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世纪证券-电子行业深度报告:从新基建与消费电子看第三代半导体材料-200529
2020-05-29 14:55:54  陈建生
研报摘要

  核心观点:
  1.功率半导体受益于下游新兴领域快速发展,未来增量空间明显。中国是全球最大的功率半导体消费市场,未来有望保持高速发展,预计年复合增速达4.8%。从增量来源来看,5G、光伏智能电网、新能源汽车等是主要的增量来源。未来功率半导体将呈现高性能,高增长,高集中度的发展趋势:1)下游新兴行业增量显著:下游以汽车电子为代表的新兴应用增速进一步加快,假设2025年新能源汽车市场规模达到150亿元,按照汽车电子化率30%测算,新能源汽车中的电子元器件增量为50亿元;2)自给率仍然偏低,替代空间巨大,目前自给率不足20%,假设自给率提升到50%,国内至少仍有50亿美金的市场空间增量;3)未来集中度会进一步提升,产品碎片化将有所改善:由于产品种类繁多,总体较为碎片化,但部分高端产品如IGBT、MOSFET技术壁垒提升,下游对高端产品的依赖度会随之增加,细分领域集中度提升是必然趋势。
  2.第三代半导体材料是功率半导体跃进的基石。第三代半导体材料众多战略行业可以降低50%以上的能量损失,最高可以使装备体积减小75%以上,是半导体产业进一步跃进的基石。先进半导体材料已上升至国家战略层面,2025年目标渗透率超过50%。底层材料与技术是半导体发展的基础科学,在2025中国制造中,对第三代半导体单晶衬底、光电子器件/模块等细分领域做出了目标规划。在任务目标中提到2025实现在5G通信、高效能源管理中的国产化率达到50%;在新能源汽车、消费电子中实现规模应用,在通用照明市场渗透率达到80%以上。
  3.新基建与消费电子将明显提升第三代半导体材料需求空间。新基建视角下:5G通信中含有GaN的基站PA有望实现爆发式增长。目前我国5G宏基站使用的PA(PowerAmplifier,功率放大器)数量在2019年达到1843.2万个,2020年有望达到7372.8万个,相对于去年增长近4倍。预计今年,基于GaN工艺的基站PA占比将由去年的50%达到58%。消费电子中:OPPO、小米等国内主流厂商依次跟进,高功率,小体积成最明显优势;汽车电子化程度上升直接带动汽车产业链价值迁移,国内市场有望超千亿规模。
  4.风险提示。研发进度不及预期,成本控制不及预期。
  
研报全文

世纪证券-电子行业深度报告:从新基建与消费电子看第三代半导体材料-200529

电子制造从新基建与消费电子看第三代半导体材料2020年5月29日——电子行业深度报告企业具备证券投资咨询业务资格相关报告:半导体行业深度报告(系列之一)—成长与迁移,全球半导体格局演变-191204行业数据与预测Wind资讯电子(可比口径)2020Q1整体收入增速(%)0.03整体利润增速(%)-10.00综合毛利率(%)14.80综合净利率(%)3.01行业ROE(%)1.31平均市盈率(倍)40.60平均市净率(倍)3.21资产负债率(%)53.42请务必阅读文后重要声明及免责条款核心观点:1.功率半导体受益于下游新兴领域快速发展,未来增量空间明显。

中国是全球最大的功率半导体消费市场,未来有望保持高速发展,预计年复合增速达4.8%。

从增量来源来看,5G、光伏智能电网、新能源汽车等是主要的增量来源。

未来功率半导体将呈现高性能,高增长,高集中度的发展趋势:1)下游新兴行业增量显著:下游以汽车电子为代表的新兴应用增速进一步加快,假设2025年新能源汽车市场规模达到150亿元,按照汽车电子化率30%测算,新能源汽车中的电子元器件增量为50亿元;2)自给率仍然偏低,替代空间巨大,目前自给率不足20%,假设自给率提升到50%,国内至少仍有50亿美金的市场空间增量;3)未来集中度会进一步提升,产品碎片化将有所改善:由于产品种类繁多,总体较为碎片化,但部分高端产品如IGBT、MOSFET技术壁垒提升,下游对高端产品的依赖度会随之增加,细分领域集中度提升是必然趋势。

2.第三代半导体材料是功率半导体跃进的基石。

第三代半导体材料众多战略行业可以降低50%以上的能量损失,最高可以使装备体积减小75%以上,是半导体产业进一步跃进的基石。

先进半导体材料已上升至国家战略层面,2025年目标渗透率超过50%。

底层材料与技术是半导体发展的基础科学,在2025中国制造中,对第三代半导体单晶衬底、光电子器件/模块等细分领域做出了目标规划。

在任务目标中提到2025实现在5G通信、高效能源管理中的国产化率达到50%;在新能源汽车、消费电子中实现规模应用,在通用照明市场渗透率达到80%以上。

3.新基建与消费电子将明显提升第三代半导体材料需求空间。

新基建视角下:5G通信中含有GaN的基站PA有望实现爆发式增长。

目前我国5G宏基站使用的PA(PowerAmplifier,功率放大器)数量在2019年达到1843.2万个,2020年有望达到7372.8万个,相对于去年增长近4倍。

