三安光电研究报告：向化合物半导体的星辰大海前行

　　三安光电是我国化合物半导体领先企业,多年深耕光电领域化合物半导体的研发与制造，公司在发展的起步阶段主要专注于全色系超高亮度 LED 外延片、芯片与车灯的研发与 生产;以 2014 年为起点，三安光电延续其Ⅲ-Ⅴ族化合物半导体领域的生产经验，逐步布局化合物半导体制造业的晶圆代工服务，将业务范围从 LED 芯片拓展至通讯射频、 光通信与电力电子等四大领域。通过设立厦门三安集成，公司新建砷化镓(GaAs)和氮 化镓(GaN)外延片生产线、以及适用于专业通讯微电子器件市场的砷化镓高速半导体芯 片与氮化镓高功率半导体芯片生产线，并以三安集成为化合物半导体技术、产品培育与 孵化基地，逐步向滤波器、碳化硅、硅基氮化镓等领域持续扩张。

　　三安光电的化合物半导体全体系建设，将分享 5G 新能源时代下全球性机遇。三安光电 控股子公司厦门三安集成是国内化合物半导体龙头企业，工艺能力涵盖微波射频、电力 电子、光通讯和滤波器四个领域的产品，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。该公司于 2015 年 3 月开启通讯微电子项 目(一期)，建设了 GaAs 和 GaN 芯片 6 英寸线各一条，总投资额达 30 亿元。其 GaAs 制程包括 HBT 和 pHEMT 等，HBT 主要用于手机、Wi-Fi 等，pHEMT 主要用于卫星通 信、雷达等特种应用领域，总规划产能砷化镓高速半导体 30 万片/年、氮化镓高功率半 导体 6 万片/年。截至 2021H，在微波射频领域，三安集成已推出具有国际竞争力的 GaAsHBT、pHEMT 等面向射频应用的先进制程工艺，已建成专业化、规模化的 4 吋、 6 吋化合物晶圆制造产线。在电力电子领域，现已推出高可靠性，高功率密度的 SiC 功 率二极管及硅基氮化镓功率器件。在光通讯领域，已具备生产 DFB、VCSEL、PDAPD 等数通产品的能力，并面向 3Dsensing，红外 LiDAR 等消费应用领域开发出高功率可 见波段、红外波段 VCSEL，及端面发光激光器(EEL)等应用产品。

　　射频领域：基站 PA 移动终端 PA 滤波器

　　信息时代连接为王，高频 高速需求奠定射频增长基础

　　5G 趋势下射频需求提升，射频前端价值量随着通信制式升级而提升。5G 趋势下，高传 输速率、高稳定性、低延时、多设备兼容的应用场景逐渐普及，进而对电子元器件提出 了高频、高速、低功耗、低延时等更高要求。在无线通信领域，射频前端模块的核心器 件包括功率放大器(PA)、低噪声放大器(LNA)、滤波器、射频开关，移动终端每增加 一个频段，需要增加 1 个双工器，2 个滤波器，1 个功率放大器和 1 个天线开关。从手 机终端单机价值量来看，2G 时代射频前端价值量约 3 美元，4G 时代达到 18 美元，到 5G 时代将增长至 25 美元，增幅近 40%。

　　5G 手机 WiFi 6 渗透率高速增长，射频芯片成长空间广阔。据 TrendForce 预测，2020 年全球手机出货量约为 12.57 亿台，其中 5G 手机约 2.39 亿台，渗透率达 19%。据工信部统计，我国 5G 手机 2022 年 1 月渗透率已达 81.33%，远超全球平均水平。而除了 5G 手机以外，以 WiFi 6 为代表的 IoT 射频技术也在快速渗透，未来射频芯片的市场空 间仍十分广阔。

　　除了终端设备外，5G 基站也在保持快速渗透，带动射频芯片价值提升。4G 基站设备由 BBU(基带单元)和 RRU(射频拉远单元)组成，RRU 通常会拉远至接近天线的地方， RRU 与天线之间通过馈线连接。5G 基站设备将 BBU 分割为 CU(中央单元)和 DU(分 布式单元)，并通过光纤与 AAU(有源天线单元)连接。5G 基站天线采用 Massive MIMO 技术，天线和 RRU 合设，组成 AAU。MassiveMIMO 天线一般为 64T64R，则单个宏 基站天线数量为 192 个，放大器数量为 192 个。5G 基站之于 4G 基站的主要变化有：

　　天线：1)产品形态变化，基站天线 RRU(4G 时代)--→AAU(5G 时代);2)高频特性 3.5GHz/5GHz，覆盖面积小，带动天线数量提升;3)MassiveMIMO 技术变化，基站天线(4T4R)--→AAU(64T64R)，单天线价值量提升;

