半导体行业，素有“一代材料、一代技术、一代产业”之说。一代是硅，第二代是砷化镓，而今天我们要研究的，是第三代半导体产业链。
氮化镓(GaN)和碳化硅(SiC)，被称为第三代半导体双雄，前者用来制造未来5G基站的核心芯片；后者是新能源汽车的重要元器件材料。
本文重点研究氮化镓（GaN），其产业链，上中下游分别是：
上游——主要包括设备和原材料（衬底制备），从事薄膜沉积的企业有中微公司、北方华创，从事衬底的企业包括天科合达和山东天岳等。
中游——为制造环节（外延片→设计→制造/IDM→封测），内地主要玩家有三安光电、海特高新等少数企业，海外龙头有日本住友商事（市占率40%）、Qorvo（市占率20%）、CREE（市占率24%），中国台湾有稳懋、寰宇。
下游——为应用环节，氮化镓GaN主要应用于射频、汽车电子和光电领域（半导体照明、光伏发电），代表厂商有华为海思、小米、苹果公司等。
图：产业链结构
来源：塔坚研究
看到这里，对于这条产业链，值得思考的问题随之而来：
一是，第三代半导体，当前渗透率只有1%，那么，未来渗透率提升的逻辑是什么？其究竟会不会替代硅，成为半导体材料的主流？
二是，这个赛道，未来的核心竞争力看什么？有哪些公司布局更为前瞻？
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（壹）
半导体材料，可分为单元素及化合物两类，单元素材料以一代半导体硅为代表；化合物半导体，由两种或多种元素化合而成、主要包括第二代半导体材料GaAs（砷化镓）、第三代半导体材料SiC（碳化硅）、GaN（氮化镓）。
目前，化合物半导体市场仍以第二代半导体砷化镓GaAs为主，第三代半导体氮化镓GaN的占比也极少。从收入结构来看：
图：收入结构
来源：塔坚研究
收入结构中，第二、三代半导体占比：稳懋＞（科锐）Cree＞三安光电＞海特高新。其中：
稳懋（中国台湾）——砷化镓、氮化镓业务合计占比98%以上，其中主要为砷化镓的代工，砷化镓于2016年开始小批量出货，占比较小（年报中仅披露已经带来收入）。
科锐（Cree，美国上市）——通过收购Wolfspeed进入碳化硅基氮化镓(GaN-on-SiC)领域，该业务占收入比重52%。
三安光电——由子公司三安集成承担，2015年募集资金投建30万片/年6寸的GaAs产线和6万片/年6寸的GaN产线，2017年开始带来营收，2020年上半年半导体材料占收入比重11%，主要为砷化镓，第三代半导体处于客户认证阶段。
海特高新——由子公司海特高新承担，主要从事第二代、第三代半导体占收入比重12%。注意，GaN已经实现向客户批量供货，具体贡献收入数据未披露。
除了以上几家实现收入的公司外，布局GaN的公司但未实现收入的还有两类企业：
一类是：从事硅基生产的IDM/代工厂。包括闻泰科技、华润微等；由于硅基芯片和第三代半导体芯片制造工艺类似，存在技术互通性。
第二类：LED企业。包括士兰微、聚灿光电、华灿光电等。其原因在于，无论是第二代半导体GaAs还是第三代半导体GaN，其低端应用主要集中在LED光电子领域。
图：布局第三代半导体GAN企业
来源：塔坚研究
接下来，我们从2020年三季报数据，分别对比一下几大龙头的增长情况。
图：三季报业绩数据
来源：塔坚研究
稳懋——2020年前三季度实现营收186.85亿新台币，同比增长29.09%，净利润同比增长111.68%，稳懋为苹果iPhone主要供应链之一，提供手机内的射频元件（PA），还包含新导入iPhone 12 Pro Max的LiDAR零组件，受iphone 12机型销售火爆驱动，其产能满载。
科锐——2020年前三季度LED产品收入1.01亿美元，同比下降12%，由于以低于账面价值的价格出售所有LED业务资产，导致产生1.06亿元的商誉减值；此外，SiC和GaN材料收入同比下降9.55%，主要受华为订单影响。
三安光电——2020年前三季度实现营收59.00 亿元，同比增长10.65%，实现归母净利润9.38 亿元，同比-18.57%。传统LED芯片业务降幅收窄，砷化镓芯片产能爬坡，2020年上半年实现收入3.75亿元，同比增长680.48%。
海特高新——2020年前三季度实现营收7亿元，同比增长24.26%，净利润-0.33亿元，同比增长-202.08%。受卫生事件影响，其民航维修及培训业务收入大幅下滑。微电子业务（第二、三代半导体业务）快速增长，2020年H1实现营收0.6亿元，同比增长144.2%。
