天风证券：新材料GaN具优异特性应用器件崭露头角|新材料_新浪财经

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　　原标题 GaN：新材料具优异特性，应用器件崭露头角

　　回归到基本面的本源，从中长期维度上，扩张半导体行业成长的边界因子依然存在，下游应用端以5G/新能源汽车/云服务器为主线，具化到中国大陆地区，我们认为“国产替代”是当下时点的板块逻辑，“国产替代”下的“成长性”优于“周期性”考虑。

　　GaN是一种新型半导体材料，具有禁带宽度大、热导率高、耐高温、抗辐射、耐酸碱、高强度和高硬度等特性。目前GaN材料主要应用与射频与功率器件领域，随着5G的发展，射频器件需求增大，氮化镓市场随之扩张。在功率器件领域，Yole预测氮化镓2019-2022年市场CAGR达到91%。目前，GaN应用最广泛的是充电器。采用了GaN元件的充电器体积小、重量轻，在发热量、效率转换上相比普通充电器也有更大的优势。

　　从芯片角度看，GaN充电器中主要有主控芯片和协议芯片，主控芯片由GaN MOS管和驱动芯片封装一起而成。GaN器件是高电子迁移率晶体管（HEMT），其提供比硅和SiC器件更高的电子速度。高迁移率源于二维电子气在组分材料之间的界面处形成的方式。这种气体中的载流子比硅等材料更自由地移动。因此，GaN MOS管更适合用于高频功率开关电路，可以提供更高的效率，同时减少电容器和电感器所需的电路板空间。GaN MOS管分为耗尽型和增强型两种。对于耗尽型器件，在启动时必须首先加一个负压，使器件截止，以避免在启动过程中产生短路电流，GaN器件通常被封装在一个带有低电压的硅MOSFET的级联结构中。增强型器件的常态是关闭的，当栅极上没有偏置电压时，源漏之间不会有电流通过。GaN MOS管领域，建议关注：闻泰科技/三安光电/耐威科技/华润微/士兰微

　　电源驱动芯片必须以足够高的速度对栅极上的电容进行充电，使晶体管开启，同时不会引起振铃和过冲。在关断模式下，它能够快速的对栅极电容进行放电，不引起振铃或过冲。决定GaN驱动器件的主要参数有三个：最大栅极电压，栅极阈值电压和体二管压降。增强型GaN器件的栅源电压是6V，大约是普通MOSFET的一半，简化了产生所需开关电压和电流的挑战。栅极电压也比大多数功率MOSFET低，同时具有较低的负温度系数，这简化了驱动补偿问题。体二极管的正向电压降，是器件结构的固有属性，GaN器件比同等的硅MOSFET的电压要高。驱动器件领域，建议关注：富满电子/圣邦股份

　　快充充电器中的协议芯片是根据不同协议支持的快充充电方案设计的，市面上主流的快充协议主要有： USB PD、FCP/SCP 、VOOC等。UCB PD快充协议是目前主流的快充协议之一，是由USB-IF组织制定的一种快速充电规范，目前3.0版本吸取了市面上所有快充协议的精华，未来有望成为快充协议的主流。华为FCP/SCP协议和OPPO VOOC协议也在快充市场占领一份高地，大大提升了用户充电体验。在协议芯片领域，建议关注：瑞芯微

　　中芯国际19Q4业绩发布，营收8.39亿，环比上升2.8%，同比上升 6.6%。若将前期业绩去除阿韦扎诺晶圆厂营收，则环比上升4.6%，同比上升13.8%，晶圆出货量的增加使营收增长。毛利率为23.8%，环比增长14.4%，同比增长40.0%，产能利用率的提高带动毛利率进一步提升。14nm工艺在四季度营收占比1%，在先进制程上逐步缩小与世界代工龙头的差距。20Q1营收预计环比增长0%-2%（即8.39-8.59亿美元），毛利率为21%-23%。20Q1指引超出预期，超越了半导体行业一季度的季节性疲软。随着14nm产能的进一步扩张和良率的提升，预计给20Q1业绩的增长提供强劲动能。

