2023年半导体行业砷化镓、碳化硅专题研究

碳化硅专题争论报告综述物半导体材料在电子迁移速率、临界击穿电场、导热力量等特性上具有独特优势。砷化镓PA平均单机价值从4G的3.25美元增加至5G的7.5美元，砷化镓晶圆市场规模从20232亿美元提升2025年的3.5IDM镓具有更高功率密度和更小损耗，GaNHEMT相比砷化镓体积下降82%，是5G宏基站PA的最正确材料，行业进展的核心受益环节是外IDM5%-10体模块体积80〔以丰田PCU为例，降低电池本钱，缩短电池充电时间,适应电动车电压从500V左右向1200V进展的高压化趋势,估量到2027年碳化硅功率器件市场规模超过100亿美元，行业进展的核心GaAs代工比例提高，外乡代工厂迎来进展时机：化合物半导体由于行业整体规模较小，非标准化程度高，以代工模式为主。欧美主导砷化镓产业链，中国台湾厂商垄断代工。日本的住友、德国的Freiberger和美国的AXT90%的IQE53%的市场份额。IDM厂商Skyworks、QorvoGaAs射频器件市场约70%市场份10%左右，而稳懋占据其中超过70%市场份额。IDMFabless设PA设计公司如海思、SiC全球供需马上失衡，跨过“奇点时刻”有望迎来大进展：碳化硅本钱高昂及牢靠性问题是阻碍碳化硅进展的最大障碍。两年之内，电动车的快速发展或将造成全球碳化硅衬底的供需失衡。假设10%，IGBT价格每年下降5%，电池本钱每年下降1082025件的构造使得全产80%的Cree有望成为最大赢家，而国内企业也在相关领域乐观布局。一、下游应用驱动，GaAs、GaNSiC1.化合物半导体具有物理特性优势IV族半导体；其次阶GaAs和InP为代表的III-VGaAsSiCGaN为比硅材料，化合物半导体材料在电子迁移速率、临界击穿电场、导热力量等特性上具有独特优势。硅材料主导，化合物半导体在射频、功率等领域需求快速增长。目前全球95%大的本钱优势，将来在各类分立器件和集成电路领域硅仍将占据主导地位。但是化合物半导体材料独特的物理特性优势，赐予其在射频、光电子、功率器件等领域的独特性能优势。GaAs主导sub-6G5G具体而言，GaAs在5G手机射频和光电子领域占据主导地位。GaAs移率，使得其适合应用于高频场景，在高频操作时具有较低的噪声；同时由于GaAs有比Si更高的击穿电压，所以砷化镓更适合应用sub-6G的5G时代，仍旧Qorvo报告，5G4G1030大器平均单机价值从4G手机的3.25美元增加至7.5美元，GaAs的另一个优点是直接VCSELVCSEL3D感应、后置LiDAR激光雷达等应用带GaN在5GPASi和GaAs的前两代半导体材料，GaN和SiC同属于宽禁带半导体材料，具有击穿电场强度高、饱和电子漂移速度高、热导率大、介电常数小等特点，具有低损耗和高开关频率的特点，GaN的〔小于1000V〕和激光器领域。相比硅LDMOS〔横向双集中金属氧化物半导体技术〕和GaAsGaNGaN模MIMO高电子迁移率场效晶体管已经成为5GGaN主要承受使用SiC衬底GaNonSi，由于SiC作为衬底材料和GaN的晶格失GaN外延层，能满足宏基站高功率的应用。GaN另外一个快速增长GaN能大大缩小手机充电器体积。消费电子级快充主要采用硅基衬底SiConS。虽然在硅衬底上GaNSiC衬底，同时能满推出相关产品，GaN快充有望在消费电子领域快速普及。在光电GaNLED、激光器等应用领域具有明显的竞争优势。SiC有望颠覆汽车功率半导体将来与GaNSiC同样具有饱和电子漂移速度高、击穿电场强度高、热导率大、介电常数小、抗辐射力量强等特点，并且与GaN相比，SiCGaN的三倍，并且能到达比GaN于600V甚至1200V快充充电桩、光伏和电网。300-400V左右。随着技术的进展，车企们追求更强动力性能和快充600V，保时捷Taycan电压平台为800V。超级快充和功率提升促使电动汽车不断迈向高压化。〔不包括48VMHEV〕系统架构中涉及到功率器件的组件包括：电机驱动系统中的主逆变器、车载充电系统OB，On-boardcharge、电源转换系统〔车载DC-DC〕和非车载充电桩。