　　滤波器：1)轻量化、小型化、有源化，金属腔体滤波器--→陶瓷介质滤波器;2)MassiveMIMO 多通道，每个通道需要滤波器，单个基站的滤波器数量增多。

　　同时，5G 基站数量相较 4G 大幅提升。2~4G 均是低频段信号传输，宏基站几乎能覆盖 所有的信号传输，但由于 5G 主要是中高频段，宏基站能覆盖的信号范围十分有限，因此为了保障信号的覆盖程度，5G 基站的部署密度相较于 4G 基站将会有所增加，同时还通过小基站模式增强信号覆盖能力。根据工信部数据，截至 2020 年 10 月我国共建 成 5G 基站超 70 万座，前瞻产业研究院预计 2022 年底我国 5G 基站数可能达到 110 万 个，实现全国所有地级市室外的 5G 连续覆盖、县城及乡镇重点覆盖、重点场景室内覆 盖。此外，5G 频段的特性也促使基站建设向多频段、高密度、异用途迁移。如 2~4G 均 是低频段信号传输，宏基站几乎能覆盖所有的信号传输，但由于 5G 主要是中高频段， 宏基站能覆盖的信号范围十分有限，因此为了保障信号的覆盖程度，5G 基站的部署密 度相较于 4G 基站将会有所增加，同时还通过小基站模式增强信号覆盖能力。

　　信息时代连接为王，高频 高速需求奠定射频增长基础，信息技术的持续演进为射频芯 片带来了强大的增长动力，Yole 预测到 2025 年全球射频芯片规模将达 258 亿美元， 2018 年至 2025 年间复合增长率达 8.06%。其中 PA、滤波器在 2025 年市场规模将达 104、51 亿美元。此外，基站耗电量增加，对电源 IC 等器件需求也会增强。

　　5G 趋势下，射频元件的接收到发送基本上皆属于高频讯号，因此从有线到无线网路的 射频元件应用，主要都采用化合物半导体元件。高频、高速、高功率趋势成为化合物半 导体成长的沃土。5G 技术要覆盖毫米波频段，同时将可用通信频率提升至 6GHz300GHz 区间，由此拓宽低延时、高传输速度、多接入终端的运用场景，进而对器件提 出了高速、瞬时带宽、低功耗、高频及低时延等方面的要求，以便最大限度地提高电子 元器件的内在性能。而以 GaAs、GaN 为代表的化合物半导体元件具有优异的高频特性， 顺应宽频无线通讯及光通讯的爆炸性需求，能广泛运用在基站、移动射频、光通信器件 中，受益于 5G 替代的趋势，化合物半导体未來射频领域市场空间可期，因此下文我们 主要分析射频领域内化合物半导体的成长动力以及三安光电的发展机遇。

　　砷化镓：高频率 低功率，移动终端射频理想材料

　　化合物半导体中，GaAs、GaN、SiC 应用领域不同，砷化镓(GaAs)属于Ⅲ-Ⅴ族化合 物半导体，是目前技术最为成熟、生产量最大的化合物半导体。相比起传统半导体材料 硅，GaAs 具有高电子迁移率(为 Si 的 5~6 倍)、宽禁带、高工作温度、光电特性好 (可作发光与激光器件)、抗辐射、耐热、不易产生错误信号等优势。GaAs 是当前射频 领域中应用最广泛的材料，被广泛应用在射频、无线通信以及特种应用上。GaAs 应用 的工作频率主要在 8G Hz 以内，适合中低功率器件，例如微基站和手机射频材料。

　　砷化镓工艺像传统的 Si 半导体发展出 BJT、CMOS、BiCMOS 工艺一样,GaAs 半导体 也发展出了多种不同工艺，如 HEMT、pHEMT、BiHEMT、HBT 等。目前砷化镓制程技 术主流为 HBT、pHEMT 两大主轴，HEMT 尤其适合低噪声和高线性的场合，HBT 主要 用于 VCO 和手机 PA;BiHEMT 是 HEMT 和 HBT 的结合产物。

　　HBT(异质接面双极性晶体管)：主要用于手机 PA、Wifi PA、VCO。因物理特性具备高线性度、良好宽频相应、高崩溃电压、高增益、高效率、较低寄生效应、无 需负偏压设计、低相位杂讯等优点，致使其功能显现具有功率放大倍率佳、待机耗 电流较低、体积小等特色，目前 HBT 已成为市场上手机及 Wifi 用 PA 的主流技术。

　　pHMET(异质接面高电子迁移率晶体管)：主要用于 LNA、RF Switch。pHEMT 是对 HEMT(高电子迁移率晶体管)的一种改进结构。pHEMT 具有双异质结的结 构,这不仅提高了器件阈值电压的温度稳定性,而且也改善了器件的输出伏安特性, 使得器件具有更大的输出电阻、更高的跨导、更大的电流处理能力以及更高的工作 频率、更低的噪声等，这些优势使 pHEMT 在高功率基地台、LNA、RF Switch 上 占据重要地位。pHEMT 因为砷化铟镓(InGaAs)的加入，特别适用于 RF Switch 的应用，未来在 WLAN、WLL，以及光纤通讯、卫星通讯、点对点微波通讯、卫星 直播、有线电视、数位电视应用、Automobile Radar 及汽车防撞系统等应用，都 有较大的成长空间。

　　以射频功放为例，射频功率放大器的主要技术指标就是输出功率、线性度与效率。GaAs 工艺能为 PA 提供最佳的应用性能，是 PA 的主流工艺，其中 HBT 占据了主流的应用地 位。此外，WiFi 连接模组也推动了基于 GaAs、SiGe 工艺的 PA 进一步发展与应用。

