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5G通訊意味著流量增長、寬帶升級與頻率提高，對于基站端與終端的應用場景提出了全新挑戰(zhàn)，通訊組件與電子器件必須適應更高頻、更高溫、更高功率的環(huán)境，因此，化合物半導體成為5G通信的關鍵技術。

其實，不僅是5G通信，新能源汽車、物聯(lián)網(wǎng)等諸多新興市場均對化合物半導體提出新需求。硅占據(jù)半導體材料領域霸主地位多年，成本、技術與工藝已然成熟，但隨著硅性能逐漸逼近物理極限，工藝優(yōu)化與制程演進已經(jīng)難以解決其在高頻、高壓領域的性能觸頂問題，電力性能更優(yōu)的化合物半導體由此成為市場焦點。

同時，化合物半導體具有顯著的戰(zhàn)略意義。由于化合物半導體在基站、雷達、航空等軍工領域均有應用，因此受到《瓦森納協(xié)議》約束，進出口均被嚴格管制。近年來，大陸資本頻頻試圖收購國外化合物半導體企業(yè)，但均以失敗告終。2018年8月，美國商務部公布新增的44家中國出口管制企業(yè)名單，國內化合物半導體技術領先的研究機構中電科13所與55所名列其中。

由此可見，國際半導體企業(yè)決心將其優(yōu)勢擴延至第三代化合物半導體。中國作為全球最大的移動通信市場和新能源汽車市場，要實現(xiàn)新興產(chǎn)業(yè)的自主化，就必須擺脫國外“芯片禁運”的禁錮，因此實現(xiàn)化合物半導體產(chǎn)業(yè)本土化勢在必行。

在此背景下，國內第三代化合物半導體產(chǎn)業(yè)的投資熱潮興起。2015年以來，在國家和地方產(chǎn)業(yè)政策大力支持下，超二十家企業(yè)進行了大規(guī)模的產(chǎn)線規(guī)劃與投建，總投資額超千億。2018年起，部分企業(yè)逐漸完成產(chǎn)線搭建與成品產(chǎn)出，一二級市場均對第三代化合物半導體表現(xiàn)出高度關注。

但是，投資熱潮與資本熱情越是高漲，我們越是需要理性看待產(chǎn)業(yè)走向。經(jīng)過長時間的深入研究與產(chǎn)業(yè)調研，我們認為，大陸第三代化合物半導體有望實現(xiàn)彎道超車，原因有三：明確的下游需求、中短期的時間窗口、適宜的競爭模式。

一、明確的下游需求

通過研究半導體材料的變革與性能，我們認為第三代化合物半導體有兩大需求明確的下游市場：（1）彌補硅材料缺陷的剛性需求領域，如5G基站射頻器件（氮化鎵）；（2）以性能取代硅的潛在需求領域，如消費電子、新能源汽車等。

新一代材料的出現(xiàn)無非兩個原因——“成本”和“性能”。即在多種材料均“力所能及”情況下，追求更低的芯片成本，或是在原有材料“力有不逮”情況下，開發(fā)新材料以追求更好的芯片性能。

基于“成本”，硅成為了應用最廣泛的第一代半導體材料。硅是地殼中含量第二豐富的元素（27%），且提純、結晶便捷、性能穩(wěn)定，能夠滿足絕大部分的應用場景，因此硅半導體技術快速實現(xiàn)了產(chǎn)業(yè)化，與之配套的材料、設備產(chǎn)業(yè)也隨之成熟。

基于“性能”，第二代化合物半導體與第三代化合物半導體應時而生。第二代化合物半導體以砷化鎵為代表，砷化鎵擁有高的電子遷移率，使其在高頻傳輸上有硅無法比擬的優(yōu)勢，但極低的擊穿場強限制砷化鎵只能活躍于低壓領域。第三代化合物半導體則以氮化鎵與碳化硅為主，高禁帶寬度特性意味著材料能夠承受更高的電壓與溫度。與此同時，高電子飽和漂移速度與低介電常數(shù)使其具有更高的頻率特性、體積更小。

至此，我們總結出三代半導體材料各自的下游市場：

（1）硅能夠覆蓋絕大部分的應用領域。多年來，硅不斷通過工藝優(yōu)化來延展適用范圍，如具有更高功率密度的硅LDMOS、能夠適用更高壓的IGBT等。

（2）第二代化合物半導體（砷化鎵、磷化因等）的出現(xiàn)是基于對硅性能短板的補充，因此應用更“專”，主導高壓、低頻市場，如終端射頻、衛(wèi)星通訊、光通信、GPS導航等領域。