　　1． GaN——新材料具优异特性，应用器件崭露头角

　　GaN是一种新型半导体材料，和SiC同属于第三代高大禁带宽度的半导体材料，和第一代的Si以及第二代的GaAs等相比，其在特性上优势突出。它具有禁带宽度大、热导率高、耐高温、抗辐射、耐酸碱、高强度和高硬度等特性，在早期广泛运用于新能源汽车、轨道交通、智能电网、半导体照明、新一代移动通信。由于禁带宽度大、导热率高，GaN器件可在200℃以上的高温下工作，能够承载更高的能量密度，可靠性更高；较大禁带宽度和绝缘破坏电场，使得器件导通电阻减少，有利与提升器件整体的能效；电子饱和速度快，以及较高的载流子迁移率，可让器件高速地工作。

　　由于GaN各方面的特性，使得GaN在射频器件、功率器件等领域都表现出其强劲的渗透能力。

　　射频领域：氮化镓的频率特性好、瞬时带宽更高、速度更快、可以实现更高的功率密度。对于既定功率水平，GaN具有体积小的优势。有了更小的器件，就可以减小器件电容，从而使得较高带宽系统的设计变得更加轻松。射频电路中的一个关键组成是PA（功率放大器）。从目前的应用上看，功率放大器主要由砷化镓功率放大器和互补式金属氧化物半导体功率放大器（CMOS PA）组成，其中又以GaAs PA为主流，但随着5G的到来，砷化镓器件将无法满足在如此高的频率下保持高集成度。

　　在5G的关键技术Massive MIMO应用中，基站收发信机上使用大数量（如32/64等）的阵列天线来实现了更大的无线数据流量和连接可靠性，这种架构需要相应的射频收发单元阵列配套，因此射频器件的数量将大为增加，器件的尺寸大小很关键，利用GaN的尺寸小、效率高和功率密度大的特点可实现高集化的解决方案，如模块化射频前端器件。锗化硅基MIMO天线，它拥有1024个元件，裸片面积4096mm2，辐射功率65dbm；而氮化镓基MIMO天线，尽管价格较高，但功耗降低了40%，裸片面积减少94%，成本降低80%。

　　除了基站射频收发单元陈列中所需的射频器件数量大为增加，基站密度和基站数量也会大为增加，因此相比3G、4G时代，5G时代的射频器件将会以几十倍、甚至上百倍的数量增加，因此成本的控制非常关键，而硅基氮化镓在成本上具有巨大的优势，随着硅基氮化镓技术的成熟，它能以最大的性价比优势取得市场的突破。

　　功率器件：GaN也广泛应用于功率器件市场。GaN主要应用于低压环境中的功率器件，高压环境主要使用SiC材料，600-900V为两者的竞争市场。相比SiC，GaN在成本方面表现出更强的潜力，且GaN器件是个平面器件，与现有的Si半导体工艺兼容性强，这使其更容易与其他半导体器件集成。

　　根据2017年功率器件的市场结构情况，低压功率器件市场占比高达68%，高压功率期间市场占比低，因此GaN的低压功率器件市场空间大。

　　目前，GaN市场玩家很多，由于GaN的特性优良，应用广泛，吸引了大批生产商。

　　目前，GaN功率器件的市场份额在各应用领域占比比较平衡，电源供给方面的器件增长最快，预计到2022年会占有一半以上份额。2019-2022年整个市场的复合增长率高达91%。

　　目前，GaN应用最广泛的是充电器。采用了GaN元件的充电器体积小、重量轻，在发热量、效率转换上相比普通充电器也有更大的优势，大大的提升了消费者的使用体验。GaN技术是全球最快的功率开关器件，并且可以在高速开关的情况下仍保持高效率水平，能够应用于更小的元件，应用于充电器时可以有效缩小产品尺寸。将内置氮化镓充电器与传统充电器比较，内置氮化镓充电器输出功率达到27W，APPLE USB-C充电器输出功率30W，两者功率上相差不大，但内置氮化镓充电器比苹果充电器体积小40%。