　　国产射频设计厂商兴起，代工模式带来新机遇。砷化镓产业链上游主要包括原材料、 GaAs 衬**造;中游主要包括外延片、IC 设计、晶圆代工以及封装测试;下游为终端 产品的应用。目前，射频器件市场 IDM 厂商占据主要份额，同时在国内射频设计厂商兴 起的带动下，砷化镓代工厂占比逐渐攀升。过去砷化镓射频市场较小，IDM 占据了主要 市场，而近几年砷化镓元件市场中，由于代工厂较具成本优势，加上 IDM 公司对于产能 扩充的投资倾向于保守，持续释出更大比率的订单给代工厂，如 Skyworks、Qorvo、 Broadcom 等 IDM 厂商都将部分 PA 外包给代工厂，对晶圆制造代工厂而言，提供了较 好的营运扩展机会;与此同时，我国射频设计厂商持续发展，如海思、唯捷创新、飞骧 科技、紫光展锐等优秀企业崭露头角，大幅增加了对代工厂的产能需求，预计砷化镓市 场中未来代工厂的比例会逐渐攀升。

　　据 Strategy Analytics 统计，2020 年全球砷化镓射频器件市场(含 IDM 厂商)总产值约 为 91.61 亿美元，较 2019 年的 85.44 亿美元成长 6.4%;2020 年砷化镓射频器件主要 由美国 IDM 厂商 Skyworks、Qorvo 占据，但是中国台湾地区的砷化镓晶圆代工领域龙 头——稳懋，从 2019 年市占率 7.9%排名第四，到 2020 年市占率 9.1%排名第三，实 现了对 IDM 厂商 Broadcom(8.9%)的超越，反映出代工厂在整个砷化镓射频器件市 场中的占比不断提高。2020 年砷化镓代工市场规模为 10.57 亿美元，较 2019 的 8.81 亿美元成长 20%，其中稳懋 2020 年市占率为 79.2%，持续保持全球第一大砷化镓晶圆 代工半导体厂商的地位。

　　一方面是 5G 换机潮和国产厂商兴起带来的时代机遇，另一方面由于晶圆代工与上下游 客户联系紧密，漫长的客户认证将考验公司核心竞争力。砷化镓代工厂龙头与客户深度绑定，稳懋第一大客户为 Broadcom，该公司曾以 1.85 亿美元入股稳懋，深度绑定二者 的合作关系，Skyworks、Qorvo 等 IDM 厂商也是稳懋的重要客户;宏捷科 2020 年的第 一大客户占公司收入亦超 50%。不论是消费电子市场对于基础器件的要求愈发严苛，还 是下游客户对于产品质量的认证难度升级，未来的射频器件、光电器件的要求需要考虑 体积、能耗、成本等多种指标，发挥晶圆代工厂商的领先技术优势以满足客户产品需求才能真正与 IDM 厂商抗衡。此外，从近期全球主要的 IDM 厂已逐步释出砷化镓晶圆代 工订单来看，我们认为未来代工模式相比起 IDM 模式，将具有更高的成长空间，对于中 国市场来说，晶圆厂与纯 IC 设计厂商需要紧密配合，来应对全球竞争的挑战。

　　而从 GaAs 的应用来看，射频、LED、激光器为主要应用领域，三安光电多年深耕化合 物材料工艺，从 LED、激光器到射频器件均具备深厚经验。三安集成砷化镓射频 2021H1 扩产设备已逐步到位，产能达到 8,000 片/月，出货产品全面覆盖 2G-5G 手机 PA、WIFI 等应用领域，国内外客户累计近 100 家，已成为国内领先射频设计公司的主力供应商。 随着后续扩产设备的逐步到位，产能不断提升，加上产品技术工艺不断成熟，高阶工艺 导入及客户新流片增加，客户粘性将不断加强。

　　三安集成在砷化镓射频芯片制造工艺领域持续投入，不断提高工艺水平，第三代 HBT 工 艺可以应用于 HPUE/APT PA，提供了更高的功率密度以及 PAE 水平，支持客户在高频 段消费类通讯的应用需求。另外，0.1/0.15/0.25um pHEMT 工艺均已实现量产，可以为 客户提供世界一流的生产能力和性能水平。三安集成基于砷化镓 HBT 及 p-HEMT 技术 平台，采用自主开发的专利制程工艺，实现了 n77-79 全 5G 频段覆盖的收发性能，完 整满足 Sub-6GHz 任意 5G NR 应用;自主研发的 HBT 制程工艺，成功达到 TDD Power Class 2 PA 的性能。2021H，公司砷化镓射频产品出货客户累计近 100 家，客户地区涵 盖国内外，并成功成为国内知名射频设计公司的主力供应商。

　　公司产能急起直追，与龙头之间差距不断缩小。截至 2021H 三安集成产能暂时未及稳 懋(2020 年数据)、宏捷科(2021 年 11 月数据)等砷化镓代工厂水平，但随着公司产 线设备安装调试进度的加快，预计三安集成未来产能将持续扩张，不断缩小与砷化镓元 件代工厂龙头之间的差距。