（3）第三代化合物半導體：氮化鎵的應用領域有兩類，一類是硅無法適用的高頻、中壓領域，如5G基站射頻器件，這是其剛需市場，另一類是與硅重疊的低頻市場，如消費電子功率器件，這是其潛在的千億級替代市場。而碳化硅最優(yōu)勢的應用場景在于超高壓，如新能源汽車功率驅動系統(tǒng)、高鐵驅動電源、光伏逆變器、工業(yè)驅動電源等。

綜上，氮化鎵、碳化硅在5G、新能源汽車等新興市場有著極大潛力，大陸第三代化合物半導體企業(yè)的成長土壤已然準備好。

二、中短期的時間窗口

盡管第三代化合物半導體有著巨大的剛需市場與替代市場，但我們認為這兩大市場不會在短期內呈現(xiàn)爆發(fā)式增長，這為大陸企業(yè)制造了彎道超車的時間機會。

首先，在剛需市場中，成本的作用極其有限，下游的成熟度是決定新產(chǎn)品的核心要素。

我們以砷化鎵在終端射頻PA領域的發(fā)展為例，在通信升級初期，終端射頻模塊中的功放（PA）主要由硅制成。隨著3G、4G的到來，波段的擴寬與傳輸速度的要求對材料提出了新挑戰(zhàn)，盡管砷化鎵成本高于硅，但其強大的穩(wěn)定性、線性度決定了取代硅的必然性。2010年中國正式進入3G時代，2014年，4G網(wǎng)絡開始大規(guī)模普及，在2010-2011年以及2014-2015年的下游需求爆發(fā)期，全球龍頭的砷化鎵代工廠穩(wěn)懋（臺）和IDM企業(yè)Skyworks同樣出現(xiàn)了爆發(fā)式增長。

類推至第三代化合物半導體，氮化鎵在5G基站射頻的應用或將率先開花。

其次，在與硅高度重疊的領域中，第三代化合物半導體取代硅會是一個漫長的過程，核心阻礙在于“成本”。

我們以國內外主要的第三代化合物半導體企業(yè)投建計劃為基礎，從設備折舊、材料成本、芯片大小、晶圓尺寸四個維度比較幾類材料的成本情況：（1）氮化鎵（以硅基氮化鎵為測算對象），雖然設備投入與材料成本高，但單片芯片面積小，規(guī)模生產(chǎn)后，單顆成本約為硅的1.3-1.8倍；（2）碳化硅，由于外延片材料價格高居不下、且工藝限制下晶圓面積很難做大，其單顆成本將長期保持在硅的7倍左右。

氮化鎵雖然成本能夠與硅較為接近，但由于消費電子領域的成本敏感性，對硅的取代趨勢尚不明朗。2019年3月，ANKER搭載PI氮化鎵器件的充電器正式在國內上市，實現(xiàn)了體積縮小、能耗減少以及功率提高，但產(chǎn)品價格較高（ANKER PowerPort Atom PD 1售價約200元），在對于成本極其敏感、走量為上的消費電子領域，氮化鎵還處于試水期。

碳化硅在新能源汽車中的應用趨勢是明確的，但步伐不會過快。2018年特斯拉在Model 3的DCDC與OBC中采用了意法半導體的SiC模塊，通過節(jié)省能耗、減少體積優(yōu)化新能源汽車的電力電器結構。但我們認為這一現(xiàn)象短期內不會在車企大范圍復制，原因在于碳化硅的引入將耗費車企以及T1供應商大量研發(fā)精力與時間成本。因此，碳化硅的滲透會率先從對成本不敏感的領域開始突破，如航天電源、服務器電源等等，未來5-10年碳化硅將保持穩(wěn)定增長，成為多市場青睞的節(jié)能新材料。

綜上，在成本與下游的共同作用下，第三代化合物半導體市場將呈現(xiàn)出階段式成長。“時間窗口”是第三代化合物半導體與前兩代的最大區(qū)別，也是我們認為大陸企業(yè)能夠扭轉后發(fā)劣勢的關鍵依據(jù)。

三、適宜的競爭模式

大陸作為破局者切入第三代化合物半導體，既會面臨生產(chǎn)、技術上的難點，也會受到既有參與者的阻力，但我們認為，大陸企業(yè)迎頭趕上甚至彎道超車并非遙不可及，原因有二：（1）第三代化合物半導體“重制造”，大陸IDM模式順應競爭趨勢；（2）本土市場提供支持，大陸企業(yè)有望緊抓窗口機會。