预计今年,基于GaN工艺的基站PA占比将由去年的50%达到58%。

消费电子中:OPPO、小米等国内主流厂商依次跟进,高功率,小体积成最明显优势;汽车电子化程度上升直接带动汽车产业链价值迁移,国内市场有望超千亿规模。

4.风险提示。

研发进度不及预期,成本控制不及预期。

行业评级:强于大市(维持)分析师:陈建生执业证书号:S1030519080002联系电话:0755-23602373邮箱:chenjs2@csco.com.cn研究助理:魏大千联系电话:0755-83199535邮箱:weidq@csco.com.cn电子(801080.SI)与沪深300对比表现-30%-20%-10%0%10%20%30%40%50%60%70%80%19-0419-0519-0619-0719-0819-0919-1019-1119-1220-0120-0220-0320-04电子(申万)沪深300证券研究报告2020年5月请务必阅读文后重要声明及免责条款股市有风险入市需谨慎目录一、为什么推荐投资第三代半导体材料.....................................................41、功率半导体下游细分领域带动需求爆发式增长,将带动第三代半导体材料应用...............42、贸易摩擦加剧与摩尔定律见顶双重背景下,底层材料提供了弯道超车的可能性...............43、新基建与消费电子为国内需求打开空间................................................5二、功率半导体受益于下游新兴领域快速发展...............................................51、功率半导体是电路控制的核心元器件..................................................52、市场规模平稳增长,未来增量空间来自于新兴领域......................................73、国内是最大的消费市场,自给率不足20%..............................................9三、第三代半导体材料是功率半导体跃进的基石............................................111、第三代半导体材料对性能提升有明显优势.............................................112、产业应用集中在衬底、射频器件,2025年渗透率将达到50%以上........................123、底层材料突破是摩尔定律延续的关键.................................................14四、新基建视角:5G射频端需求带动GaN爆发式增长......................................171、宏基站射频元器件数量大增,GaN渗透率有望持续提升.................................172、小基站性能优势明显,高功率高频段环境下需求度提升.................................18五、消费电子视角:高效能、小体积加速GaN消费电子中的应用.............................201、以充电器为代表,GaN支撑下的快充效率翻倍提升.....................................202、新能源汽车市场拐点已至,GaN功率器件空间可期.....................................22六、相关上市企业.....................................................................271、海特高新.........................................................................272、三安光电.........................................................................283、斯达半导.........................................................................29七、风险提示.........................................................................301、研发进度不及预期.................................................................302、替代效果不及预期.................................................................313、成本控制不及预期.................................................................312020年5月请务必阅读文后重要声明及免责条款股市有风险入市需谨慎图表目录Figure1功率半导体主要分类.........................................................6Figure2各功率半导体的主要特性及应用场景...........................................7Figure3全球功率半导体市场规模及增速...............................................8Figure4国内半导体市场规模及增速...................................................8Figure5功率半导体按照输出功率分类的应用场景.......................................9Figure62018年全球IGBT市场格局...................................................9Figure72018年全球MOSFET市场格局...............................................9Figure82018年全球功率半导体产品结构..............................................10Figure92018年国内功率半导体产品结构..............................................10Figure102018年全球功率半导体市场份额.............................................11Figure112018年中国功率半导体市场份额.............................................11Figure12三代半导体材料主要特征...................................................11Figure13第三代半导体与硅的特性对比...............................................12Figure142025第三代半导体材料发展目标.............................................14Figure15摩尔定律:1971-2018年集成电路晶体管数量变化.............................15Figure16各国第三代半导体领域研发项目.............................................16Figure17GaN将逐步取代LDMOS市场份额...........................................17Figure182019年起5G基站将走向建设高峰...........................................17Figure19GaN射频器件需求量.......................................................18Figure20MassiveMIMO在5G中将大量出现..........................................18Figure21小基站设备形态及应用场景.................................................19Figure22ANKER快充及实际参数....................................................20Figure23小米Type-C65W最大输出功率发热情况......................................20Figure24各充电方案对比...........................................................21Figure25智能手机与可穿戴设备中GaN快充测算......................................22Figure26不同自动驾驶级别所对应的智能程度.........................................23Figure27汽车电子占整车成本未来趋近50%...........................................23Figure28新能源汽车是电子化的重要标志.............................................23Figure29汽车电子涉及主要环节.....................................................24Figure30全球与国内汽车电子市场规模(亿美金).....................................24Figure31NEV绝大部分零部件将被电子元器件代替.....................................25Figure32新能源汽车驱动系统及控制系统中主要的功率元器件拆分.......................26Figure33新能源汽车与传统燃油车半导体价值量拆分...................................27Figure34海特高新营业收入变化.....................................................282020年5月请务必阅读文后重要声明及免责条款股市有风险入市需谨慎Figure35海特高新归母净利润变化...................................................28Figure36海特高新毛利率及净利率变化情况...........................................28Figure37海特高新三项费用变化情况.................................................28Figure38三安光电营业收入变化.....................................................29Figure39三安光电企业归母净利润变化...............................................29Figure40三安光电毛利率及净利率变化情况...........................................29Figure41三安光电三项费用变化情况.................................................29Figure42斯达半导营业收入变化.....................................................30Figure43斯达半导企业归母净利润变化...............................................30Figure44斯达半导毛利率及净利率变化情况...........................................30Figure45斯达半导三项费用变化情况.................................................302020年5月请务必阅读文后重要声明及免责条款股市有风险入市需谨慎一、为什么推荐投资第三代半导体材料1、功率半导体下游细分领域带动需求爆发式增长,将带动第三代半导体材料应用功率半导体在电子行业中应用广泛,且技术相对成熟,目前是以硅片为衬底,带隙宽度较小,市场普遍认为,增长弹性不大,整体规模保持稳定。

与之有差异的是,大家认为,未来功率半导体将呈现高性能,高增长,高集中度的发展趋势,从而带动第三代半导体材料应用需求,主要原因有以下几点:1)下游新兴行业增量显著;2)自给率仍然偏低,替代空间巨大;3)未来集中产品碎片化将有所改善,高端产品如IGBT、MOSFET产品性能和技术壁垒同步提升,下游对高端产品的依赖度会随之增加。

功率半导体市场规模较大,高性能驱使下,新型半导体衬底材料渗透率有望进一步提升。

2、贸易摩擦加剧与摩尔定律见顶双重背景下,底层材料提供了弯道超车的可能性美方对HUAWEI制裁规模未有缩小趋势,同时加剧了多方面的技术围剿,底层材料的重要性不容忽视。

美方将计划限制HUAWEI使用美国技术和App在海外设计和制造半导体的能力来保护国家安全,HUAWEI及其被列入实体清单的分支机构生产的以下产品将受出口管理条例(EAR)的约束,具体而言包括以下两个方面:1)HUAWEI及相关企业利用美国管制清单(CCL)上的App和技术直接生产的产品;2)根据HUAWEI的设计规范,在美国海外的地方利用CCL清单上的半导体制造设备生产的芯片等产品,此类产品在向HUAWEI及其分支机构出货时需要申请许可证。

摩尔定律在硅时代已接近效能极限,台积电已开始2nm探索性研发,单一增加制程精度的方式不可持续。

“摩尔定律”在过去的几十年中是集成电路性能增长的黄金定律。

其核心内容:价格维持不变时,集成电路上可容纳的元件数目,约每隔18-24个月便会增加一倍,性能也将提升一倍。

根据ITRS的观点,传统的硅晶体管微缩至6纳米已达极限。

以硅材料为根基的摩尔定律即将失效。

若半导体仍以摩尔定律趋势发展,则需要在底层材料中形成突破。

美国、欧盟、日韩等国家和地区组织已经通过制定研发项目的方式来引导产业发展。

目前主要的突破手段存在于几个方面:1)底层材料突破,除氮化镓、砷化镓外,以碳基为材料的半导体技术也在持续突破;2)以SIP封2020年5月请务必阅读文后重要声明及免责条款股市有风险入市需谨慎装为代表的高密度集成方式,一定程度上满足了性能的发展需求。

3、新基建与消费电子为国内需求打开空间国内基站端建设投资力度扩大,国内需求将大于国外。

预计2020年5G新建基站有望达到80w座以上,其中大部分将以“宏基站为主,小基站为辅”的组网方式。

在射频端高频高速的背景下,第三代半导体材料的渗透率将会大幅提升,2023年GaNRF在基站中的市场规模将达到5.2亿美金,年复合增长率达到22.8%。

未来随着GaN技术进步和规模化发展,GaNPA渗透率有望不断提升,预计到2023年市场渗透率将超过85%。

5G宏基站使用的PA(PowerAmplifier,功率放大器)数量在2019年达到1843.2万个,2020年有望达到7372.8万个,同比增长有望达到4倍。

预计今年,基于GaN工艺的基站PA占比将由去年的50%达到58%。

消费电子市场规模分别受益于快充渗透率与新能源汽车电子化率的提升。

假设智能手机未来三年GaN快充渗透率为1%、3%、5%,可穿戴需求度相对手机端有所降低,三年的渗透率为0.5%、1%、2%;大家预计2020年全球GaN充电器市场规模为24.41亿元,2022年有望达到87.74亿元。

在新能源车型中,目前混动新能源汽车占新能源汽车总量的80%以上,电机与电控是核心元器件。

GaN可用于48VDC/DC以及OBC(OnBoardCharger车载充电机)。

据Yole的预测,2023年该领域的市场规模将达到2500万美金。

新能源汽车无疑是电力电子设备市场的主要驱动力,也是不同技术路线(Si、SiC和GaN)的主要争夺市场。

二、功率半导体受益于下游新兴领域快速发展1、功率半导体是电路控制的核心元器件功率IC和功率分立器件占功率半导体的绝大部分。

功率器件是通过控制电子设备中电压、电流、频率以及交流(AC)直流(DC)的转换,从而达到控制元器件的功能。

功率半导体属于半导体的一个细分领域,是通过变换电能的交直流、电压电流频率大小从而实现对电路控制的核心器件,可以分为功率IC和功率分立器件两大类。

功率IC是将控制电路和大功率器件集成在2020年5月请务必阅读文后重要声明及免责条款股市有风险入市需谨慎同一块芯片上控制的集成电路,主要的应用产品是电源管理,承担变换、分配、检测电压电流频率的功能,由于在电子设备系统中每个模块所需供电电压和电流各不相同,需要电源管理芯片对不同元器件所需电能情况进行转换和调节。

功率分立器件主要包括有二极管、晶体管及晶闸管,晶体管占有重要的份额,其中MOSFET(金属氧化物半导体场效晶体管)和IGBT(绝缘栅双极型晶体管)产品性能优越,控制能力及范围有出色的表现,近年来市场规模增长较快,结构占比不断提升。