　　碳化硅基氮化镓：大功率射频器件的基石

　　氮化镓(GaN)是第三代半导体中的重要组成，以氮化镓材料为基础的微波射频器件近 年来得到蓬勃发展，与以硅(Si)为代表的第一代半导体材料和以砷化镓(GaAs)为代 表的第二代半导体材料相比，第三代半导体 GaN 微波射频器件具有高输出功率、高效 率、高频率、大宽带和可高温环境工作的优良特性，适用于半导体照明、高压、高频、 大功率领域，是迄今为止的最为理想的微波功率器件。碳化硅基氮化镓是指基于 SiC 异 质衬底外延材料制备的 GaN，其外延生长技术相对成熟，材料缺陷和位错密度小，方块 电阻、迁移率等电学参数最好，且 SiC 衬底导热性好，适合应用于高温、高频的领域， 因此在大功率输出的雷达、卫星、5G 基站具有广阔的应用前景，SiC 基 GaN 微波射频 器件成为目前市场主流。

　　碳化硅基氮化镓主要的应用市场是无线通信和特种领域。国防军事与航天应用是我国 GaN微波射频器件的主要应用领域，2020年市场规模占整个GaN射频器件市场的53%; 其次是无线基础设施，下游市场占比为 36%。在不同材料微波射频器件的应用范围对比 中，碳化硅基氮化镓最适合应用在大功率、高频率的微波器件上，多用于军用雷达、智 能武器和通信系统方面，目前已逐渐向 5G 移动通讯基站等民用领域拓展，在低频段 3- 6GHz 和毫米波频段发挥作用，已成为基站功放器的重要新材料。

　　5G 带来碳化硅基氮化镓市场快速成长。GaN 因其小体积、大功率的特性，以及 SiC 的 高导热率和低 RF loss，碳化硅基氮化镓的禁带速度、电子饱和迁移速度、击穿场强和 工作温度远远大于 Si 和 GaAs，通常应用与雷达和功率较大的宏基站，目前已逐步应用 在基站 PA 芯片上。受益于 5G 基站快速渗透、GaN 射频器件市场规模的快速增长。并 且 GaN 射频器件主要在 SiC 衬底上制作，碳化硅基氮化镓获得了极大的成长价值，是 未来大功率射频通信的核心技术之一。据 CASAResearch 统计，2020 年国内 GaN 微 波射频器件市场规模为 66.1 亿元，较上年同比增 57.2%。5G 基站建设是影响 GaN 微 波射频器件市场规模变化的主要因素，预计 2022 年我国 5G 基站建设将达到高峰，带 动国内 GaN 微波射频器件市场规模迅速扩张，其后自 2023 年开始，毫米波基站将有望 开始大规模部署，成为拉动市场的主要力量，带动国内 GaN 微波射频器件市场规模成 倍数增长。

　　我国 5G 通信产业正得到各级政府的重点扶持和移动通信商的应用牵引，2020 年将是 民用 GaN 射频器件快速发展的关键元年。2020-2024 年 5G 宏基站 GaN 产品以大功率 SiC 基 GaN 器件与模块为主。随着低成本大尺寸 Si-on-GaN 晶圆工艺逐渐成熟，低功 率 Si-on-GaN 及其多功能化 MMICs(单片、3D 异构)在小功率 5G 微基站应用中将成 为重要的功放半导体产品系列。面向 5G 移动终端应用的低压 GaN 功放将是潜在的新 产品方向。

　　碳化硅基氮化镓迎来特种装备黄金发展时机。在特种领域、卫星领域，GaN 器件已经代 替了大部分 GaAs 和部分 Si LDMOS 及行波管，占据了大部分市场份额。国防市场上的 有源电扫阵列(AESA)多年来依靠碳化硅基氮化镓来提升系统的性能和可靠性，许多 新技术得益于碳化硅基氮化镓的功率，例如在更高温的沟道温度下增强的射频可靠性、 频率可用性和延长的产品寿命。随着电子战和通信系统频率和带宽的增加，碳化硅基氮 化镓真正的优势将大放异彩。

　　国产化打造 GaN 增长机遇。随着国内第三代半导体产业向着“成长期”过渡，第三代 半导体器件开始应用于新能源汽车、光伏、5G 基站等，国内主流企业在产业、产品、 市场等领域的布局逐渐落地，而国际经济贸易形势的变化也大幅加速了半导体国产化的 进程，通信设备、特种装备是其中替代需求较强的领域。GaN 产业链按环节分为 Si 衬 底(或 GaN 单晶衬底、SiC、蓝宝石)、GaN 材料外延、器件设计、器件制造、封测以及 应用。各个环节国内均有企业涉足，如在射频领域，SiC 衬底生产商有天科合达、山东天岳等，GaN 衬底有维微科技、科恒晶体、镓铝光电等公司。外延片涉足企业有晶湛半 导体、聚能晶源、英诺赛科等。

　　三安光电是国内少数具备碳化硅基氮化镓大规模产线的企业，已建成国内第一台 6 英寸 氮化镓外延芯片产线并投入量产，并打造了国内第一个商用化和半导体晶圆代工制造平 台。从整体上来看，三安光电是我国领先的批量制造氮化镓外延和芯片的企业，具有明 显的行业稀缺性。此外，中电科 55 所、能讯半导体等企业也纷纷布局碳化硅基氮化镓 领域。