通過研究前兩代半導體在射頻、功率市場的競爭格局，我們發(fā)現(xiàn)，產(chǎn)業(yè)對“制造”、“設計”的側重決定了競爭模式的不同：

（1）硅功率器件的低端領域重在“規(guī)模效應”，因此YJ科技、SLW等大陸企業(yè)能夠通過產(chǎn)線擴建快速切入市場，并以價格戰(zhàn)搶占份額；

（2）硅功率器件的高端領域“重制造、重設計”，設計環(huán)節(jié)需要充分利用硅材料的物理極限，制造環(huán)節(jié)需要大量投入產(chǎn)線建設，因此大陸企業(yè)形成了“代工+設計”的分化格局；

第二代化合物半導體市場“重制造”，但更“重設計”。砷化鎵的制造難度在于規(guī)模化起量，如大陸SA光電以大量購入MOCVD快速擴張，而設計難度則在于響應消費電子需求、緊跟通訊升級，因此大陸企業(yè)形成“代工+設計”的分化格局。國際企業(yè)掌控最上游設計技術且積累多年，Skyworks、Qorvo、Avago、高通借先發(fā)優(yōu)勢瓜分終端市場。而相較之下，國內設計企業(yè)起步較晚，技術實力與國際企業(yè)隔代落后。我們認為，強大迭代設計能力和資本實力將幫助巨頭企業(yè)持續(xù)占據(jù)主動，國際廠商有能力將領先優(yōu)勢由4G延續(xù)至5G，國內設計企業(yè)道阻且長。

以此類推，我們認為第三代化合物半導體關鍵環(huán)節(jié)在于“制造”，IDM最適應行業(yè)的模式。雖然氮化鎵/碳化硅的設計原理與硅器件稍有區(qū)別，但技術壁壘并非難跨越。核心的壁壘在于制造，氮化鎵與碳化硅制造過程中需要解決外延良率、晶格錯配、器件封裝測試等多種技術難點，需要一定的固定資本投入與生產(chǎn)經(jīng)驗積累，由此可見，大陸企業(yè)重資投入、引進人才建設IDM模式，為彎道超車開了個“好頭”。

另一方面，本土優(yōu)勢能夠將為大陸企業(yè)提供良好的競爭條件。

當然，我們需正視國際功率、射頻器件巨頭們的先發(fā)優(yōu)勢。化合物半導體的國際參與者主要有兩類，一是原硅器件的IDM廠商，如英飛凌、安森美、恩智浦、意法等，這類廠商研發(fā)能力強，早有化合物半導體技術準備，且資本實力強大，如英飛凌2014年通過收購IR掌握了硅基氮化鎵制造技術。另一類是從事第三代化合物半導體研發(fā)的設計企業(yè)，如EPC、Transphorm、Navitas等，擁有強大的技術優(yōu)勢。國際企業(yè)將在客戶、產(chǎn)品、成本等方面持續(xù)對大陸企業(yè)施壓。

但與此同時，我們也要認識到“彎道超車”的本質，即利用本土優(yōu)勢，緊抓窗口機會。前文我們總結過，無論是氮化鎵還是碳化硅，從小規(guī)模推廣到大規(guī)模起量需要較長時間，“生產(chǎn)成本、產(chǎn)品良率、下游接受度”是國內外企業(yè)同時面臨的難題。這意味著盡管國際廠商雖然具有一定的先發(fā)優(yōu)勢與產(chǎn)業(yè)積淀，但大陸企業(yè)仍有緩沖時間來應對未來需求。同時，從國際硅器件廠商的角度出發(fā)，大力推廣新材料產(chǎn)品也意味著“自身產(chǎn)品替代”，原硅路徑上的技術依賴會某種程度阻礙其快速擴張。

綜合來看，大陸的IDM廠商若能瞄準自身優(yōu)勢領域，立足本土消費市場優(yōu)勢，在窗口時期快速完成產(chǎn)線建設、產(chǎn)品完善、客戶擴展，就有望需求爆發(fā)節(jié)點來臨時有備而戰(zhàn)、后發(fā)制人。

四、結論

綜上，第三代化合物半導體作為對硅應用的補充與替代，其在5G基站、新能源汽車、光伏等市場的應用趨勢明確。與此同時，由于剛性需求的市場尚未完全爆發(fā)、替代需求中成本問題仍待解決，短期內行業(yè)規(guī)模難以呈現(xiàn)爆發(fā)式增長，大陸企業(yè)獲得了行業(yè)建設的時間窗口。在此行業(yè)背景下，我們認為大陸企業(yè)以本土市場需求為驅動力，以IDM模式奮起直追，有望在窗口期縮短與國際企業(yè)差距，完成在第三代化合物半導體行業(yè)的彎道超車。