Figure1功率半导体主要分类资料来源:CNKI、世纪证券研究所从细分产品来看,功率半导体因其不同的性能,发挥作用也有所不同。

二极管具有单向导电性能,即给二极管阳极和阴极加上正向电压时,二极管导通。

当给阳极和阴极加上反向电压时,二极管截止。

因此,二极管的导通和截止,则相当于开关的接通与断开。

晶闸管。

晶闸管设计用于在高电流和高电压下工作,并且通常用于AC电流到DC电流的整流以及AC电流频率与幅值的调整。

通常将晶闸管可以分为可控硅整流器(通常称为晶闸管)和栅极关断晶闸管(GTO),以上均属于高功率器件。

MOSFET属于晶体管的一种,与标准双极晶体管之间的基本区别在于源极-漏极电流由栅极电压控制,使其工作比需要高基极电流导通的双极晶体管更节能。

此外,它具有快速关闭功能及允许高频率切换,由于工作环境可以承受更高的温度,特别适用于家用电器,汽车和PC电源的电源设计。

2020年5月请务必阅读文后重要声明及免责条款股市有风险入市需谨慎IGBT将双极晶体管的某些特性与单个器件中的MOSFET的特性结合在一起。

IGBT与MOSFET有显着差异,制造起来更具挑战性。

IGBT器件可以处理大电流(如双极晶体管)并受电压控制(如MOSFET),使其适用于高能量应用,如变速箱,重型机车,大型船舶螺旋桨等。

Figure2各功率半导体的主要特性及应用场景类型可控性驱动形式导通电压特点应用领域二极管不可控电流驱动单向低于1V电压电流较小,只能单向导电电子、工业晶闸管半控电压驱动单向高于1000V体积小、耐压高工业、变频器、电焊机MOSFET全控电压驱动双向10-1000V能承受高电压,不能放大电压消费电子、通信、工业控制、汽车电子等领域IGBT全控电压驱动双向高于600V开关频率高,不耐超高压,可改变电压轨交。

工控、新能源、白色家电功率IC将功率元器件集成在一个整体的集成电路上。

根据不同器件类型决定控制类型和驱动电压。

体积小、重量轻、寿命长、功能多消费电子、通信、计算机和工控资料来源:CNKI、世纪证券研究所2、市场规模平稳增长,未来增量空间来自于新兴领域全球市场规模平稳增长,国内市场需求有望保持高速增长。

功率半导体作为电子设备中最基础的元器件,应用领域极其广泛。

从市场规模来看,根据IHSMarkit数据,2018年全球功率半导体市场规模约为400亿美金,预计到2021年市场规模将增长至441亿美金,年复合增速为4.1%。

中国是全球最大的功率半导体消费市场,未来有望保持高速发展,根据IHSMarkit数据,2018年国内市场规模达到138亿美金,增速为9.5%,占全球需求比例高达35%,预计未来中国功率半导体将继续保持较高速度增长,2021年市场规模有望达到159亿美金,年复合增速达4.8%。

从增量来源来看,由于下游新能源以及汽车电子化程度的提升,功率半导体的应用领域已从工业控制和消费电子拓展至光伏、风电、智能电网、变频家电、新能源汽车等诸多市场,下游新型领域市场的发展情况是功率半导体未来增量的重要保证。

2020年5月请务必阅读文后重要声明及免责条款股市有风险入市需谨慎Figure3全球功率半导体市场规模及增速Figure4国内半导体市场规模及增速-6%-4%-2%0%2%4%6%8%10%12%050100150200250300350400450500201420152016201720182019E2020E2021E全球功率半导体(亿美金)增速(%)-2%0%2%4%6%8%10%12%14%020406080100120140160180201420152016201720182019E2020E2021E中国功率半导体(亿美金)增速(%)资料来源:IHS、世纪证券研究所资料来源:IHS、世纪证券研究所从应用范围角度看,任何需要电能转换、电能与信号转换地方都需要功率半导体。

从应用功率大小来看,可以划分为四大应用场景:1)消费类电子产品/白色家电,功率范围10W-100W:功率半导体是消费电子产品中控制充电机制、功率输出和能效的核心元器件。

在白色家电中,优化的感应技术以及变频需求,也使得功率半导体也是白色家电走向智能化的核心。

2)新能源汽车及数据通信,功率范围100W-10kW:新能源汽车的电气化占比快速提升,目前新能源汽车相比于燃油车电子零部件价值增加5倍以上,新增的功率半导体器件的性能和功率效率是电动汽车运行的关键,功率元件主要用于逆变器、电源控制系统。

功率半导体保证数据中心不间断供电以及电压稳定方面具有重要作用,主要用于整流,电池充电和DC/AC逆变。

UPS是IDC的必需设备,极大程度增加了服务器系统中功率半导体元件的使用,未来氮化镓的使用和能量比例计算将继续增加数据中心中功率半导体使用的广度。

3)可再生能源及交通运输,功率范围10kW-1000kW:可再生能源发电也需要高功率半导体,因为可再生能源不规则,需要高的发电效率才能实现经济可持续发展。

以每兆瓦时为基础,风电场需要比传统燃煤电站多30倍的功率半导体价值量。

使用IGBT的变速驱动器越来越多地取代工业应用中的传统电机,因为它们可以显着提高能效。

功率半导体对于工厂的进一步自动化也至关重要,“工业4.0”的革命在很大程度上取决于增加的功率和传感器半导体内容,以驱动工厂的机器人技术。

4)智能电网和储能,功率范围1000kW以上:2020年5月请务必阅读文后重要声明及免责条款股市有风险入市需谨慎可再生能源(特别是风能和太阳能)的消纳对于智能电网的稳定性带来了巨大的挑战,电能的难以存储也为储能带来了更大的难度。

有效的能量存储对于向可再生能源对总发电的更高贡献的转变至关重要,并且需要再次有效地转换电能,即功率半导体。

Figure5功率半导体按照输出功率分类的应用场景资料来源:CNKI、世纪证券研究所3、国内是最大的消费市场,自给率不足20%功率IC与功率分立器件市场份额占比接近各半,IGBT、MOSFET在分立器件中占比较大。

在全球功率半导体市场,功率IC和功率分立器件几乎平分了整个市场份额。

根据Yole、IHS、Gartner数据汇总分析,2018年,功率IC和功率器件全球市场份额分别为54%和46%。

其中,在功率分立器件市场中,MOSFET和IGBT占比较大,分别为17%和15%,功率二极管/整流桥占比稍低,为12%。

Figure62018年全球IGBT市场格局Figure72018年全球MOSFET市场格局英飞凌34%三菱10%富士电机10%赛米控8%威科电子5%其他33%英飞凌27%安森美13%意法半导体8%东芝7%瑞萨7%其他38%资料来源:IHS、世纪证券研究所资料来源:IHS、世纪证券研究所2020年5月请务必阅读文后重要声明及免责条款股市有风险入市需谨慎在中国功率半导体市场,电源管理IC、MOSFET和IGBT合计占据了95%的市场份额。

其中,电源管理IC市占率高达61%,占比最大,MOSFET和IGBT市场份额分别为20%和14%。

得益于下游消费电子、新能源汽车、通讯行业近几年的快速发展,电源管理IC市场保持稳健增长,截止2018年,中国电源管理IC市场规模已达84.3亿美金。

同时,未来伴随新能源汽车行业的快速发展,MOSFET和IGBT也将迎来广阔的成长空间。

Figure82018年全球功率半导体产品结构Figure92018年国内功率半导体产品结构功率IC54%MOSFET17%功率二极管/整流桥15%IGBT12%其他2%电源管理IC61%MOSFET20%IGBT14%其他5%资料来源:IHS、世纪证券研究所资料来源:IHS、世纪证券研究所中国为全球最大的消费国和进口国,随下游新兴领域发展加快,国产替代空间明显。

由于功率半导体下游应用广泛,市场普遍认为行业增速弹性不大,整体规模保持稳定。

与之有差异的是,大家认为,未来功率半导体将呈现高性能,高增长,高集中度的发展趋势,主要原因有以下几点:1)下游新兴行业增量显著:下游以汽车电子为代表的新兴应用增速进一步加快,除去传统电子控制系统外,电驱、电控、电池三大件对于功率半导体的需求量爆发式增长,假设2025年新能源汽车市场规模达到150亿元,按照汽车电子化率30%测算,仅在新能源汽车中的电子元器件增量为50亿元;2)自给率仍然偏低,替代空间巨大:国内需求增加的同时,自给率不足20%,从国内外产业链的对比来看,假设自给率达到50%,国内至少仍有50亿美金的市场空间增量;3)未来集中度会进一步提升,产品碎片化将有所改善:由于产品种类繁多,总体较为碎片化,但部分高端产品如IGBT、MOSFET产品性能和技术壁垒同步提升,下游对高端产品的依赖度会随之增加,细分领域集中度提升是必然趋势。