　　滤波器：射频器件王冠上的明珠

　　声表面波滤波器是射频前端中的重要芯片，而射频前端是实现信号无线连接的关键模块。 移动终端类产品的无线通讯系统主要由天线、射频前端模块、射频收发模块、基带信号 处理器等四部分组成。射频前端能够实现不同频率的信号在天线和射频收发模块之间发 射和接收。射频前端包括射频开关(Switch)、低噪声放大器(LNA, Low Noise Amplifier)、 功率放大器(PA, Power Amplifier) 、滤波器(Filter)和双工器(Duplexer)等芯片。 声学滤波器主要分为声表面波滤波器(SAW Filter)和体声波滤波器(BAW Filter)。

　　目前市场上声表面波滤波器主要包括 SAW、TC-SAW，适用频率范围较广;体声波滤波 器主要包括 BAW、FBAR，适用于较高的工作频率。根据 Resonant 数据，目前 SAW、 TC-SAW 等声表面波滤波器占声学滤波器 70%以上的市场份额。

　　三安集成持续投入声表面波滤波器产品的研发、生产和销售。整合从压电材料晶圆、表 面波谐振器结构以及可靠封装等专业和科学领域的研究经验，我们可以提供无线通讯系 统射频前端应用的单频段及多频段的滤波器、双工器产品。三安集成持续扩大 SAW 滤 波器产品的选型库，其频率范围涵盖 600 到 2690MHz，通带带宽范围可达 15到 194MHz。 相关应用包括但不限于蜂窝系统频段，非授权频段以及其他无线射频前端应用。在芯片 级、晶圆级等封装技术加持下，三安集成致力于持续供应高可靠性与高性能的 SAW 滤 波器市场。

　　2021H，三安集成滤波器 SAW 和 TC-SAW 产品已开拓客户 41 家，其中 17 家为国内 手机和通信模块主要客户，产品已成功导入手机模块产业供应链。公司开发的自主知识 产权温度补偿型滤波器，产品已经与国际厂商的同类产品性能相当，高品质、高性能的 产品能快速导入客户端，截至 2021H 已有多家手机终端厂商与公司接洽，随着手机终 端厂商的直接导入以及公司产能的提升，未来在该领域的市场份额将进一步提升。

　　电力电子领域：能源革命打造新十年航道

　　根据 IHS Markit 预测，2018 年全球功率器件市场规模约为 391 亿美元，预计至 2021 年市场规模将增长至 441 亿美元，2018~2021 年复合增速为 4.09%。目前国内功率半 导体产业链正在日趋完善，技术也正在取得突破。同时，中国也是全球最大的功率半导 体消费国，2018 年市场需求规模达到 138 亿美元，增速为 9.5%，占全球需求比例高达 35%。IHS Markit 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 亿美元，2018~2021 年复合增速达 4.83%。

　　随着器件的小型化与对效率要求提升，采用化合物半导体制成的电力电子器件可覆盖大 功率、高频与全控型领域，是功率半导体的重要材料。

　　硅基氮化镓：高频率低损耗的升级方向

　　GaN 相比传统的硅，可以在更小的器件空间内处理更大的电场，同时提供更快的开关速度。以常见的手机或笔记本电脑充电器为例，GaN 技术的低电阻和低电容特性，可以有 效提高能量转化效率。因此，更多的能量被传输到电池，使其能更快地充电。此外，更 快的切换速度，意味着储能无源元件可以大幅缩小(因为它们在每个切换周期中储存的 能量要少得多) ，充电器的体积和重量可大幅降低，并向电池提供更多电力。此外，GaN 比硅基半导体器件，可以在更高的温度下工作。在汽车行业，GaN 正成为新能源汽车领 域中，电源转换和电池充电的首选技术。基于 GaN 的功率产品，也越来越多地出现在 太阳能发电装置采用的逆变器中，以及电机驱动和其他工业电源转换的方案中。

　　1、目前，硅基氮化镓主要的应用市场为消费电子功率器件。由于硅基氮化镓同时具备 高频、耐压地特性，并且具有超低的反向恢复损耗等优点，可以实现更小体积、更高功 率和更高的转换效率，使得硅基氮化镓在 PD 快充等消费电子功率器件、新能源汽车的 功率半导体中具有极高的市场竞争力。

　　PD 快充市场爆发，主流手机厂商纷纷入局。2020 年有十家手机厂商推出了 18 款氮化 镓快充，包括小米、OPPO、三星等品牌已经将氮化镓快充作为手机标配。由于硅基氮 化镓具有高开关频率、高能量密度和高能量转换效率等特点，使得 GaN PD 快充产品拥 有更小体积和更高功率，对于消费者而言更易携带且充电效率更快。随着 GaN 技术迭 代更新，预计硅基氮化镓会成为未来主流快充技术。

　　GaN 快充应用市场广，迎来黄金发展时期。充电器厂商需求持续扩大，带动了 GaN 充 电器指数级增长，2021 年 GaN 器件预计达到 1.5 亿颗。GaN 快充技术应用领域也从最 开始的手机业务，逐渐拓展到 PC、PAD、新能源汽车等多领域，联想、LG 等品牌也推 出了基于 GaN 功率器件的高效大功率快充配件。GaN 快充市场迎来了黄金发展时期， 下游旺盛的需求使得国内外 PD 快充电力电子器件市场规模快速扩张。2019 年国内 PD 快充 GaN 电力电子器件市场规模为 0.32 亿元，预计 2025 年将达到 43.26 亿元，实现 高达 127%的年均复合增长率。2019 年全球 PD 快充 GaN 电力电子器件市场规模达 0.71 亿元，预计 2025 年可以达到 82.81 亿元，年复合增长率可达 121%。从上游晶圆 需求来看，2020 年国内 PD 快充市场 6 英寸 GaN 晶圆需求为 1.7 万片，到 2025 年可 以达到 67.4 万片;2020 年全球 PD 快充市场 6 英寸 GaN 晶圆需求为 3.7 万片，到 2025 年可以超过 120 万片。