　　全球首家采用GaN充电器的厂家是OPPO在19年11月发布RenoAce手机搭载的65W快充，在提升充电效率的同时减小体积。在今年的CES2020上，包括Anker在内的30家厂商推出了66款氮化镓快充产品。现在第二款小米紧接着推出氮化镓充电器，将把这个市场需求进一步扩大。未来如果苹果也开始采用氮化镓的充电器，氮化镓充电器的渗透率会加速上升。小米GaN充电器Type-C 65W由Navitas供应GaN IC， BOM成本在40-60元。

　　对GaN充电器进行拆解，其内部主要包括主控芯片和协议芯片，主控芯片由GaN MOS管和电源驱动封装一起而成。

　　GaN器件是高电子迁移率晶体管（HEMT），其提供比硅和SiC器件更高的电子速度。高迁移率源于二维电子气在组分材料之间的界面处形成的方式。这种气体中的载流子比硅等材料更自由地移动。因此，GaN晶体管更适合用于高频功率开关电路，可以提供更高的效率，同时减少电容器和电感器所需的电路板空间。此外，GaN器件能够在高温条件下工作对硅器件有挑战性。GaN晶体管的高温操作可以减少硅基电力电子设备可能需要的散热器和冷却风扇的尺寸，从而可以进一步缩小电力电子设备的体积和重量，超出简单移动的范围更高频率的交换架构。

　　GaN晶体管分为两种类型：

　　耗尽型：耗尽型GaN晶体管常态下是导通的，为了使它截止必须在源漏之间加一个负电压。

　　增强型：增强型GaN晶体管常态下是截止的，为了使它导通必须在源漏之间加一个正电压。

　　对于耗尽型器件，在应用时需要解决启动问题，在启动时必须首先加一个负压，使器件截止，以避免在启动过程中产生短路电流。为了解决耗尽模式GaN器件的这个缺点，它们通常被封装在一个带有低电压的硅MOSFET的级联结构中，从而避免出现这种情况。增强型器件的常态是关闭的，当栅极上没有偏置电压时，源漏之间不会有电流通过，这是理想的启动状态。

　　驱动电路是低压、低电流的MCU数字接口和高压、高电流、高速度的功耗器件之间的电路，它必须能够以足够高的速度对栅极上的电容进行充电，使晶体管开启，同时不会引起振铃和过冲。在关断模式下，它必须能够快速的对栅极电容进行放电，不引起振铃或过冲。决定GaN驱动器件的主要参数有三个：最大栅极电压，栅极阈值电压和体二极管压降。增强型GaN器件的栅源电压是6V，大约是MOSFET的一半，这简化了产生所需开关电压和电流的挑战。栅极电压也比大多数功率MOSFET低，同时具有较低的负温度系数，这也简化了驱动补偿问题。体二极管的正向电压降，是器件结构的固有属性，GaN器件比同等的硅MOSFET的电压要高。

　　快充充电器中的协议芯片是根据不同协议支持的快充充电方案设计的。市面上主流的快充协议主要有： USB PD、FCP/SCP 、VOOC等。

　　1.PD快充协议

　　USB- Power Delivery（USB PD）也是目前主流的快充协议之一。是由USB-IF组织制定的一种快速充电规范。USB PD透过USB电缆和连接器增加电力输送，扩展USB应用中的电缆总线供电能力。该规范可实现更高的电压和电流，输送的功率最高可达100瓦，并可以自由的改变电力的输送方向。

　　USB PD现在已经推出USB PD3.0版本，USB-PD3.0支持PPS模式，在 PPS 规范加入了对高压低电流和低压高电流两种快充方式的支持，同时学习 QC 的 INOV，引入了 20mV 调幅步进自适应调整电压的机制。USB PD3.0吸取了目前快充的精华，以实现快充大统一。