2020年5月请务必阅读文后重要声明及免责条款股市有风险入市需谨慎Figure102018年全球功率半导体市场份额Figure112018年中国功率半导体市场份额英飞凌14%德州仪器9%安森美7%意法半导体5%高通4%其他61%英飞凌14%安森美8%德州仪器8%高通6%Dialog6%其他58%资料来源:IHS、世纪证券研究所资料来源:IHS、世纪证券研究所三、第三代半导体材料是功率半导体跃进的基石1、第三代半导体材料对性能提升有明显优势第三代半导体材料以碳化硅、氮化镓为代表,极具性能优势。

第三代半导体材料是指带隙宽度明显大于Si的宽禁带半导体材料,主要包括SiC、GaN、金刚石等,因其禁带宽度大于或等于2.3电子伏特,又被称为宽禁带半导体材料。

和第一代、第二代半导体材料相比,第三代半导体材料具有高热导率、高击穿场强、高饱和电子漂移速率和高键合能等优点,可以满足现代电子技术对高温、高功率、高压、高频以及高辐射等恶劣条件的新要求。

第三代半导体材料在航空、航天、光存储等领域有着重要应用前景,在宽带通讯、太阳能、汽车制造、半导体照明、智能电网等众多战略行业可以降低50%以上的能量损失,最高可以使装备体积减小75%以上,是半导体产业进一步跃进的基石。

Figure12三代半导体材料主要特征发展历程代表材料主要特性第一代半导体材料Si、Ge主要应用于大规模集成电路中,产业链十分成熟,成本低;Ge材料主要应用于低压、低频、中功率晶体管及光电探测器中;目前95%以上的半导体器件和99%以上的集成电路都是由Si材料制作。

第二代半导体材料GaAs、InP等直接带隙、光电性能优越;适用于制作高速、高频、大功率以及发光电子器件,是制作高性能微波、毫米波器件及发光器件的优良材料,广泛应用于卫星通讯、移动通讯、光通信、GPS导航等领域;GaAs、InP材料资源稀缺,价格昂贵,并且还有毒性,能污染环境,InP甚至被认为是可疑致癌物质,具有一定的局限性。

第三代半导体材料SiC、GaN等宽禁带半导体材料,禁带宽度大于2eV,具有可见光至紫外光的发光特性,抗高压、高温和高辐射性能优越,可承受大功率;主要应用于半导体照明、电力电子器件、激光器和探测器等领域。

资料来源:赛迪智库、世纪证券研究所2020年5月请务必阅读文后重要声明及免责条款股市有风险入市需谨慎半导体材料经历了三次明显的换代和发展。

第一代半导体材料是Si、Ge等单质半导体材料,由于其具有出色的性能和成本优势,目前仍然是集成电路等半导体器件主要使用的材料;第二代半导体材料以GaAs和InP等材料为代表。

第二代半导体材料在物理结构上具有直接带隙的特点,相对于Si材料具有光电性能佳、工作频率高、抗高温、抗辐射等优势,可以应用于光电器件和射频器件;第三代半导体材料以GaN和SiC等材料为代表。

1969年实现了GaN单晶薄膜的制备。

1994年中村修二研发了第一支高亮度的GaN基蓝光LED。

1891年,SiC晶体被人工合成。

1955年,飞利浦实验室的Lely发明SiC的升华生长法(或物理气相传输法,即PVT法),后来经过改进后的PVT法成为SiC单晶制备的主要方法。

材料分子结构导致先天性能优势。

第三代半导体材料相对于Si材料具有:禁带宽度更大、电子饱和飘移速度较高等特点,制作出的半导体器件拥有光电性能优异、高速、高频、大功率、耐高温和高辐射等特征,具备应用于光电器件、微波器件和电力电子器件的先天性能优势。

Figure13第三代半导体与硅的特性对比材料性能SiSiCGaN禁带结构间接带隙间接带隙直接带隙禁带宽度(eV)1.13.33.4电子迁移率(10cm/Vs)135010002000电子饱和漂移速度(10cm/s)12.22.7相对介电常数11.99.78.9热导率(W/cmK)1.494.91.3击穿场强(MV/cm)0.32.83.3对应器件理论最高工作温度(℃)175600800资料来源:赛迪智库、世纪证券研究所2、产业应用集中在衬底、射频器件,2025年渗透率将达到50%以上GaN衬底技术难度较大,光电子领域中较为成熟。

目前,SiC衬底技术相对简单,主要制备过程大致分为两步:第一步SiC粉料在单晶炉中经过高温升华之后在单晶炉中形成SiC晶锭;第二步通过对SiC晶锭进行粗加工、切割、研磨、抛光,得到透明或半透明、无损伤层、低粗糙度的SiC晶片(即SiC衬底)。

GaN衬底的生长主要采用HVPE(氢化物气相外延)法,制备技术仍有待提升,行业产量较低,导致GaN衬底的缺陷密度和价格较高,目前只有激光器等少数器件采用GaN同质衬底;GaN电力电子器件的衬底主要采用Si衬底,部分企业采用蓝宝石衬底,GaN同质衬底的器件在研发中;GaN2020年5月请务必阅读文后重要声明及免责条款股市有风险入市需谨慎射频器件主要是SiC高纯半绝缘衬底,少数企业采用Si做衬底;GaN光电子器件是GaN材料最成熟的领域,基于蓝宝石、SiC和Si衬底的蓝宝石LED产业已经进入成熟阶段。

高技术门槛导致第三代半导体材料市场以日美欧寡头垄占,国内企业在SiC衬底方面以4英寸为主。

目前,国内已经开发出了6英寸导电性SiC衬底和高纯半绝缘SiC衬底,山东天岳企业、北京天科合达企业和河北同光晶体企业分别与山东大学、中科院物理所和中科院半导体所进行技术合作与转化,在SiC单晶衬底技术上形成自主技术体系。

国内目前已实现4英寸衬底的量产;同时山东天岳、天科合达、河北同光、中科节能均已完成6英寸衬底的研发;中电科装备已成功研制出6英寸半绝缘衬底。

在GaN衬底方面,国内企业已经可以小批量生产2英寸衬底,具备4英寸衬底生产能力,并开发出6英寸衬底样品。

目前已实现产业化的企业包括苏州纳米所的苏州纳维科技企业和北京大学的东莞市中镓半导体科技企业,其中苏州纳维目前已推出4英寸衬底产品,并且正在开展6英寸衬底片研发。

先进半导体材料已上升至国家战略层面,2025年目标渗透率超过50%。

底层材料与技术是半导体发展的基础科学,在2025中国制造中,分别对第三代半导体单晶衬底、光电子器件/模块、电力电子器件/模块、射频器件/模块等细分领域做出了目标规划。

在任务目标中提到2025实现在5G通信、高效能源管理中的国产化率达到50%;在新能源汽车、消费电子中实现规模应用,在通用照明市场渗透率达到80%以上。

2020年5月请务必阅读文后重要声明及免责条款股市有风险入市需谨慎Figure142025第三代半导体材料发展目标材料性能细分重点及市场空间2025年任务目标关键战略材料:先进半导体材料第三代半导体单晶衬底8英寸SiC,4-6英寸GaN,2-3英寸AIN单晶衬底制备技术,大尺寸、高质量第三代半导体单晶衬底的国产装备根据Yole的预测,到2023年单晶衬底市场规模复合增速将达15%,将从17年的160余万片需求增至约400万片,其中光子应用复合增速将达37%2025实现在5G通信、高效能源管理中的国产化率达到50%;在新能源汽车、消费电子中实现规模应用,在通用照明市场渗透率达到80%以上。

第三代半导体光电子器件,模块50mW以上GaN紫外LED2018年全球UVLED市场规模达2.99亿美金,预计到2023年市场规模将达9.91亿美金,2018-2023年CAGR达到27%。