　　虽然 PD 快充 GaN 电力电子器件进入了发展快车道，但是降低 Si-on-GaN 价格依然是 必要的。GaN 电力电子生产企业需加强研发投入，不断提高产品良率，降低生产成本。 目前国内企业产能可以满足国内 PD 快充市场未来需求，下一步是扩大 PD 快充全球市 场份额，推动 GaN 电力器件在小功率消费类电源、数据中心等工业电源以及新能源汽 车等领域的渗透。

　　2、新能源汽车的渗透带动功率半导体市场快速成长，硅基氮化镓器件迎来新增长点。新能源汽车市场保持高度景气，2021 年我国新能源汽车销量 350.7 万辆，同比增长165.1%。相比于传统机车，新能源汽车使用更多的功率半导体器件、即电力电子器件来 实现对大电流、大电压的调控，使用到的功率半导体器件包括车载充电系统(OBC)、 电源转换系统(车载 DC/DC)等。例如，纯电动汽车相对于传统汽车而言，功率半导体 占汽车半导体总成本比重约为 55%，远超于传统能源汽车的 21%。随着新能源销售量 逐月攀升，功率半导体迎来迅猛的发展。中国是世界上最大的功率半导体消费国，2018 年中国功率半导体市场规模为 138 亿美元，占全球需求比例 35%。2021 年中国市场有 望达到 159 亿美元，2018-2021 年复合增长率为 4.83%，高于全球 4.09%的复合增长 率。

　　国外多家企业开始推动 GaN 在新能源汽车领域的应用。Nexperia、Transphorm 和 GaN Systems 均推出了自己的车规级 GaN HEMT 商业化产品，丰田则布局汽车全氮化硅电 控系统，不仅与日本名古屋大学研发团队合作开发“全氮化镓汽车”，还与宝马合作 GaN Systems 公司，推动氮化镓用于电动汽车。GaN 在提高新能源汽车性能方面有着明显 的优势，相比较于 Si 技术，GaN 芯片降低了电压和电流交叉损耗，功率密度最高增加 40%，并降低了系统重量和成本。例如，丰田打造的全氮化镓汽车中通过 GaN 技术， 将牵引逆变器效率提高了 20%，提升了电动汽车一次充电的续航里程，同时将 DC-DC 变换器尺寸减小了 75%，将车载充电器(OBC)尺寸减小至原来的 1/5，充电效率增加 到 98%。虽然 GaN 车用技术仍处于早期发展阶段，但考虑到成本优势和性能优势，这 一块市场受到一致看好。国内 GaN 功率半导体研发和应用起步相对晚，尚未在新能源 汽车领域取得实质进展。

　　其他应用领域中硅基氮化镓器件同样大有可为。应用于受成本驱动较大以及对输出功率 要求相对较低的领域，如无线回传以及小基站、射频能量(如微波炉加热功能)、有线电视(CATV)、卫星通信系统(VSAT)等领域。随着 5G 通信技术的发展，硅基氮化镓器 件因其兼容主流 6-8 英寸 CMOS 工艺平台，并具备低成本、可量产这些优势，有望成 为面向 5G 微基站小功率应用的首选微波功率器件技术。

　　随着硅基氮化镓的大尺寸外延材料制备技术和制造工艺不断成熟，其成本优势进一步得到显现。预计在未来几年，低成本、高性价比的硅基氮化镓技术更适合于 5G 通信系统 的基站，以及 5G 基站数目不断增加，硅基氮化镓器件的市场份额将得到提高。同时， 面向终端的硅基氮化镓射频技术将在 3 年后成熟，届时硅基氮化镓器件性能将超过目前 的 GaAs 器件，成本将与 Si LDMOS 持平。3-5 年后，大量的移动终端开始使用硅基氮 化镓射频技术，硅基氮化镓射频器件的市场份额和销售量将大幅上升，并超过碳化硅基 氮化镓射频器件。

　　当前硅基氮化镓企业主要以 GaNSystem 等设计和器件集成为主，三安光电前瞻性布局 Si-on-GaN 代工能力，拥有完整的硅基氮化镓代工能力。早在 2019 年公司便将自己的 150mn 硅基氮化镓代工服务推向市场，服务于高压 AC/DC 和 DC/AC 电力电子领域。 与此同时英诺赛科、ST、Infineon 等国内外企业也积极布局 Si-on-GaN，市场群雄逐鹿。

　　碳化硅：高电压场景的理想材料

　　硅基器件逼近物理极限，化合物半导体前景广阔。目前绝大多数的半导体器件和集成电 路都是由硅制作的，出色的性能和成本优势让硅在集成电路等领域占有绝对的优势，无 论是在电力电子领域还是通信射频等领域，硅基器件在低压、低频、中功率等场景，应 用也非常广泛。但在一些高功率、高压、高频、高温等应用领域如新能源和 5G 通信等， 硅基器件的表现逐渐达不到理想的要求，以三五族为代表的化合物半导体以其性能优势 在通讯射频、光通信、电力电子等领域逐步大规模民用化。

