5G通讯意味着流量增长、宽带升级与频率提高，对于基站端与终端的应用场景提出了全新挑战，通讯组件与电子器件必须适应更高频、更高温、更高功率的环境，因此，化合物半导体成为5G通信的关键技术。
其实，不仅是5G通信，新能源汽车、物联网等诸多新兴市场均对化合物半导体提出新需求。硅占据半导体材料领域霸主地位多年，成本、技术与工艺已然成熟，但随着硅性能逐渐逼近物理极限，工艺优化与制程演进已经难以解决其在高频、高压领域的性能触顶问题，电力性能更优的化合物半导体由此成为市场焦点。
同时，化合物半导体具有显著的战略意义。由于化合物半导体在基站、雷达、航空等军工领域均有应用，因此受到《瓦森纳协议》约束，进出口均被严格管制。近年来，大陆资本频频试图收购国外化合物半导体企业，但均以失败告终。2018年8月，美国商务部公布新增的44家中国出口管制企业名单，国内化合物半导体技术领先的研究机构中电科13所与55所名列其中。
由此可见，国际半导体企业决心将其优势扩延至第三代化合物半导体。中国作为全球最大的移动通信市场和新能源汽车市场，要实现新兴产业的自主化，就必须摆脱国外“芯片禁运”的禁锢，因此实现化合物半导体产业本土化势在必行。
在此背景下，国内第三代化合物半导体产业的投资热潮兴起。2015年以来，在国家和地方产业政策大力支持下，超二十家企业进行了大规模的产线规划与投建，总投资额超千亿。2018年起，部分企业逐渐完成产线搭建与成品产出，一二级市场均对第三代化合物半导体表现出高度关注。
但是，投资热潮与资本热情越是高涨，我们越是需要理性看待产业走向。经过长时间的深入研究与产业调研，我们认为，大陆第三代化合物半导体有望实现弯道超车，原因有三：明确的下游需求、中短期的时间窗口、适宜的竞争模式。
一、明确的下游需求
通过研究半导体材料的变革与性能，我们认为第三代化合物半导体有两大需求明确的下游市场：（1）弥补硅材料缺陷的刚性需求领域，如5G基站射频器件（氮化镓）；（2）以性能取代硅的潜在需求领域，如消费电子、新能源汽车等。
新一代材料的出现无非两个原因——“成本”和“性能”。即在多种材料均“力所能及”情况下，追求更低的芯片成本，或是在原有材料“力有不逮”情况下，开发新材料以追求更好的芯片性能。
基于“成本”，硅成为了应用最广泛的第一代半导体材料。硅是地壳中含量第二丰富的元素（27%），且提纯、结晶便捷、性能稳定，能够满足绝大部分的应用场景，因此硅半导体技术快速实现了产业化，与之配套的材料、设备产业也随之成熟。
基于“性能”，第二代化合物半导体与第三代化合物半导体应时而生。第二代化合物半导体以砷化镓为代表，砷化镓拥有高的电子迁移率，使其在高频传输上有硅无法比拟的优势，但极低的击穿场强限制砷化镓只能活跃于低压领域。第三代化合物半导体则以氮化镓与碳化硅为主，高禁带宽度特性意味着材料能够承受更高的电压与温度。与此同时，高电子饱和漂移速度与低介电常数使其具有更高的频率特性、体积更小。
至此，我们总结出三代半导体材料各自的下游市场：
（1）硅能够覆盖绝大部分的应用领域。多年来，硅不断通过工艺优化来延展适用范围，如具有更高功率密度的硅LDMOS、能够适用更高压的IGBT等。
（2）第二代化合物半导体（砷化镓、磷化因等）的出现是基于对硅性能短板的补充，因此应用更“专”，主导高压、低频市场，如终端射频、卫星通讯、光通信、GPS导航等领域。
（3）第三代化合物半导体：氮化镓的应用领域有两类，一类是硅无法适用的高频、中压领域，如5G基站射频器件，这是其刚需市场，另一类是与硅重叠的低频市场，如消费电子功率器件，这是其潜在的千亿级替代市场。而碳化硅最优势的应用场景在于超高压，如新能源汽车功率驱动系统、高铁驱动电源、光伏逆变器、工业驱动电源等。
综上，氮化镓、碳化硅在5G、新能源汽车等新兴市场有着极大潜力，大陆第三代化合物半导体企业的成长土壤已然准备好。
二、中短期的时间窗口
尽管第三代化合物半导体有着巨大的刚需市场与替代市场，但我们认为这两大市场不会在短期内呈现爆发式增长，这为大陆企业制造了弯道超车的时间机会。
首先，在刚需市场中，成本的作用极其有限，下游的成熟度是决定新产品的核心要素。
我们以砷化镓在终端射频PA领域的发展为例，在通信升级初期，终端射频模块中的功放（PA）主要由硅制成。随着3G、4G的到来，波段的扩宽与传输速度的要求对材料提出了新挑战，尽管砷化镓成本高于硅，但其强大的稳定性、线性度决定了取代硅的必然性。2010年中国正式进入3G时代，2014年，4G网络开始大规模普及，在2010-2011年以及2014-2015年的下游需求爆发期，全球龙头的砷化镓代工厂稳懋（台）和IDM企业Skyworks同样出现了爆发式增长。
类推至第三代化合物半导体，氮化镓在5G基站射频的应用或将率先开花。
其次，在与硅高度重叠的领域中，第三代化合物半导体取代硅会是一个漫长的过程，核心阻碍在于“成本”。
