.45.94.6资料来源：拓墣产业研究院、国海证券研究所数据中心电源效率要求提升，GaN 的市场前景明朗。随着网络、云计算的发展，新物联网设备和边缘计算需求的激增，数据中

53、心重要程度逐渐凸显。受新冠疫情影响，Gartner 调查显示，2020 年数据中心基础设施支出同比下降了 10.3%，约 60%的新数据中心设施建设受阻。但疫情导致的远程工作比例提高，实际上数据中心处理的数据量有大幅增长，能源效率与功率、数据密度的需求持续提升。 GaN 技术使得电源体积进一步缩小，从而允许在同一机架空间中添加更多的存储和内存，并使数据中心的功率密度由 30 瓦/立方英寸提升至 50-60 瓦/立方英寸甚至更高，即无需实际构建更多的数据中心即可增加数据中心的容量。2023年欧盟将提高对数据中心电源效率的要求，将进一步促进 GaN 在数据中心中的使用。Gartner 预计 202

54、1 年全球最终用户数据中心基础设施支出将以 6%的增速达到 2000 亿美元。图 37：2019-2021 年全球数据中心基础设施支出金额215021002050200019501900185018001750201920202021用户数据中心基础设施支出（亿美元）YoY资料来源：Gartner、国海证券研究所8%6%4%2%0%-2%-4%-6%-8%-10%-12%、 消费电子：GaN 快充市场迎来爆发期，音频应用为新亮点GaN 电源市场成长动力十足。随着多端口适配器的兴起，OEM 厂商将推出更多 GaN 充电器。凭借设备设计、性能等要求的提高，GaN 充电器满足了便携、快充等不断发展的

55、客户需求，并逐渐转变为主流标准。从技术角度分析，采用 GaN技术的充电器外形尺寸可比传统的基于硅的充电器减少 30-50%，整体系统效率可提升至 95%，在相同尺寸和相同输出功率的情况下，充电器外壳温度将比传统充电器更低。此外，GaN 充电器可以使用较小的变压器和较小的机械散热器，因此整体重量可减少 15-30%。Yole Development 预测，2019 年 GaN 电源目标市场约为 9000 万美元，2021 年将达到 1.6 亿美元，而在 2022 年将增长到 2.4亿美元。2020 年美国 CES 展会中，参展的 GaN 充电器数量已经多达 66 款，涵盖了 18W、30W、65

56、W、100W 等多个功率段，GaN 充电器市场迎来爆发期。图 38：GaN 快充充电器图 39：2019-2022 年 GaN 电源市场营收增速较快3.02.52.01.51.00.50.0201920212022GaN电源市场规模（亿美元）资料来源：财经生活网、国海证券研究所资料来源：Yole Development、国海证券研究所音频设备为GaN 器件应用新亮点。音频是一个拥有众多细分市场的庞大的市场，从专业音响，家庭音响到便携音响的所有细分市场中，高质量音频均为首要评判标准。引入 GaN D 类放大器的音频系统能在不需要牺牲声音质量的前提下，以更小更轻的设计提供更多的功率和更多的通道，满

57、足消费者市场对出色音质的追求。2020 年，GaN System 发布了一款为高音质 12V 音频系统开发的参考设计，该参考设计有两个通道，每通道（8 欧姆负载）Class-D 音频放大器支持 200 瓦功率，允许 12V 电源升压到 18V 给音频系统供电，并支持+-32V 输出。GaN 器件使用，在保证音质的前提下，将这款 400 瓦音频产品的成本和功率输出能力上做到了很好的平衡。Semiconductor Digest 认为，到 2021 年底，音频市场会有更多品牌配备 GaN 音频放大器和配套电源，对高质量音频的需求正在推动 D类音频放大器市场的增长。BCC Research 数据显示

58、，全球 D 类音频放大器市场将从 2020 年的 24 亿美元增长到 2025 年的 35 亿美元，2020-2025 年CAGR为 7.7%。图 40：高质量音频的需求推动全球 D 类音频放大器市场403530252015105020202025全球D类放大器市场规模（亿美元）手机D类放大器市场规模（亿美元）车载音响设备D类放大器市场规模（亿美元）资料来源：BCC Research、国海证券研究所、 竞争格局：美国、欧洲、日本三足鼎立GaN 下游应用行业拥有大量的市场参与者。这些公司包括恩智浦、英飞凌、GaN System、Efficient Power、Qorvo、Cree 等。全球GaN

59、 市场的主要参与者通过在销售、市场和技术方面的密切合作显示出协同效应。GaN 衬底供应商也通过与同行以及各种研究机构建立战略联盟来扩大规模，以建立自己在全球市场的参与者地位。意法半导体在 2018 年与 CEA-Leti 展开功率 GaN 合作，主要涉及常关型氮化镓HEMT 和氮化镓二极管设计及研发，并于 2020 年 3 月收购法国GaN创新企业Exagan 公司的多数股权；2018 年，Cree 收购了英飞凌的 RF 部门成为了全球最大的 GaN 射频器件供应商；国内企业闻泰科技 2019 年以 268 亿元成功收购行业内唯一量产交付客户GaN FET 产品的化合物功率半导体公司安世半导体

60、，成为国内首家世界级 IDM 半导体公司。图 41：GaN 射频器件市场格局图 42：GaN 功率器件市场集中度较低UMS, 5.20%Raytheon, 5.70%Qorvo, 20%其他, 5%Sumitomo, 40%Transphor m, 10%其他19%Efficient Power Conversion, 14%NXP, 19%Cree, 24%Fujitsu, 9%Infineon, 8%GaN Systems, 9%Texas Instruments 12%资料来源：新材料在线、国海证券研究所资料来源：HTF、国海证券研究所图 43：GaN 产业呈现三足鼎立局面资料来源：新材