　　SiC在功率应用上具备多种优势。SiC 绝缘击穿场强是硅的 10 倍(意味着外延层厚底 是硅的 1/10)，带隙、导热系数约为硅的 3 倍，同时在器件制作时可以在较宽范围内控 制必要的 p 型、n 型，能够在高温、高压等工作环境下工作，同时能源转换效率更高， 所以被认为是一种超越 Si 极限的功率器件材料，在新能源领域中具有相比 Si 器件更好 的表现。

　　新能源车带动功率半导体市场需求快速扩容，SiC 功率器件或迎替代机遇。SiC 材料拥 有宽禁带、高击穿电场、高热导率、高电子迁移率以及抗辐射等特性，SiC 基的 SBD 以 及 MOSFET 更适合在高频、高温、高压、高功率以及强辐射的环境中工作。在功率等 级相同的条件下，采用 SiC 器件可将电驱、电控等体积缩小化，满足功率密度更高、设 计更紧凑的需求，同时也能使电动车续航里程更长。据天科合达招股说明书，美国特斯 拉公司的 Model3 车型便采用了以 24 个 SiCMOSFET 为功率模块的逆变器，是第一家 在主逆变器中集成全 SiC 功率器件的汽车厂商;目前全球已有超过 20 家汽车厂商在车 载充电系统中使用 SiC 功率器件;此外，SiC 器件应用于新能源汽车充电桩，可以减小 充电桩体积，提高充电速度。

　　新能源车 800V 平台逐步落地，SiC 高电压场景优势凸显。对于电动汽车来说，续航和 充电是需要重点关注的两个点，近几年电动汽车的续航已经有很大提升，从原来的 200km 左右到现在最大超过 700km，而如何提升充电效率成了当前需要解决的难题。 过去大部分车型的动力电池系统额定电压都是 400V，当前越来越多的厂商推出 800V 高电压平台，因为相比之下，800V 电压能够使汽车充电效率有较大提升，最早在 2019 保时捷实现了 800V 高电压量产，之后吉利、比亚迪、通用、小鹏都推出了 800V 高电 压平台。而对于 800V 及以上高电压平台，电机逆变器是关键，在 400V 平台中基本采用硅基 IGBT，在 800V 平台中车企普遍采用 SiC MOSFET，相较于前者，SiC MOSFET 可以使整体系统效率进一步提高，而且尺寸和重量也大幅缩小。

　　未来光伏发电将会是全球新能源发展的主要方向，新增装机量持续提升，而逆变器是光 伏不可或缺的重要组成部分，是光伏发电能否有效、快速渗透的关键之一。高效、高功 率密度、高可靠和低成本是光伏逆变器的未来发展趋势，采用 SiC MOSFET 能够缩小 系统体积、增加功率密度、延长器件使用寿命、降低生产成本。SiC 功率器件，为实现 光伏逆变器的“高转换效率”和“低能耗”提供了所需的低反向恢复和快速开关特性， 对提升光伏逆变器功率密度、进一步降低度电成本至关重要。在组串式和集中式光伏逆 变器中，SiC 产品预计会逐渐替代硅基器件。

　　此外，储能、充电桩、轨道交通、智能电网等也将大规模应用功率器件。整体而言，随 着器件的小型化与对效率要求提升，采用化合物半导体制成的电力电子器件可覆盖大功 率、高频与全控型领域，其中 SiC 的出现符合未来能源效率提升的趋势。以 SiC 制成的 电力电子器件，工作频率、效率及耐温的提升使得功率转换(即整流或者逆变)模块中 对电容电感等被动元件以及散热片的要求大大降低，将优化整个工作模块。未来，在 PFC 电源、光伏、纯电动及混合动力汽车、不间断电源(UPS)、电机驱动器、风能发电以及 铁路运输等领域，功率半导体尤其是 SiC 功率器件的应用面会不断铺开。

　　三安光电已积累深厚电力电子产品技术与产能，未来有望接续释放成长动能。电力电子 产品主要为高功率密度碳化硅二极管、MOSFET 及硅基氮化镓产品。碳化硅二极管 2021H 新开拓客户 518 家，出货客户超过 180 家，超过 60 种产品已进入量产阶段，在 服务器电源、通信电源、光伏逆变器、充电桩、车载充电机、家电等细分应用市场标杆 客户实现稳定供货，借助在欧美日韩等国家和地区的技术和销售布局，已与国际标杆客 户实现战略合作，海外市场已有所突破。碳化硅二极管已有 2 款产品通过车载认证并送 样行业标杆客户，处于小批量生产阶段。碳化硅 MOSFET 工业级产品已送样客户验证， 车规级产品正配合多家车企做流片设计及测试。在硅基氮化镓产品方面，2021H 完成约 60 家客户工程送样及系统验证，24 家进入量产阶段，产品性能优越。湖南三安长沙项 目已于 2021 年 6 月 23 日点火，该项目致力于全产业链的垂直整合，实现从原材料到 器件封装的全面把控，将在产品可靠性、一致性和交付期等方面具有更显著的竞争优势。