我们以国内外主要的第三代化合物半导体企业投建计划为基础，从设备折旧、材料成本、芯片大小、晶圆尺寸四个维度比较几类材料的成本情况：（1）氮化镓（以硅基氮化镓为测算对象），虽然设备投入与材料成本高，但单片芯片面积小，规模生产后，单颗成本约为硅的1.3-1.8倍；（2）碳化硅，由于外延片材料价格高居不下、且工艺限制下晶圆面积很难做大，其单颗成本将长期保持在硅的7倍左右。
氮化镓虽然成本能够与硅较为接近，但由于消费电子领域的成本敏感性，对硅的取代趋势尚不明朗。2019年3月，ANKER搭载PI氮化镓器件的充电器正式在国内上市，实现了体积缩小、能耗减少以及功率提高，但产品价格较高（ANKER PowerPort Atom PD 1售价约200元），在对于成本极其敏感、走量为上的消费电子领域，氮化镓还处于试水期。
碳化硅在新能源汽车中的应用趋势是明确的，但步伐不会过快。2018年特斯拉在Model 3的DCDC与OBC中采用了意法半导体的SiC模块，通过节省能耗、减少体积优化新能源汽车的电力电器结构。但我们认为这一现象短期内不会在车企大范围复制，原因在于碳化硅的引入将耗费车企以及T1供应商大量研发精力与时间成本。因此，碳化硅的渗透会率先从对成本不敏感的领域开始突破，如航天电源、服务器电源等等，未来5-10年碳化硅将保持稳定增长，成为多市场青睐的节能新材料。
综上，在成本与下游的共同作用下，第三代化合物半导体市场将呈现出阶段式成长。“时间窗口”是第三代化合物半导体与前两代的最大区别，也是我们认为大陆企业能够扭转后发劣势的关键依据。
三、适宜的竞争模式
大陆作为破局者切入第三代化合物半导体，既会面临生产、技术上的难点，也会受到既有参与者的阻力，但我们认为，大陆企业迎头赶上甚至弯道超车并非遥不可及，原因有二：（1）第三代化合物半导体“重制造”，大陆IDM模式顺应竞争趋势；（2）本土市场提供支持，大陆企业有望紧抓窗口机会。
通过研究前两代半导体在射频、功率市场的竞争格局，我们发现，产业对“制造”、“设计”的侧重决定了竞争模式的不同：
（1）硅功率器件的低端领域重在“规模效应”，因此YJ科技、SLW等大陆企业能够通过产线扩建快速切入市场，并以价格战抢占份额；
（2）硅功率器件的高端领域“重制造、重设计”，设计环节需要充分利用硅材料的物理极限，制造环节需要大量投入产线建设，因此大陆企业形成了“代工+设计”的分化格局；
第二代化合物半导体市场“重制造”，但更“重设计”。砷化镓的制造难度在于规模化起量，如大陆SA光电以大量购入MOCVD快速扩张，而设计难度则在于响应消费电子需求、紧跟通讯升级，因此大陆企业形成“代工+设计”的分化格局。国际企业掌控最上游设计技术且积累多年，Skyworks、Qorvo、Avago、高通借先发优势瓜分终端市场。而相较之下，国内设计企业起步较晚，技术实力与国际企业隔代落后。我们认为，强大迭代设计能力和资本实力将帮助巨头企业持续占据主动，国际厂商有能力将领先优势由4G延续至5G，国内设计企业道阻且长。
以此类推，我们认为第三代化合物半导体关键环节在于“制造”，IDM最适应行业的模式。虽然氮化镓/碳化硅的设计原理与硅器件稍有区别，但技术壁垒并非难跨越。核心的壁垒在于制造，氮化镓与碳化硅制造过程中需要解决外延良率、晶格错配、器件封装测试等多种技术难点，需要一定的固定资本投入与生产经验积累，由此可见，大陆企业重资投入、引进人才建设IDM模式，为弯道超车开了个“好头”。
另一方面，本土优势能够将为大陆企业提供良好的竞争条件。
当然，我们需正视国际功率、射频器件巨头们的先发优势。化合物半导体的国际参与者主要有两类，一是原硅器件的IDM厂商，如英飞凌、安森美、恩智浦、意法等，这类厂商研发能力强，早有化合物半导体技术准备，且资本实力强大，如英飞凌2014年通过收购IR掌握了硅基氮化镓制造技术。另一类是从事第三代化合物半导体研发的设计企业，如EPC、Transphorm、Navitas等，拥有强大的技术优势。国际企业将在客户、产品、成本等方面持续对大陆企业施压。
但与此同时，我们也要认识到“弯道超车”的本质，即利用本土优势，紧抓窗口机会。前文我们总结过，无论是氮化镓还是碳化硅，从小规模推广到大规模起量需要较长时间，“生产成本、产品良率、下游接受度”是国内外企业同时面临的难题。这意味着尽管国际厂商虽然具有一定的先发优势与产业积淀，但大陆企业仍有缓冲时间来应对未来需求。同时，从国际硅器件厂商的角度出发，大力推广新材料产品也意味着“自身产品替代”，原硅路径上的技术依赖会某种程度阻碍其快速扩张。
综合来看，大陆的IDM厂商若能瞄准自身优势领域，立足本土消费市场优势，在窗口时期快速完成产线建设、产品完善、客户扩展，就有望需求爆发节点来临时有备而战、后发制人。
四、结论
综上，第三代化合物半导体作为对硅应用的补充与替代，其在5G基站、新能源汽车、光伏等市场的应用趋势明确。与此同时，由于刚性需求的市场尚未完全爆发、替代需求中成本问题仍待解决，短期内行业规模难以呈现爆发式增长，大陆企业获得了行业建设的时间窗口。在此行业背景下，我们认为大陆企业以本土市场需求为驱动力，以IDM模式奋起直追，有望在窗口期缩短与国际企业差距，完成在第三代化合物半导体行业的弯道超车。