复盘完三季报业绩，我们再复盘一下，近几个季度的收入增长情况。
图：季度收入增速
来源：塔坚研究
由于上一轮小间距 LED 的需求驱动，中国大陆厂商 17 至 18 年集中扩产，18 年下半年后供过于求，大陆厂商利润率下降，以三安光电、科锐CREE为代表的LED企业增速都不高。
由于氮化镓占各企业收入比重非常低，因而，目前各家业绩受第三代半导体驱动力其实并不强。
（贰）
对比回报水平看，可以发现，投入回报表现较好的只有稳懋。
图：回报数据 （单位：%）
来源：塔坚研究
投资回报率低与行业特点有关，第二代半导体、第三代半导体研发投入周期长，甚至长达十年，前期由于工艺未成熟，良率较低，导致回报低。
以稳懋为例，其成立后连续亏损8年， 根据对其董事长陈进财的报道："2004年至2006年这3年期间，稳懋平均每年仍以亏损10亿元，期间几乎没有砷化镓公司是盈利。”3G、4G手机带动射频芯片兴起，拉动砷化镓大幅回升，稳懋2007年开始盈利。[1]
目前来看，第三代半导体氮化镓正处于萌芽期，根据稳懋2019年年报，稳懋十年前就预见，5G世代氮化镓元件将替代LDMOS，并做出提前布局，但经过7年，在2016年才开始出货。
因此，预计短期内刚开始布局第三代半导体的公司，回报提升的可能性较小。并且，只有在原主业有稳定现金流的支撑之下，才可能熬过三代半导体材料研发的较长亏损期。
回报低，从财务数据上主要体现在：低利润率、低资产周转率。我们来细看：
图：杜邦因素拆分 （单位：%、次）
来源：塔坚研究
资产周转率方面：半导体制造投入大，回报周期长。即使是资产周转率至高水平也在0.5-0.6左右（中国台积电、中国稳懋）；内地半导体制造企业包括中芯国际、华虹，其周转率在0.25左右。
由于资产周转率不高，以台积电、稳懋为代表的的制造企业，其产品主要集中于利润率高的领域，来提高回报水平：台积电专攻先进制程，稳懋主要生产射频芯片。
利润率方面：由于内地企业高端技术还未实现突破，产品还集中在较为低端的LED芯片领域，比如：三安光电、士兰微等，因此利润率水平较低，导致整体回报不高。
（叁）
半导体材料，是任何芯片的必须原材料，然而，需要注意的是，并不是所有类型的芯片，都受第二代、第三代半导体升级的驱动，当前，一代硅基半导体在整个半导体产业中的占比仍然在98%以上。
从半导体的具体赛道特征来看：
数字芯片，受摩尔定律驱动，依靠不断缩小制程实现技术升级，先进制程往往用于低功耗的应用场景， SiC和GaN，对先进制程影响不大，还会使成本升高，所以一直沿用一代半导体（Si）。因而，数字芯片基本不受三代半导体影响。
射频芯片、LED光电子芯片、IGBT等功率半导体，会用于高频、高压、高功耗领域，而硅基半导体不适合在高频、高功率领域使用，技术升级主要依靠新设计、新工艺和新材料的结合。
根据赛迪顾问，内地第三代半导体GaN下游中，光电子（主要为LED）、射频、电力电子（功率器件）为三大主要应用领域，应用占比分别为 70%，17%和 11%。
来源：东方证券
1）LED——
第三代半导体氮化镓（GaN）与第二代半导体砷化镓（GaAs）一样，下游应用较广的领域就是LED。砷化镓发红光，所以是制备红色 LED 的衬底材料，而氮化镓发蓝紫光，所以用来制备蓝绿光、深紫外光LED衬底材料。
正是因LED是其下游较早、较光的应用，因而我们能看到，在美国市场，以LED为主业的CREE，能够进化成为三代半导体龙头。同时，在内地，三安光电也是从LED领域脱胎而出，布局三代半导体。
从LED领域来看，过度补贴和MOCVD设备国产化两大因素，导致LED行业近几年出现明显的产能过剩，2019年行业首度出现负增长的情况。
根据 LEDinside 建立的LED芯片供需模型，蓝色阴影的部分表示未来预计的氮化镓（蓝绿光LED）外延需求量规模，预计到2023年约为目前的1.6倍。但是供给的部分，2019年总量上就已足以满足5年后的需求。因此行业总供需上的失衡长期来看仍会持续。
来源：LEDinside
根据LEDinside预测，LED 照明市场规模未来五年复合增速CAGR 为 6%。虽然氮化镓目前有70%用于LED，但很明显受行业整体所限，增长空间不大，未来的增长点，还是在射频、电子电力领域。