　　在谷歌的推动下，支持PPS协议的USB PD快充可兼容高通QC 3.0/4.0、华为SCP /FCP、MTK PE3.0/2.0和OPPO VOOC ，并获得了中国工信部的支持，未来有望统一快充市场。众多手机机型已陆续加入该快充协议，苹果自iPhone8系列起，就开始支持PD快充协议，凭借着苹果在行业内的影响力，PD快充得到了迅速普及。

　　2．华为FCP/SCP协议

　　华为从Mate8开始就开发了自有的快充技术，目前有FCP（Fast Charge Protocol）和SCP（Super Charge Protocol），FCP支持9V/2A 18W快速充电技术，首次应用于Mate8机型上，SCP快充技术则更为先进，目前可实现22.5W和40W大功率充电，应用于华为Mate 20 Pro及后续Mate/P系列机型上，大大提升用户的充电体验。

　　3． OPPO VOOC协议

　　在5V充电电压不变的情况下，OPPO将电池改造成8个金属触点，把充电电流提升到4A-5A，同时把手机上的充电控制电路移植到充电器内，减缓手机发热的情况。VOOC闪充发布时，充电功率就已高达20W，发热更低，速度更快，但需要使用专用数据线。目前VOOC闪充协议已经发展为Super VOOC超级闪充技术，支持最大50W充电，充满3400mAh的电池只需35分钟。

　　2016年底，瑞芯微与OPPO达成了战略合作协议，为其定制开发低压大电流集成度快速充电管理芯片，公司的快充芯片加快了充电速度，针对VOOC协议定制，采用低压电流快充方案。

　　2．中芯国际发布19Q4业绩，14nm进展顺利，Q1营收指引超预期，20年资本开支上修至31亿美金

　　公司19Q4业绩发布，营收8.39亿，环比上升2.8%，同比上升 6.6%。若将前期业绩去除阿韦扎诺晶圆厂营收，则环比上升4.6%，同比上升13.8%，晶圆出货量的增加使营收增长。毛利率为23.8%，环比增长14.4%，同比增长40.0%，产能利用率的提高带动毛利率进一步提升。20Q1营收预计环比增长0%-2%（即8.39-8.59亿美元），毛利率为21%-23%。20Q1指引超出预期，超越了半导体行业一季度的季节性疲软。随着14nm产能的进一步扩张和良率的提升，预计给20Q1业绩的增长提供强劲动能。

　　14nm工艺本季度开始出货，在先进制程上逐步缩小与世界代工巨头的差距。公司14nm工艺在Q4出货3000片，营收占比1.0%，同时中芯国际拿下华为海思半导体14nm订单，因此预计未来量产后营收将进一步提升，先进制程营收贡献率会进一步增大，且下一代制程节点（N+1/N+2）对世界最先进的7nm技术的追赶正在加速，N+1制程限量生产预计会在20Q4。

　　5G引领发展，通信板块收入依旧占有大份额，有望长期受益。由于5G带动智能手机，物联网及相关应用带动出货需求，公司将受益于这些下游应用的增长。现在只是5G的初级阶段，公司作为国内代工龙头，世界代工名厂，有望长期受益于5G催生的一系列应用场景（如VR/AR、智能家居、无人驾驶等）带来各类别电子元器件（如射频前端、wifi芯片、传感器等）的需求。

　　AIoT有望成为百亿美元级市场，是驱动公司成长的重要应用。“AIoT”（loT-InternetofTings）即“AI+IoT”，指的是人工智能技术与物联网在实际应用中的落地融合。AI及IoT都是5G催生下的重要应用，据MarketsandMarkets，物联网设备生成的大量实时数据的有效处理需求，是全球AIOT市场增长的主要驱动力。2019年全球AIoT市场规模为51亿美元，到2024年，这一数字将增长至162亿美元，复合年增长率为26.0%。

　　国产替代推动公司成长。贸易战的复杂性及不确定性不断推动以华为为代表的国内厂商供应链的国产替代步伐加速。中国区Q4营收占比65%，环比增长11%，同比增长21%。上海中芯南方FinFET工厂在19Q4 14nm产能开始释放，技术开发转化为收入来源，第一代FinFET稳健上量，第二代FinFET持续客户导入。经营战略上，中芯国际将持续拓展成熟工艺，保持在各细分领域前列，尤其是摄像头晶片、电源管理晶片等需求依然强劲。