电动汽车承受碳化硅解决方案可以带来四大大优势：1.可以提高开关频率降低能耗。承受全碳化硅方案逆变80%，5%-10%；2.可以缩小动力PCU统硅PCU的五分之一36.6kW双向OBC为例，典型AC/DC650VIGBT、几个二极管和一个700-µH70650VSiCMOSFET230µHIGBT了将近13%的材料清单本钱。4.缩短电池充电时间，由于更高的充电动汽车的逆变器、OBC、大功率充电桩对碳化硅需求将大幅度〔VCU〕猎取扭矩、转速指令，从电池包猎取高压直流电，将其转换成可掌握幅值和频率的正弦波沟通电，才能驱动电机使车辆行驶。电动汽车中，逆变器和电机取代了传统特性，围绕SiCMOSFET机驱动系统重量及本钱，成为各车企的布局重点。2023Model3SiCMOSFET，24个SiCMOS2个SiC650V2023年比亚迪推出的汉EVSiC1200V硅基IGBTSiC方案NEDC3%-8%。估量到2023年，比SiC车用功率半导IGBT的全面替2023的其次代电驱平台。除逆变器之外，碳化硅在OBC中已经得到较为广泛的运用，目20OBC中使用SiC+SICMOS”演进；DCDC2023MOS转向SiCMOS方案。60KW以上，而承受MOSFET/IGBT15-30kW水平。承受碳化优势。用SiCMOSFET或SiCMOSFET与SiCSBD结合的功率模块的光伏逆变器，峰值能源转换效率可从96%提升至99%以上，逆变器能量损耗降低50%以上，设备循环寿命提升50倍，从而能够缩小系统体积、延长器件使用寿命。高效、高功率密度、高牢靠和低本钱是光伏逆变器的将来进展趋势。随着太阳能逆变器本钱的优化，在组串式和集中SiCMOSFET作为主逆变器件，来替换原来的三电平逆变器掌握的简单电路。1.进展阶段、核心驱动因素及受益环节分析我们认为SiC、GaN和GaAsSiC行业而言，目前整体市场规模较小，20236亿美IHSMarkit数据，受能源汽2027年碳100亿美元,2023-2027年复合增为SiC行业一旦到达综合器件本钱趋近于硅基功率器件的“奇点时GaNGrandview的测算及推测，2027年全球GaN58.5亿美元，从2023-202719.8%，增速也较快。而GaAs2023-202510%-15%。SiCGaN和GaAs行业的核心驱动因素和核心受益环节不同。对于碳化硅行业，由于本钱是制约下游承受SiC行业进展的最核心因素是本钱的下降速度。而GaAs衬底和外延片制备技术相对成熟，本钱趋于稳定，5GGaAs行业最核心因素是5GGaN,一方面GaN外延片目前本钱昂扬，另一方面需求主要来源于宏基站。由GaN行业的核心因素是5GGaN假设要运用于毫米波手机射频及中低压功率器件，本钱相比现在也需要有很大幅度下降。核心受益环节方面，由于目前碳化硅芯片本钱构造中60%-70%40%-50%,因此材料厂商是核心受益环节；而砷化镓的衬底和外延技术稳定且本钱占比相对较低，但是进展模式上越来越多砷化镓射频供给商提高使用代工的比例，因此射频IDM厂商和砷化镓代工厂都是核心受益环节。对于氮化镓，IDMSumitomoIDMQorvo。SiC本钱昂扬之源及牢靠性问题良品率低共同导致碳化硅本钱短期内难以快速下降。碳化硅器件制作的主要工艺流程包括单晶生长、晶片加工、外延、前道加工及后道封装。碳化硅衬底制造的核心关键技术点包括电子级高纯粉料合成与提纯技术、数字仿真技术、单晶生长技术、单晶加工〔切抛磨〕技术。碳化硅衬底配方改进困难、晶体生长缓慢、成品良品率低。具体而言：SiC晶体的根底，尤其对半绝缘型SiC晶体生长有至关重要的影响，涉及到制备技术、合成技术和提纯技术。其中高纯度碳粉提纯对工艺要求极高，而合成涉及到的配方技2350-2500度，由于炉内温度不行测量，通过高精度数字仿真技术可以节约大量的研发时间和本钱，仿真水平的凹凸也直接代表单晶企业的核心技术力量。缘由。目前CreePVT物理气相传输法。由于寸硅晶圆2-3天可以生长至1-242-6cm一个重要因素是仔晶生殖，仔晶是和碳化硅单晶晶体具有一样晶体之上。仔晶生长是碳化硅制备的核心技术，也是评判全部碳化硅衬6寸碳化硅片切割要上百小时。