2）射频芯片——
对射频芯片领域，我们之前研究过卓胜微，详见科技版报告库。
当前射频功率放大器（PA）主要有三种工艺：GaAs、GaN和基于Si的LDMOS。GaAs 输出功率较低（一般低于 50W），主要应用于手机，GaN 和 LDMOS 输出功率较高，主要应用于基站。在 4G 基站建设中，LDMOS 器件是市场的主流。
4G的频率范围为1.88GHz-2.635GHz，而5G的Sub-6GHz频段和毫米波频段的频率分别可达到0.45GHz-6GHz和24.25GHz-52.6GHz。LDMOS的极限有效频率是3GHz以下，无法适应 5G 的高频率，而 GaN 适应的频率范围拓展了40Hz 甚至更高，适应了 5G 高频的需求。
图：5G频段分配方案
来源：一只不会飞的蝗虫博客
根据稳懋预测，到2025年，GaAs市场份额基本维持不变，GaN有望替代大部分LDMOS份额，占据射频器件市场50%左右的份额。基于此，我们假设：
1）射频芯片GaN市场规模=基站增速*GAN射频芯片渗透率增速;
2）参考之前研究覆铜板产业链（详见科技版报告库）的结论，2019年我国5G基站建设数量为13万个，预计至2022年新建5G基站数量为120万个，到达建设高峰，五年复合增速41%；
3）GaN渗透率五年内从30%增长至50%；复合增速9%；
图：GAN射频领域市场规模增速
来源：塔坚研究
基于以上假设，计算得到在射频芯片领域，GaN在远期将成为主流，市场规模增速达到53%，这个增速较快，主要因为新兴行业前期基数较低造成，2018年全球Gan射频芯片市场规模仅有2亿美元。
3）电子电力领域——
对功率半导体领域，我们之前研究过MOSFET和IGBT两大核心领域，详见科技版报告库，此处也不详细叙述。
GaN 基的MOSFET功率器件开关频率高、导通电阻小，这一特性使得其在消费电子适用于快充充电器。
2020年2月13号，小米发布GaN充电器Type-C 65W，该款充电器采用GaN充电芯片，充电功率为65W，充满小米10Pro仅需45分钟，普通智能手机充满需要2-3小时。此处可见性能之差距。
截至目前， vivo、OPPO、华为、三星等手机品牌在推出5G手机的同时，亦开发了各种功率不等的GaN快充技术。另外，根据天风证券苹果分析师郭明錤预测Apple将在2021年推出2或3款新的充电器。
参考我们在MOSFET产业链研报告中的预测结果：假设未来五年内GaN快充市场渗透率提升至30%，由此计算，市场规模复合增速为30%。
可见，电子电力、射频领域对GaN的需求，未来会明显高于LED领域，而从技术工艺上，高端应芯片用于射频，中端芯片应用于电子电力，而低端产品则应用于LED。那么，未来，第三代半导体的核心技术到底是什么？
（肆）
首先，我们来看整个产业链的流程，氮化硅和砷化镓产业链类似，主要分为晶圆衬底、外延、设计、制造、封装等环节，而衬底材料的成本是限制GAN商业化的主要因素。
图：GAN产业链
来源：雪球、云掌财经
从成本结构来看，45%来自原材料成本，25%来自折旧，8%来自人工。材料的工艺基数非常困难，生产一片第三代半导体衬底的成本，是一代半导体（硅片）的6-8倍。
GaN到目前全球渗透率仅有1%，其原因在于衬底材料工艺难度大、良率低，其难点在于增大晶圆尺寸的同时（目前尺寸仍停留在4英寸），提升电阻率、降低缺陷密度（微管、位错、层错）。
因此，第三代半导体产业链，是得材料者得天下。而三代半导体材料，主要是衬底和外延片两个环节。
衬底主要有碳化硅（SIC）、硅（SI）两种，碳化硅衬底质量更好，但需要在 2,000℃以上的高温环境中生长，且在生产中需要精确调控生长温度，生产工艺控制难度极大，容易产生杂质导致合格率极低。
目前，内地资本市场上暂没有上市公司生产第三代半导体衬底，仅有三安光电处于募投状态。非上市公司有山东天岳、天科合达，美国市场的公司有CREE、II-VI等公司。
对CREE、II-VI两家公司，感兴趣的朋友可以看看其在美国市场的市值走势。
衬底制造领域，核心技术参数包括：电阻率（越大越好）、直径（越大越好）、微管密度（越小越好）、翘曲度（越小越好）、总厚度变化（越小越好）。
几家龙头公司，我们将技术参数做个对比，如下：
图：衬底参数对比
来源：塔坚研究