　　数据化时代光芯片有望高增，代工市场或将打开

　　在数据化时代，光电器件市场的成长主要来自于消费电子市场的扩宽与通信领域数据中 心的广泛建设。III-V 族化合物半导体材料具有直接跃迁能带结构，光电转换效率高，如 今已经在发展成熟的 LED、光通信产业得以运用。半导体激光器在各类激光器中拥有最 佳的能量转化效率，一方面可以作为光纤激光器、固体激光器等多种光泵浦激光器的核 心泵浦源使用，另一方面，随着半导体激光技术在功率、效率、亮度、寿命、多波长、 调制速率等方面的不断突破，半导体激光器被广泛直接应用于材料加工、医疗、光通信、 传感、国防等领域。根据 Laser Focus World 预计，2021 年全球二极管激光器即半导体 激光器与非二极管激光器的收入总额为 184.80 亿美元，其中半导体激光器占总收入的 43%。

　　三安集成光技术芯片覆盖激光光源和光探测器件，从 1.25G、10G 到 25G，从 850、 940 到 1310nm，三安集成提供多种速率、多种波长的激光光源和光探测芯片代工服务， 包括高功率 VCSEL、高速率 VCSEL、DFB、EEL，和光探测芯片 MPD、APD、PD、 SPD。

　　光技术在保持及扩大现有中低速 PD/MPD 产品的市场领先份额外，在附加值高的高端 产品如 10G APD/25G PD、以及 10G/25G VCSEL 和 DFB 发射端产品均已在行业重要 客户通过验证并进入实质性批量供货阶段。2021H PD 出货量稳步上升，量产客户 104 家;VCSEL 出货量快速增长，量产客户 55 家;DFB 发射端产品 2021H 持续放量，25G 1577 DFB 客户需求不断攀升，营收持续增长，2.5G 1310 DFB 开始供货，主要运用于 无缘光纤网络。随着 2021 年三、四季度扩产设备的陆续到厂，产能不断攀升，公司光 技术的营收能力将进一步增强。

　　投资分析

　　三安光电作为我国化合物半导体龙头，过去十年在我国 LED 行业中已证明自身强大的 技术基因、前瞻的战略决策和高效的经营管理能力，完整地经历了 LED 行业从爆发、 兴盛到行业竞争加剧、逐步实现格局出清等过程，面对过下游 LED 照明渗透率快速提 升的鼎盛时期，也面对过外部环境变化带来的挑战和机遇，最终以优胜者姿态林立于全 球 LED 核心企业之中。

　　在这个过程中，公司在 LED 业务本身化合物材料技术(如砷化镓、氮化镓、磷化铟、碳 化硅、蓝宝石等)的基础上前瞻布局化合物半导体大平台的建设，2014 年设立三安集 成开始向砷化镓、氮化镓射频产品迈步，并于 2016 年通过安芯基金收购 Norstel 切入 碳化硅衬底，随后逐步发展碳化硅、硅基氮化镓功率半导体业务，2017 年设立泉州三 安进一步扩大化合物半导体平台建设范围和增强整体投资力度，时至今日，三安光电已 成为我国横跨砷化镓、氮化镓、碳化硅、硅基氮化镓、滤波器、光通信多个方向的化合 物半导体平台型企业，朝向微波射频、电力电子、光通信领域大步前行。

　　本文基于三安光电核心布局的砷化镓、碳化硅基氮化镓、滤波器(射频系统)，碳化硅、 硅基氮化镓(功率系统)和光通信，对公司业务所在赛道和竞争情况作整体梳理和分析， 研判公司未来发展前景和业务进展。我们认为，仅考虑芯片/晶圆代工层面，公司各项业 务合计 2025 年空间广阔，若进一步考虑碳化硅衬底和碳化硅封装以及潜在的模组化能力，公司整体发展空间将进一步扩大。而跟踪公司各项业务进展均有序进行中，砷化镓 业务出货产品全面覆盖 2G-5G 手机 PA、WIFI 等应用领域，国内外客户累计近 100 家， 硅基氮化镓在主要通讯商的引领下已成为三安集成收入的重要支撑，滤波器也于近日公 告已进入国际核心品牌商供应商序列;碳化硅二极管 2021H 新开拓客户 518 家，出货 客户超过 180 家，超过 60 种产品已进入量产阶段，工业级 MOSFET 也已向客户送样， 据国家市场监督管理局反垄断局 2022 年 1 月公示的经营者集中简易案件显示，北京车 和家汽车科技有限公司(法定代表人为李想)与湖南三安半导体拟共同设立和经营一家 合资公司，未来有望共同开发碳化硅车规级器件;硅基氮化镓、光通信等业务也正蓬勃发展。

　　无论是从赛道空间、国产化替代趋势、国家大基金支持，还是公司的产品产能以及客户 资源、导入进展，我们认为，三安光电都是国内乃至全球化合物半导体大市场未来非常 重要的参与者，有望充分受益于我国社会电气化、智能化、国产化的大趋势，而技术投入、产能建设的资金和工艺壁垒都将苦尽甘来，为公司未来格局的持续向好打下坚实的 基础，化合物半导体龙头的投资价值将伴随经营业绩持续释放。

来源：未来智库