由于碳化硅功率器件主要用于汽车行业，因此对牢靠性要求极高。硅功率器件在长时间的质量测试过程中被证明SiC器件主要存在两个牢靠性问题——栅极氧化物稳定性和阈值电压稳定性。MOSFETSiC件，使用与MOSFET一样的栅极氧化物材料〔二氧化硅，但是器件在更高的内部电场工作，因此栅极氧化物在实际工作中寿命可SiCTDDB(时变电介质阈值电压稳定性：MOSFET的阈值电压会随着偏置而变化，是由象。估量SiC“奇点时刻”五年之内到来方案相比硅方案可以提高能效提升续航、削减电池容量缩减本钱、降低无源器件及冷却系统体积从而缩减整体模块体积、缩减尺寸。因此从车辆总本钱的角度看，碳化硅方案可以给汽车制造商带来本钱收益。随着SiC本钱下降，碳化硅在电动车上的应用将爆发性增长。从物料本钱角度看，目前能源电动车承受硅基方案的全车功率器件价值约400本约为1500-20234-5倍。目前碳化硅化硅结势垒肖特基二极管〕50%、外延20%25%5%。目前市场4英寸碳化硅衬底比较成熟，良率较高，同时价格较64寸片。将来推动碳化硅衬底本钱降低的三大驱动力：1.工艺和设备2.缺陷掌握改进提升良率3.设计改进降低使每年10%-15以10%左右价格下降。10%，IGBT价格每年下510%，中性估量全碳化硅方案相比硅方案8散热系统本钱缩减、无源器件本钱缩减以及更好能效节约的使用本钱，从2025增长。三、GaAs代工比例提高，打造外乡产业链闭环GaAs产业中，随着产业渐渐走向成熟以及市场规模增大，代工模式占比在渐渐提高。而在SiCIDM模式为主IDM(集Foundry(晶圆代工)+FablessSiC长、晶片加工、外延、前道加工及后道封装。我们从下游应用、生产模式、制程研发、财务及营销等方面比较硅晶圆代工和以砷化镓为代表的化合物半导体晶圆代工的进展模式：前主要用在无线及光电市场。在生产模式方面，硅晶圆代工行业在设分工及设计自动化工具进展都很成熟，代工厂可以快速响应客户的需求；而砷化镓代工由于外延片需要依据客户不同定制，同时生产良率主要竞争对手是国际IDM厂商，他们通过合作及共同开发的策略持续IC设计公司不易取得市场份额；而在硅晶圆代工行业，竞争对手主要是世界上几家大型代工厂。在制程研发方面，制程微缩效应在砷化镓器件上表达得不明显。GaAs0.13μm0.18μmQorvo在进展90nm4英寸和68英寸产线，但还没有EmitterBase-Collector垂直构造为主，SourceGateDrain砷化镓代工行业过去不易由于产品持续升级而产生客户忠诚，客户只要对不同代工厂进展认证通过，就较简洁由于价格因素而更换代工厂。的专业晶圆代工的根本缘由是相比硅半导体，化合物半导体产业规模较小使得高度专业分工不能带来明显的本钱优势；制程优势不明显，不用追求先进制程导致固定资产投资壁垒相对较低，所以无需欧美主导产业链，中国台湾厂商垄断代工本的住友、德国的Freiberger、和美国的AXT垄断，三家公司合计约占全球90%的市场份额。住友是全球半绝缘型砷化镓单晶片水VB4寸和6寸FreibergerVGFLEC法生产2到6英寸砷AXT产品中一半用于LED，LED芯片，少数公司如云南锗业用于射频的砷化镓衬底渐渐放量。英国IQE53%的市场份额。具体而言，约90%IQEIQEVPEC计占据射频外延片市场约80%的份额。而光电子外延片，不同下游Finisar和AvagoVCSEL等3D感应IQEGaAsIDM厂商SkyworksQorvoSkyworks、Qorvo和博通市场份额合计约70%。而这些大型IDM厂扩产趋于慎重，会选择将毛利率较低的4G产品外包给砷化镓代工厂商使产能优先满足高毛利产品，在需求旺5G订单。化镓器件市场规模10%左右，其中稳懋、环宇和宏捷科约占这其中90702023年三季度，稳懋月产能到达4.1万片。砷化镓代工厂主要生产功率放90202330%-402023年121.85系。博通在5G和光通讯有强大的布局，并且这种合作关系使得博通无需自己扩大产能，能认真作在它的强项产品设计。过去博通的HBT订单逐步转移给稳懋，除博通外，Skyworks、Qorvo和紫光展锐也Skywork8成左右来自于Skyworks的LED6代工比例提升，代工厂大举扩产随着射频、光电子等应用带动砷化镓器件等下游需求快速增长，GaAs代工比例逐步提升。