　　晶圆厂产能利用率持续上升。产能方面，受益于下游出货需求的推动，公司产能于2019Q1开始快速增加，同时产能利用率持续上升，Q4产能利用率高达98.8%，环比提升1.8%，同比提升8.9%，产能利用率饱满，面临着供不应求的情形。在资本支出方面，2019年晶圆厂运营资本支出20亿元，其中14亿元用于晶圆厂产能扩张。为满足市场客户需求，新一轮资本支出将开启，预计2020年资本支出31.6亿元，其中25亿元用于晶圆厂设备的支出，产能扩张将会逐步显现。

　　中长期受益于“新应用驱动+国产替代+先进制程突破”三重动能积聚。受益于5G催生以AIoT为代表的新应用从而带动电子元器件的需求、贸易战推动国产替代步伐加速、先进制程的不断突破，中芯国际作为大陆代工实力的代表，将得到持续性发展。

　　疫情对公司的影响：一季度基本没有影响，二季度影响会缓慢显现，但三季度由于会有新的产能和生产平台，因此在三季度可以弥补先前的损失，目前公司认为产能可以满足当前订单量，依旧会保持产能满载的状态。

　　行情与个股

　　我们再次以全年的维度考量，强调行业基本面的边际变化，行业主逻辑持续。半导体是景气度向上中持续受益板块，重点把握今年三大投资主线，坚定看好成长动能

　　我们认为，半导体行业迎来行业景气度向上叠加国产替代双重逻辑，建议投资者持续把握三大投资主线

　　1 看好重资产的封测/制造在需求拉动下的ROE回升带来PB修复。半导体行业成本费用利润率、EBITDA/营业收入2018出现回升，预计未来将继续保持复苏提升趋势。固资累计折旧较为稳定，成本占比上下半年呈锯齿状波动，因此可预计2019H2固资折旧会有所下降。固定资产周转率总体呈现上升，固资管理能力较强。封测板块迎来拐点，业绩开始回升。制造板块企业在2018年遭遇寒冬后，2019年景气度回暖，下游需求拉动各项指标增长。半导体重资产封测/制造行业内主要公司业绩开始回升，我们看好重资产的封测/制造在需求拉动下的ROE回升带来PB修复。重点推荐：中芯国际/长电科技/闻泰科技/耐威科技/环旭电子/三安光电

　　2 制造设备公司的需求结构性变化是短/中/长期逻辑仍然足够支撑的投资主线。中国制造的产业趋势转移未变，国内晶圆厂建设的资本支出持续推进，大基金二期投资关注集成电路产业链联动发展。二期基金更关注集成电路产业链的联动发展。在投向上，大基金二期重点投向上游设备与材料、下游应用等领域。在关注5G、AI和物联网的同时，也将持续关注刻蚀机、薄膜设备、测试设备和清洗设备等领域，持续推进半导体设备、材料企业与半导体制造、封测企业的协同。建议关注：北方华创/华特气体/至纯科技/盛美半导体/精测电子/天通股份

　　3 下游需求全面向好，5G、车用半导体、IoT和摄像头带来新增长点，存储周期有望迎来拐点。5G应用明年迎来快速发展，我们预计明年5G智能手机单机价值量提升，其中射频前端成长比例最高，有关器件的成本和数量都会得到提升；同时在基站端，基站数量和单个基站成本将会双双上涨，叠加将会带来市场空间的巨大增长。此外，汽车电子化对半导体的使用才刚开始，且该趋势在中国更加明显，受益领域主要集中在传感器、控制、处理器等方面；5G时代，各物联网终端尚不能直接支持5G，但大部分IoT设备支持wifi，5G CPE有望成为5G时代新的流量入口；此外，5G带动AI的发展，AI进一步牵动摄像头相关技术的进步，手机传感器硅含量显著提升。重点推荐：兆易创新/圣邦股份/北京君正/卓胜微/苏试试验