第三代半导体电力电子器件,模块15kV以上SiC电力电子器件制备关键技术,高质量GaN电力电子器件设计与制备,高电压、高速轨道交通、消费电子、新能源汽车等领域的应用根据CASA统计,2018年国内市场SiC、GaN电力电子器件的市场规模约为28亿元,同比增长56%,预计未来五年复合增速为38%,到2023年SiC、GaN电力电子器件的市场规模将达到148亿元第三代半导体射频器件,模块100MHz及以上的GaN微波射频器件和模块,5G移动通信和卫星通信领域中的应用2018年第三代半导体射频电子市场规模约为24.5亿元,同比增长103%,国防航空仍然占主要市场,2023年市场规模将有望达到250亿元资料来源:《中国制造2025》、世纪证券研究所3、底层材料突破是摩尔定律延续的关键摩尔定律在硅时代6nm已接近效能极限。

“摩尔定律”在过去的几十年中是集成电路性能增长的黄金定律。

其核心内容:价格维持不变时,集成电路上可容纳的元件数目,约每隔18-24个月便会增加一倍,性能也将提升一倍。

根据ITRS的观点,传统的硅晶体管微缩至6纳米已达极限。

以硅材料为根基的摩尔定律即将失效。

若半导体仍以摩尔定律趋势发展,则需要在底层材料中形成突破。

美国、欧盟、日韩等国家和地区组织已经通过制定研发项目的方式来引导产业发展。

2020年5月请务必阅读文后重要声明及免责条款股市有风险入市需谨慎Figure15摩尔定律:1971-2018年集成电路晶体管数量变化资料来源:Ourworldindata、世纪证券研究所超越摩尔定律,新材料是突破路径之一。

目前市面上超过99%的集成电路都是以第一代元素半导体材料之一,硅(Si)、锗(Ge)材料在20世纪50年代有过高光时刻,广泛应用于低压、低频、中功率晶体管以及光电探测器中,但到了60年代后期因耐高温和抗辐射性能较差,工艺更难、成本更高逐渐被硅材料取代。

第三代宽禁带半导体材料(SiC、GaN等),因其禁带宽度(Eg)大于或等于2.3电子伏特(eV)而得名。

第三代半导体材料具有优越的性能和能带结构,广泛用于射频器件、光电器件、功率器件等制造,具有很大的发展潜力。

目前第三代半导体材料已逐渐渗透5G、新能源汽车、绿色照明等新兴领域,被认为是半导体行业的重要发展方向。

美欧等经济体持续加大化合物半导体投入。

2018年,美国、欧盟等国家和组织启动了超过15个研发项目。

其中,美国的研发支撑力度最大。

2018年美国能源部(DOE)、国防先期研究计划局(DARPA)、和国家航空航天局(NASA)和电力美国(PowerAmerica)等机构纷纷制定第三代半导体相关的研究项目,支撑总资金超过4亿美金,涉及光电子、射频和电力电子等方向,以期保持美国在第三代半导体领域全球领先的地位。

此外,欧盟先后启动了“硅基高效毫米波欧洲系统集成平台(SERENA)”项目和“5GGaN2”项目,以抢占5G发展先机。

2020年5月请务必阅读文后重要声明及免责条款股市有风险入市需谨慎Figure16各国第三代半导体领域研发项目地区主体(资金支撑方)项目金额概况美国美国能源部(DOE)极速EV充电器(XFC)的固态变压器(SST)700万美金该项目为期三年,总经费700万美金,其中DOE提供50%的资金。

项目将结合新的SiCMOSFET器件。

美国美国国防先期研究计划局(DARPA)联合大学微电子计划(JUMP)2亿美金DARPA与美国30余所高校合作创建6个研究中心,为2025年及更远时间的微系统发展开展探索性研究。

6个中心的研究方向分别为深入认知计算、智能存储和内存处理、分布式计算和网络、射频到太赫兹传感器和通信系统、先进的算法架构以及先进器件、封装和材料。

美国电力美国(PowerAmerica)项目一:先进可靠的WBG功率模块的设计和制造美国通用电气(GE)航空系统企业和美国能源部国家可再生能源实验室(NREL)将共同设计和生产由碳化硅(SiC)和氮化镓(GaN)制成的先进宽禁带功率模块。

项目二:用于直接48V至低于1VPoLDC-DC模块的双电感混合转换器科罗拉多大学博尔德分校的一个团队将设计并实施一种基于GaN的新型转换器,其密度是目前市场上转换器密度的10倍,功率损耗最多可降低3倍。

项目三:用于中压级固态电路断路的WBG器件项目四:600VGaN双栅极双向开关北卡罗莱纳大学夏洛特分校(UNCC)的一个团队将测试中压(3.3kV)SiC固态断路器的功能原型。

英飞凌企业将开发基于其CoolGaN高电子迁移率晶体管(HEMT)技术的低成本600V双向70mOhm开关,充分利用GaNHEMT的独特双向特性。

项目五:研究生宽禁带半导体电力电子器件实验室北卡罗来纳州立大学(NCSU)的一个团队将建立一个完全专注于宽禁带电力电子器件的设计、制造和表征的研究生实验室课程,并PowerAmerica成员传播课程以加速新工程师的教育。

项目六:加入WBG半导体开关和电路的电力电子教学实验室北卡罗来纳大学夏洛特分校(UNCC)的研究人员将开发具有即插即用功能的模块化、多功能、教育性高频功率电子板。

欧洲欧盟硅基高效毫米波欧洲系统集成平台”项目(SERENA)-SERENA项目于2018年1月份启动,为期36个月。

SERENA项目旨在为毫米波多天线阵列开发波束形成系统平台,并实现超越主流CMOS集成的混合模拟/数字信号处理架构的功能性能。

欧洲欧盟“5GGaN2”项目2000万欧元8个国家的17个研究和工业界的合作伙伴参与该项目。

项目于2018年6月份启动,为期36个月。

该项目的目标是实现28GHz、38GHz和80GHz的演示样品,作为开发基于GaN的功能强大且节能的5G蜂窝网络的关键技术。

英国英国政府化合物半导体应用创新中心5100万英镑创新中心将加速化合物半导体的应用,并将化合物半导体应用带入生活。

该笔经费将用于支撑创新中心建设化合物半导体实验室,测试设施和设计工作室,以及提升其建模和仿真工具等能力。

资料来源:CASA、世纪证券研究所2020年5月请务必阅读文后重要声明及免责条款股市有风险入市需谨慎四、新基建视角:5G射频端需求带动GaN爆发式增长1、宏基站射频元器件数量大增,GaN渗透率有望持续提升5G宏基站将加速GaN取代LDMOS市场份额。

5G商用宏基站将以64通道的大规模阵列天线为主,单基站PA(射频功率放大器)需求量接近200个,目前基站用功率放大器主要为LDMOS(横向扩散金属氧化物半导体)技术,但是LDMOS技术适用于低频段,在高频领域存在局限性。

5G基站GaN射频PA将成为主流技术,对LDMOS的市场份额有一定的挤压,GaAs器件份额变化不大。

GaN能较好的适用于大规模MIMO(多输入多输出MultiInputMultiOutput)通道,根据Yole的预计,2023年GaNRF在基站中的市场规模将达到5.2亿美金,年复合增长率达到22.8%。

未来随着GaN技术进步和规模化发展,GaNPA渗透率有望不断提升,预计到2023年市场渗透率将超过85%。

Figure17GaN将逐步取代LDMOS市场份额Figure182019年起5G基站将走向建设高峰0200400600800100012001400160020192020E2021E2022E2023E5G基站建设投资额(亿元)5G基站建设数量(万个)资料来源:Yole、世纪证券研究所资料来源:工信部、前瞻产业研究院、世纪证券研究所射频器件数量成倍上升成为后续主要增长动力。

2018年基站领域GaN射频器件规模为1.5亿美金,占GaN射频器件市场的33%的份额。

5G时代基站领域的射频器件将以GaN器件为主,随着5G通信的实施,2020年市场规模会出现明显增长。

并且,为了充分利用空间资源,提高频谱效率和功率效率,大规模多输入多输出(MassiveMIMO)技术应运而生,通过在基站侧安装几百上千根天线,实现大量天线同时收发数据,为此将带动功率放大器等射频模块的需求,使得GaN射频器件的规模不断增长。