过去几年砷化镓器件代工比例保持稳定。从2023年-20232023年的7.52023年的10.3IDM厂同时IDM厂了维持高产能利用率使得产能建设趋于保守，因此IDM厂有意愿释放出更多代工订单。除此之外，高通、联发科、海思等Fabless设计公司在射频领域崛起都增加砷化镓代工需求。投资200亿元人民币在高雄建厂，打算分三年投资，增总产能超过10万片/4.12023年一季度宏捷科月产能到达1.52023年底到达22023年底产能在3000片-4000202380004.PAPA、WifiPAPA。目前国产PA在4G10%-20%，在中功率4GPA4GPA，5G领PA领域的追赶。除海思外，5GPA上取2023年会有局部出货。Wi-FiPAPA外的其次大增长点。WifiPA也正在经受WIFI4PASkyworksQorvo;WIFI5PA5.8G中功率FEM对于WIFI6FE〔射频前端模块，国产WIFI62023年SkyworksQorvoWIFI6FEM面3年。Fabless设计公司更倾向与有丰富阅历的中国台湾代工厂合作，但是在外部环境导致供给链不确定性加大的背景下，国内砷化镓代工厂也有望获得更多参与5.三安光电：全面布局化合半导体20236寸化合物半导体晶圆代工厂，开发砷化镓、氮化镓外延片和衬底，涵盖射2023年上半年三安集成实现销3.75亿元。砷化镓射频出货客户累计将近100家、氮化镓60家，27PD/MPD10GAPD/25GPD、VCSEL和DFB放射端产品均已在行业重要客户处验证通过，进入批量试产阶段。公司在长沙设立子公司湖南三安从事碳化硅等第三代半导体的研于2G-5GWiFi、物联网、路由器、通信基站射频信号GaAs为主，基站用射频GaNHBT〔异质结双极型极暨假晶高电子迁移率晶体管外延芯片GaN650VGaN经取得突破，某国际化大客户下单，开头流片验证。SiC沙工程将包括长晶—衬底制作—外延生长—芯片制备—封装产业链。PD品的客户包括瑞谷、铭普、储翰等；数通产品领域客户中际旭创、AOI、光迅、剑桥等，公司目前已处于送样评估阶段。在电力电子板块，公司已布局能源市场领域：在逆变器方面，三安集成与主要客户阳光电源确认了合作开发工程意向。在国家电网方面，已进入南瑞、许继电器供给链，并已小量试产；充电桩方面，产品已进入行业领先成功送样并测试通过，目前正在小量样品导入阶段。处于亏损状态，但是随着收入规模上升公司亏损幅度收窄。由于前2023-2023年分别亏损9600万元、1700万元和8200万元，2023年上半年亏损幅度收窄至1100四、Cree引领SiC产业，全球供需马上失衡1.全产业布局占优,国内追赶海外巨头本钱构造导致SiC全产业链布局具有优势。以碳化硅为衬底的产业链主要分为衬底、外延和器件三个环节。由于衬底在器件中的高本钱占比，使得把握衬底工艺和产能的企业在竞争中具有优势。美国的Cree硅全产业链生产力量，所生产的碳化硅衬底除对外销售外，其余局部为自用。目前Cree20238英寸衬底产线，202350%。除了CreeII-VI，国内的有天科合达和东天岳，6寸衬底开头规模化生产或者开头建设产线。外延片市场主要被IDM公司主导，如三菱、英飞凌和意法半导体。在国内纯粹做外延片的有瀚每天成和东莞天域，均可供给4-613所、55所亦均有内部供给的外延片生产部门。器件方面，意法半导体、安森美、英飞凌和罗姆都是重要供给6寸商用SiC电拟投资160亿元的碳化硅全产业链布局的湖南子公司也于20232023年2月份以1.4SiCNorstel，Norstel产6英寸SiC先水平与国际领先水平仍有肯定差距，但是工艺水平和进展状况的差距远小于相比硅半导体。2.需求增长，全球供需马上失衡特斯拉Model3SiCMOSFETOBC、DCDCSiC0.5片6英寸碳化硅衬底。202349.9635.87%。假设2023100万辆的50万片晶圆产量。目前全球碳化硅衬底产能为40-60万片。因此电动车的快速进展或将造成碳化硅衬底短时间的失衡。在此背景下，全球加