对比下来，工艺参数上，Cree＞美国 II-VI＞山东天岳＞天科合达，三安光电还从募投来看，未来主要做4英寸。
那么，目前内地资本市场中，布局三代半导体材料的情况如何？
（伍）
当前几大玩家，主要布局的是外延片+器件制造。
外延片的制造，难在两方面，一方面，由于氮气是惰性气体，非常稳定，与镓反应时间长，速度慢，并且产生的副产物多，另一方面，氮化镓和衬底材料Si的晶格匹配度差，生长时会出现崩塌而导致良品率低。
考虑到目前市场还在导入期，各家产生的收入也较少，因此，我们需要重点研究各家的技术情况，我们重点对比两个方面：技术实力、研发投入。
技术实力方面，重点看两点：栅长、应用领域（频率）。
1）栅长，可以简单理解为，晶圆代工里的制程，即芯片制程越小，运算效率越快；而在第三代半导体领域，栅长越小、应用领域越高端。可以将制程划分为三个梯队：
龙头梯队：0.1-0.15微米——主要瞄准毫米波器件(频率达到100GHz)，应用于5G基站、军工、卫星雷达等。代表公司中，Qorvo>CREE>稳懋。
其中，美国Qorvo是行业龙头，已经发展到90纳米级别射频器件，频率达到30GHZ以上，是华为主要的GAN射频芯片供应商之一。
第二梯队：0.25-0.5微米——适用于频率在8GHz -18GHz的器件，主要应用与电子电力领域，包括快充、逆变器、电源开关等。代表公司有美国科锐CREE和我国台湾地区代工龙头稳懋，主要制程在0.15-0.25微米之间，频率达到15GHZ；
第三梯队：100-4微米——适用于LED、发光二极管领域，比如：mini LED（~100微米等级)、micro LED (<50微米等级)。
内地上市公司主要在这个环节：海威华芯（海特高新）、三安集成（三安光电）、苏州能讯（未上市）。
目前仅有苏州能讯披露并量产达到0.25-0.5微米，频率1.8-6GHZ，海威华芯未披露制程及频率，其快充氮化镓芯片已经实现供货，制程大概率在0.25-0.5微米左右。 三安光电的视频、快充氮化镓芯片已经通过客户可靠性验证。
图：制程对比
来源：塔坚研究
对比技术来看，Qorvo＞CREE＞稳懋＞苏州能讯＞海特高新＞三安光电。
2）应用领域，根据上文，GaN芯片主要由三个应用领域：射频芯片、电子电力（快充）、光电子（LED）。
技术难度由高至低依次是：射频＞电子电力＞LED；频率要求：射频（30GHZ）＞电子电力（6GHZ）＞光电子。
海外厂商CREE、Qorvo的技术布局比较全面，CREE作为射频芯片领域领头羊在1998年全球首发氮化镓pHEMT，具备一定技术积累。
国内方面，中国台湾地区的稳懋，于2019年研发出一代0.25微米的GaN HEMT，海威华芯具备氮化镓HBT生产能力；三安光电在第二代半导体GaAsS砷化镓实现了HEMT、HBT的技术储备，目前尚未在公开信息中披露是否有氮化镓方面的技术突破。
从应用领域来看，由高至低依次是：Cree≈Qorvo＞稳懋 ＞苏州能讯＞海威华芯＞三安光电。
从技术实力和应用领域的对比结果来看，目前，内地上市的主要玩家仍然还在较为早期的阶段，在产业链核心环节涉及较少，上市公司中，海特高新和三安光电有所布局，但如果放在全球范围来看，并不算龙头梯队。
接着，我们来看研发情况。
（陆）
研发方面，我们重点对比：研发投入、专利数量、专利布局、产业化进度。
1）研发支出
对比研发投入来看，研发投入占比较高的是海特高新、科锐（CREE）、Qorvo。其中：
图：研发支出及占比
来源塔坚研究
2）专利数量及专利布局
根据智慧芽专利数据库，从专利积累数量角度，Cree（6981）＞Qorvo（3279）＞稳懋（449）＞苏州能讯（226）＞海威华芯（214）＞三安集成（200）。
从多个维度分析的专利价值角度来看：Cree＞Qorvo＞稳懋＞苏州能讯＞海威华芯＞三安集成。
图：专利情况
来源：智慧芽专利数据库、塔坚研究
图：专利布局
来源：智慧芽数据库、塔坚研究
此外，我们再从技术积累角度，来对几家龙头做对比：
…………………………
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【参考资料】[1]半导体行业观察：中国台湾另一个台积电：稳懋的进击之路
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