化合物半导体：行业风起云涌，大势所趋大有可为（上）

核心观点

化合物半导体市场风起云涌，市场前景广阔。

随着5G、IoT物联网时代的来临，以砷化镓（GaAs）、氮化镓（GaN）、碳化硅（SiC）为代表的化合物半导体市场有望快速崛起。其中，GaAs是手机PA和Switch的主流材料，在5G时代仍占有重要地位，据集邦咨询预测，2023年中国手机砷化镓PA市场规模达到57.27亿美元。再者，以VCSEL为代表的光电器件可用于3D感知、LiDAR等新应用场景，未来亦将成为GaAs增长新的驱动力；GaN高频性能突出，是5G基站与数据中心器件的关键材料，并有望率先在快充领域大放异彩，Yole预计2023年全球GaN功率器件市场规模将达到13亿美元。此外，5G终端大用量规模与技术创新将为GaN射频前端带来红利，Yole预计到2025年，GaN射频器件将以55%的占有率取代当前硅基LDMOS第一的市场地位；目前SiC主要应用于新能源汽车及其配套充电桩等大功率场景，根据IHS Markit数据，2019年SiC功率器件市场规模约6.1亿美元，受新能源汽车等领域快速崛起与光伏发电等“新基建”项目的需求驱动，2025年SiC功率器件的市场规模将达到30亿美元，年均复合增速达到30.4%。

海外企业先行布局，国内上下游产业链持续发力，化合物半导体有望乘风而起。

化合物半导体行业格局中，欧美企业拥有先发优势，日本与台系厂商分占剩余空间，海外企业处于行业垄断地位，其中，台系厂商稳懋以超70%的市占率成为全球GaAs代工龙头，日本的住友电工为GaN射频器件IDM领导者，美国的Gree为全球SiC产业链领军企业。近年来国内高度重视半导体产业发展，第三代半导体行业已成为国内“新基建”战略的关键组成部分，也是国内实现“碳达峰、碳中和”目标的重要路径，多项国家重点研发项目部署涵盖电力电子、微波射频和光电子三大方向，紧贴产业发展实际需求和进程。在下游需求及产业政策推动下，大量资金涌入化合物半导体行业，从上游衬底、外延生产，中游制造、封装到下游产品应用，国内化合物半导体行业已涌现出一批优秀企业：天科合达与山东天岳已成为国内SiC衬底制造龙头企业；三安集成是国内化合物半导体制造的领军者，公司在射频、电力电子、光通讯、滤波器业务均取得较大突破。其中，公司GaAs晶圆产能已达到8000片/月。电力电子业务中，SiC二极管已有2款产品通过车载认证，SiCMOSFT工业级产品已送样客户验证，硅基GaN产品性能优越，部分客户已进入量产阶段；华润微、斯达半导等传统半导体企业争先布局化合物半导体行业，发掘利润新增长点。我们认为化合物半导体市场前景广阔，在下游需求持续向好以及国内产业政策大力支持的背景下，国内化合物半导体龙头企业有望实现快速崛起。

行业评级

伴随5G、IoT时代的来临以及新能源汽车、新能源发电等“新基建”的持续快速发展，以砷化镓、氮化镓与碳化硅为代表的化合物半导体逐步走向历史的舞台，未来市场前景明朗。我们认为化合物半导体下游需求旺盛，政策、资金持续发力，有望乘政策东风实现快速崛起，给予行业“推荐”评级。

重点推荐个股

三安光电（600703）；斯达半导（603290）；华润微（688396）；立昂微（605358）；新洁能（605111）；天科合达（A20375）；比亚迪半导体（A21288）。

风险提示

5G建设、新能源汽车推广不及预期风险；下游需求不及预期风险；化合物半导体研发不及预期风险；化合物半导体国产替代不确定性风险。

重点关注公司及盈利预测

报告正文

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变化

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。

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。

1.2

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。

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。

1.3

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，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。

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。

2、GaAs：立足射频前端应用，持续受益于消费子领域

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。

GaAs产业链包括晶圆（衬底、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。

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。

2.2

手机PA主流材料，VCSEL成为GaAs成长新动力

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%。

2.2.1、 消费电子：GaAsPA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%。

2.2.2、 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YoleDevelopment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%。

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。YoleDevelopment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。

见 中篇