2020年5月请务必阅读文后重要声明及免责条款股市有风险入市需谨慎Figure19GaN射频器件需求量Figure20MassiveMIMO在5G中将大量出现0501001502002502017201820192020202120222023市场需求量(百万个)资料来源:Yole、世纪证券研究所资料来源:CSDN、世纪证券研究所含有GaN的基站PA有望实现爆发式增长。

目前我国5G宏基站使用的PA(PowerAmplifier,功率放大器)数量在2019年达到1843.2万个,2020年有望达到7372.8万个,同比增长有望达到4倍。

预计今年,基于GaN工艺的基站PA占比将由去年的50%达到58%。

在此背景下,以HUAWEI为代表的通信设备厂商加大基站PA的自研力度和采购数量,未来市场规模有望进一步扩大。

对于HUAWEI巨大的基站和手机PA用量来说,依然以外购为主,而在当下贸易限制的大背景下,正在加大来自中国本土的PA供应量,国内GaN领域企业望受益。

2、小基站性能优势明显,高功率高频段环境下需求度提升4G时代小基站(SmallCells)已有爆发式增长,产品性能优势明显。

小基站可更加有效改善室内深度覆盖、增加网络容量、提升用户感知,是网络部署的重要组成部分。

4G时代,能够有效覆盖室内或者热点区域的小基站获得了快速发展。

小基站借鉴了WLAN的网络架构,引入了Femtocell(飞站),分流宏蜂窝流量压力,并解决室内覆盖难的问题。

随着小基站应用范围扩大,以及产品类型丰富,小基站分类包括室外Micro、室内的Pico、分布式Pico、Femtocell等,从产品形态、发射功率、覆盖范围等方面,都相比传统宏站小很多。

皮站(Pico)具有低成本、易部署的综合优势。

主要为企业级应用,针对室内公共场所。

飞站(Femtocell)主要为家庭级应用,外表美观,具有易安装、易配置,管理傻瓜化的特点。

从统计上来看,绝大多数的数据业务发生在室内或热点区域。

相比宏基站,小基站可有效改善室内深度覆盖、增加网络容量、提升用户感知,因而越来越受到业界的关注。

2020年5月请务必阅读文后重要声明及免责条款股市有风险入市需谨慎Figure21小基站设备形态及应用场景资料来源:Ofweek、世纪证券研究所目前采用“宏基站为主,小基站为辅”的组网方式,是网络广深覆盖的重要途径。

宏蜂窝基站一般有3个扇区,微蜂窝基站一般只有1个扇区。

宏基站和小基站的区别在于,小微基站设备统一都装在电源柜里,一个柜子加天线即可实现部署,体积较小。

宏基站需要单独的机房和铁塔,设备,电源柜,传输柜,空调等分开部署,体积较大。

一方面,5G主要采用3.5G及以上的频段,在室外场景下覆盖范围更小,受建筑物等阻挡,信号衰减更加明显,宏基站布设成本较高。

另一方面,由于宏基占用面积较大,布设难度较高,站址选择难度增大,而小基站体积小,布设简单,可以充分利用社会公共资源快速部署。

5G室外场景下,小基站和宏基站配合组网,实现成本和网络性能最优将是重要的发展思路。

5G正式开启小基站市场,高功率高频段需求进一步提升GaN渗透率。

目前针对4G和LTE基站市场宏基站主要采用SiLDMOS功率放大器,小基站主要采用GaAs功率放大器,但GaN功率放大器的渗透率将不断提高。

然而,LDMOS功率放大器的带宽会随着频率的增加而大幅减少,仅在不超过约3.5GHz的频率范围内有效,相比之下,GaN射频器件更能有效满足高功率、高通信频段和高效率等要求。

随着5G的推进,在小基站以及微基站市场,GaAs功率放大器凭借性能优势和较低的成本也有望占据部分市场。

根据Yole预测,GaAs射频器件市场总额预计到2022年将达到8.576亿美金,其中。

同时GaN射频器件的市场规模将从2017年3.8亿美金到2023年增长至13亿美金,GAGR超过20%,最主要的增量也是来自于基站的应用。

2020年5月请务必阅读文后重要声明及免责条款股市有风险入市需谨慎五、消费电子视角:高效能、小体积加速GaN消费电子中的应用1、以充电器为代表,GaN支撑下的快充效率翻倍提升GaN三个特点大幅提升效率:开关频率高、禁断宽度大、更低的导通电阻。

开关频率是指充电头内部晶闸管,可控硅等电子元件,每秒可以完全导通、断开的次数。

变压器恰好是充电器中体积最大的元器件之一,占据了内部相当大的空间。

开关的频率高可使用体积更小的变压器。

使用氮化镓作为变压元件,变压器和电容的体积减少,有助于减少充电头的体积和重量。

禁带宽度直接决定电子器件的耐压和最高工作温度,禁带宽度越大,器件能够承载的电压和温度越高,击穿电压也会越高,功率越高。

更低的导通电阻,直接表现为导电时的发热量。

导通电阻越低,发热量越低。

2018年ANKER将GaN带出实验室。

2018年10月25日ANKER在美国纽约发布了一款划时代的新品—“ANKERPowerPortAtomPD1”GaN充电器,由于其搭载了高频高效的GaN(氮化镓)功率器件而备受业界关注。

该款产品也是首次将第三代半导体技术应用在充电设备上,从而将相关技术从实验室带向应用市场。

Figure22ANKER快充及实际参数Figure23小米Type-C65W最大输出功率发热情况资料来源:充电头、世纪证券研究所资料来源:充电头、世纪证券研究所主流厂商依次跟进,高功率,小体积成最明显优势。

小米于2020年2月发布了GaN充电器Type-C65W,能够为小米10Pro最高提供50W的充电功率,小米10Pro搭配其使用从0充电至100%仅需45分钟。

同时,它支撑小米疾速闪充、PD3.0等快充协议,并且还支撑全系苹果快充,官方表示,使用小米GaN充电器Type-C65W为苹果11充电,充电速度比原装5W充电器提升约50%。

得益于新型半导体材料GaN的加持,Type-C65W2020年5月请务必阅读文后重要声明及免责条款股市有风险入市需谨慎的体积比小米笔记本标配的适配器减小约48%。

此外,小米Type-C65W的USB-C接口支撑多个档位的智能调节输出电流,能为新款MacBookPro、小米笔记本等大功率设备进行最大65W充电,还能兼容大多数Type-C接口的电子设备,包括Switch等。

产品搭载E-Marker芯片,最大支撑5A电流。

目前,业界已推出多种快充技术方案,主要包括高通QuickCharge技术、OPPOVOOC闪充技术、联发科PumpExpress技术、HUAWEISuperCharge技术、vivoSUPERFlashCharge技术和USB3.1PD充电技术等。

Figure24各充电方案对比厂商技术方案技术类型技术方案特点高通QuickCharge高电压低电流高通QuickCharge4+快充技术集成了DualCharge技术、智能热平衡和电池感应技术,整体能效达97%,可有效减少快充过程中的发热量,同时,QuickCharge4+在充电过程中可直接测量电池电压,使系统实时优化电池充电状态,具备突出的产品竞争力。

OPPOVOOC低电压高电流最新SuperVOOC2.0快充技术采用串联双电芯设计,放电时可以利用电荷泵将双电芯的电压减半,最大充电功率为65W,在30分之内,就能充满一台4000mAh的电池的手机。

联发科PumpExpress高电压低电流PumpExpress技术是全球首款采用USBType-C接口进行充电的快充方案,充电过程中,PumpExpress技术内置的电源管理IC允许充电器根据电流决定充电所需的初始电压,充电过程的电压微调幅度仅为10mV,理论最高可提供5A充电电流。

HUAWEISuperCharge低电压高电流SuperCharge快充技术配置了智能化的电源管理IC,可智能识别不同充电器和数据线,匹配最佳快充方案。

HUAWEISuperCharge技术可实时监测当前手机电量,并动态调整输入电流,确保充电过程低温不发热,符合安全充电曲线,在手机电量快速充满60%后,智能化的电源管理IC会智能控制充电器降低输入电流,起到保护电池的作用。

vivoFlashCharge低电压高电流最新SuperFlashCharge120W超快闪充技术的最大充电功率达120W,可以在5分钟内将4000mAh锂电池充电至50%电量,13分钟将4000mAh锂电池充满。

资料来源:企业官网、世纪证券研究所从消费电子快充市场来看,未来随快充需求与GaN渗透率不断提升,2022年市场规模有望达到87.74亿元。

随着5G手机各类参数不断提升,内部射频、处理器、屏幕的耗电量在直线上升,电子产品对快充的需求日益提升。

多家厂商发布GaN快充后,目前的售价大部分用户已经可以接受,未来渗透率有望逐步提升。

假设智能手机未来三年GaN快充渗透率为1%、3%、5%,可穿戴需求度相对手机端有所降低,三年的渗透率为0.5%、1%、2%;大家预计2020年全球GaN充电器市场规模为24.41亿元,2022年有望达到87.74亿元。

2020年5月请务必阅读文后重要声明及免责条款股市有风险入市需谨慎Figure25智能手机与可穿戴设备中GaN快充测算测算项目2020E2021E2022E手机销量(亿部)13.414.0714.77带GaN快充渗透率(%)1%3%5%GaN充电器价格(元)150130100市场规模(亿元)20.154.8773.85可穿戴销量(亿台)(可穿戴设备、个人智能音频设备和智能音箱)7.187.898.68带GaN快充渗透率(%)0.5%1%2%GaN充电器价格(元)12010080市场规模(亿元)4.317.8913.89合计(亿元)24.4162.7687.74资料来源:Canalys、前瞻产业研究院、世纪证券研究所2、新能源汽车市场拐点已至,GaN功率器件空间可期新能源汽车拐点已至,发展路径复制智能手机。

新能源汽车的竞争格局已出现明显变化,政策端:全球节能减排,碳排放成国际谈判的重要筹码,国六排放的实行,加速新能源汽车替代传统燃油车。

供给端:全球主流厂商规划将未来重点发展方向放到NEV,有保有量加速提升,目前全球有超过150家车厂已有规划EV新车上市;在自动驾驶水平方面,2019年L2+级别自动驾驶产品在部分车型中已成为标配,部分车型仍需要选装,未来L3级别的自动驾驶有可能会在2020年后正式上市,从供给端来看,智能化水平在加速提升。

需求端:新能源汽车的边际变化来源有两点:车载娱乐及驾乘体验,纯电动与自动驾驶带来的独特驾驶体验,车联网的落地及人车手机生态化的构建,是娱乐化需求的来源。

2020年5月请务必阅读文后重要声明及免责条款股市有风险入市需谨慎Figure26不同自动驾驶级别所对应的智能程度资料来源:汽车之家、世纪证券研究所汽车电子化程度上升是必然趋势,直接带动汽车产业链价值迁移。

汽车电子是车体汽车电子控制装置和车载汽车电子控制装置的总称。

其中控制装置包括动力总成控制、底盘和车身电子控制等;车载电子装置包括汽车信息系统导航系统、车载通信系统、车载网络等。

从传统燃油动力车型转向电池动力的过程中,汽车电子化程度将呈现大幅提升,其中两类需求增长最为迅速:1)以智能驾驶为长期驱动力的安全系统(ADAS),是未来实现无人驾驶的重要保障;2)以智能座舱位代表的车载电子、车载通信,是建设车联网及物联网的基础需求。

Figure27汽车电子占整车成本未来趋近50%Figure28新能源汽车是电子化的重要标志0102030405060195019601970198019902000201020172020E2030E汽车电子成本占比(%)0%10%20%30%40%50%60%70%050100150200250300350201420152016201720182019E2020E2021E新能源汽车产量(万辆)新能源汽车产量年增速(%)资料来源:中国汽车网、世纪证券研究所资料来源:工信部、世纪证券研究所汽车电子市场规模快速发展,国内市场有望超千亿。

随着汽车智能化、车联网、安全汽车和新能源汽车时代的到来,汽车电子市场规模不断扩大,从汽2020年5月请务必阅读文后重要声明及免责条款股市有风险入市需谨慎车音响空调电子显示屏等,目前已转向助力包括安全系统、娱乐信息系统、车内网络、动力系统等汽车其他相关部件发展上,未来汽车电子市场发展空间还将进一步增加,汽车电子将成为半导体应用的主要增长点。

根据中国汽车工业协会数据,2020年全球汽车电子产品市场的产业规模预计将达到2400亿美金,其中我国汽车电子市场规模将超过1058亿美金。

Figure29汽车电子涉及主要环节Figure30全球与国内汽车电子市场规模(亿美金)0500100015002000250030002011201220132014201520162017201820192020全球中国资料来源:Ofweek、世纪证券研究所资料来源:中汽协、世纪证券研究所第三代半导体材料功率器件对于电机、电控、电池三大核心元件的效率提升具有重要意义。

从燃油车和新能源车两方面看:在国六排放要求背景下,主流车厂选择以48V轻混作为过度时期的解决方案;在新能源车型中,目前混动新能源汽车占新能源汽车总量的80%以上,电机与电控是核心元器件。

GaN可用于48VDC/DC以及OBC(OnBoardCharger车载充电机)。

据Yole的预测,2023年该领域的市场规模将达到2500万美金。

新能源汽车无疑是电力电子设备市场的主要驱动力,也是不同技术路线(Si、SiC和GaN)的主要争夺市场。

2020年5月请务必阅读文后重要声明及免责条款股市有风险入市需谨慎Figure31NEV绝大部分零部件将被电子元器件代替资料来源:汽车之家、世纪证券研究所汽车电子涉及高功率的驱动系统与低功率的控制系统,目前解决方案并不统一。

从技术上而言,GaN功率器件在48V的混合动力汽车领域将拥有较强的竞争力:SiC更适合大功率主逆变器,Si基GaN功率电子技术更适合小功率DC/DC和AC/DC转换器。

预计到2025年,大部分的轻型车将采用48V逆变器。

同时GaN功率器件也可用于车载充电器(OBC)。

目前部分企业正在设计与SiC与GaN兼容的OBC解决方案,若GaN方案的成本和技术足够成熟,GaN在新能源汽车OBC上的使用可能性将会大大提升。

2020年5月请务必阅读文后重要声明及免责条款股市有风险入市需谨慎Figure32新能源汽车驱动系统及控制系统中主要的功率元器件拆分资料来源:安森美半导体、世纪证券研究所未来前景看好,目前稳定性仍待提高。

由于在新能源汽车的应用中,功率需求相对较大,如在混合动力车型上,包含动力系统在内的电子元器件的成本占比已经达到50%,对器件稳定性和可靠性的要求非常高,需要较长时间的质量认证过程,在此过程中需要投入大量的研发经费;而SiC功率器件也将在如新能源汽车等领域与GaN功率器件的形成直接的竞争。

在这种情况下,GaN功率器件在新能源汽车领域的应用发展可能还需要较长时间。

另外,(汽车)激光雷达、数据存储中心、包络追踪等应用都是GaN功率器件新兴的应用市场,基于GaN功率器件的性能优越性,未来市场预期较好,据Yole的预测,上述应用市场在未来5年的年均增速超过65%,部分厂商会已经在高端设备上采用GaN功率器件。

因此GaN功率器件未来的市场发展情况除了受到现有的既定市场的影响之外,新兴市场的影响力也不容忽视。

2020年5月请务必阅读文后重要声明及免责条款股市有风险入市需谨慎Figure33新能源汽车与传统燃油车半导体价值量拆分资料来源:Infineon、世纪证券研究所六、相关上市企业1、海特高新企业是我国现代飞机机载设备维修规模最大、维修设备最全、用户覆盖面最广的航空维修企业。

子企业海威华芯在中国率先提供六英寸砷化镓(GaAs)集成电路的纯晶圆代工(Foundry)服务;在第三代半导体(氮化镓GaN)领域拥有国际领先、国内一流的技术;在全球氮化镓芯片专利技术属于一流梯队,企业专利总共249项,其中过半数是发明专利。

目前已建成国内首条6寸化合物半导体商用生产线,解决了中国化合物半导体产业链中制造环节的瓶颈,实现了核心高端芯片自主可控及国产化替代。

企业目前已完成包括砷化镓、氮化镓、碳化硅及磷化铟在内的6项工艺产品的开发,可支撑制造功率放大器、混频器、低噪音放大器、开关、光电探测器、激光器、电力电子等产品,业务涵盖航空、航天、卫星、消费电子等领域,产品广泛应用于5G移动通信、AI人工智能、雷达、汽车电子、电力电子、光纤通讯、3D感知、新能源、国防等领域。

截止目前企业部分产品已实现量产,服务客户数和订单持续增加。

2020年5月请务必阅读文后重要声明及免责条款股市有风险入市需谨慎Figure34海特高新营业收入变化Figure35海特高新归母净利润变化-20%-10%0%10%20%30%40%50%60%70%0123456789营业收入(亿元)同比增长(%)-250%-200%-150%-100%-50%0%50%100%150%200%250%300%(1)(0)(0)000111归母净利润(亿元)同比增长(%)资料来源:Wind资讯、世纪证券研究所资料来源:Wind资讯、世纪证券研究所Figure36海特高新毛利率及净利率变化情况Figure37海特高新三项费用变化情况-40-20020406080毛利率(%)净利率(%)05101520253035404550销售费用率(%)管理费用率(%)财务费用率(%)资料来源:Wind资讯、世纪证券研究所资料来源:Wind资讯、世纪证券研究所2、三安光电三安光电全资子企业厦门市三安集成电路主要提供化合物半导体晶圆代工服务,工艺能力涵盖微波射频、电力电子、光通讯和滤波器四大产品领域,主要应用于5G、大数据、云计算、物联网、电动汽车、智能移动终端、通讯基站、导航等领域。

企业电力电子业务已推出高可靠性,高功率密度的碳化硅功率二极管及MOSFET及硅基氮化镓功率器件,产品主要应用于新能源汽车,充电桩,光伏逆变器等电源市场;光通讯业务已具备生产DFB、VCSEL、PDAPD等数通产品的能力,产品主要应用于光纤到户,5G通信基站传输,数据中心以及消费类终端的3D感知探测等应用市场;滤波器业务产线设备已到位并进入全面安装调试阶段,预计今年产线全面组建完成投产。

目前,整体销售规模较小,但与国内知名终端应用厂商都有业务对接,未来市场前景可期。

2020年5月请务必阅读文后重要声明及免责条款股市有风险入市需谨慎三安集成项目总规划用地281亩,总投资额30亿元,规划产能为30万片/年GaAs高速半导体外延片、30万片/年GaAs高速半导体芯片、6万片/年GaN高功率半导体外延片、6万片/年GaN高功率半导体芯片。

官网显示,三安集成在微波射频领域已建成专业化、规模化的4英寸、6英寸化合物晶圆制造产线,在电子电路领域已推出高可靠性、高功率密度的SiC功率二极管及硅基氮化镓功率器件Figure38三安光电营业收入变化Figure39三安光电企业归母净利润变化-30%-20%-10%0%10%20%30%40%50%60%70%80%0102030405060708090营业收入(亿元)同比增长(%)-80%-60%-40%-20%0%20%40%60%80%05101520253035归母净利润(亿元)同比增长(%)资料来源:Wind资讯、世纪证券研究所资料来源:Wind资讯、世纪证券研究所Figure40三安光电毛利率及净利率变化情况Figure41三安光电三项费用变化情况0102030405060毛利率(%)净利率(%)-4-202468101214销售费用率(%)管理费用率(%)财务费用率(%)资料来源:Wind资讯、世纪证券研究所资料来源:Wind资讯、世纪证券研究所3、斯达半导企业2005年成立之初即开始研发IGBT模块,十几年专注于深耕IGBT赛道,目前IGBT模块产品已超过600多种,电压等级涵盖100V~3300V。

企业不仅在IGBT模块有深厚积累,还实现上游部分芯片的技术突破,2019年上半年企业芯片自给率已达到52.71%。

据IHS数据2017年企业是国内唯一进入世界前十的IGBT模块供应商,全球排名第10位,中国排名第1位。

在企业在IGBT领域技术优势和先发优势将奠定企业长期行业龙头地位。

2020年5月请务必阅读文后重要声明及免责条款股市有风险入市需谨慎企业上市后募投新项目进行中,新能源汽车用IGBT模块扩产项目:项目预计投资2.5亿元,建设地点在上海道之(企业汽车用IGBT模块生产基地),形成年产120万个新能源汽车用IGBT模块的生产能力。

全面达产后项目预计年实现销售4.2亿元,年均可实现利润6404万元。

IPM模块项目:计划投资2.2亿元,形成年产700万个IPM模块的生产能力。

全面达产后项目预计实现销售3.15亿元,年均可实现利润4967万元。

企业在IPM领域相关技术储备已较为成熟,大力扩产将推动企业获得更多的市场份额,提升企业在行业里领导地位。

Figure42斯达半导营业收入变化Figure43斯达半导企业归母净利润变化0%10%20%30%40%50%60%01234567892015Q42016Q42017Q42018Q42019Q4营业收入(亿元)同比增长(%)0%20%40%60%80%100%120%140%160%0001111122015Q42016Q42017Q42018Q42019Q4归母净利润(亿元)同比增长(%)资料来源:Wind资讯、世纪证券研究所资料来源:Wind资讯、世纪证券研究所Figure44斯达半导毛利率及净利率变化情况Figure45斯达半导三项费用变化情况051015202530352015Q42016Q42017Q42018Q42019Q4销售毛利率(%)销售净利率(%)024681012141618202015Q42016Q42017Q42018Q42019Q4销售费用率(%)管理费用率(%)财务费用率(%)资料来源:Wind资讯、世纪证券研究所资料来源:Wind资讯、世纪证券研究所七、风险提示1、研发进度不及预期目前第三代半导体材料在电子特性上以展示出巨大的优势,但仍依赖后续的技术突破,若研发瓶颈难以突破,有研发不及预期的风险。

2020年5月请务必阅读文后重要声明及免责条款股市有风险入市需谨慎2、替代效果不及预期目前以硅为主导的半导体材料市场占有率仍高达90%以上,主流厂商出于稳定性考虑,第三代半导体材料替代效果有待进一步验证。

3、成本控制不及预期以硅为半导体材料的提纯工艺较为成熟,主要厂商对成本的控制程度有长期经验积累,第三代半导体材料在合成工艺上成本较高,有成本控制不及预期风险。

2020年5月请务必阅读文后重要声明及免责条款股市有风险入市需谨慎分析师声明投资评级标准免责声明世纪证券有限责任企业经中国证券监督管理委员会批准,已具备证券投资咨询业务资格。

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股票投资评级说明:行业投资评级说明:报告发布日后的12个月内,企业股价涨跌幅相对于同期沪深300指数的涨跌幅为基准,投资建议的评级标准为:报告发布日后的12个月内,行业指数的涨跌幅相对于同期沪深300指数的涨跌幅为基准,投资建议的评级标准为:买入:相对沪深300指数涨幅20%以上;强于大市:相对沪深300指数涨幅10%以上;中性:相对沪深300指数涨幅介于-10%~10%之间;弱于大市:相对沪深300指数跌幅10%以上。

增持:相对沪深300指数涨幅介于10%~20%之间;中性:相对沪深300指数涨幅介于-10%~10%之间;卖出:相对沪深300指数跌幅10%以上。

本报告署名分析师慎重声明:本人以勤勉的职业态度,独立、客观地出具本报告,保证报告所采用的数据和信息均来自公开合规渠道,报告的分析逻辑基于本人职业理解,报告清晰准确地反映了本人的研究观点,结论不受任何第三方的授意或影响。

本人薪酬的任何部分不曾有,不与,也将不会与本报告中的具体推荐意见或观点直接或间接相关。

证券研究报告对研究对象的评价是本人通过财务分析预测、数量化方法、行业比较分析、估值分析等方式所得出的结论,但使用以上信息和分析方法存在局限性。

特此声明。

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