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从射频角度看砷化镓，国产当自强

2020-05-31 21:00:19 来源: Sophie

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来源：转载自公众号「科创之道」，谢谢

半导体领域，资本市场风起云涌，热度不减。

砷化镓，不尴不尬？

按照业界约定俗成的“断代法”，半导体材料分为第一代、第二代和第三代半导体材料。

第一代半导体材料，以硅（Si）为代表，已经拥有了广泛的产业群众基础，形成了庞大市场规模，摩尔定律驱动下的纳米级工艺升级，12寸、18寸及越来越大的大硅片，也是同样万众瞩目；

第三代半导体材料，以氮化镓（GaN）和碳化硅（SiC）为代表，材料性能优异，概念新颖、愿景广阔。代表着未来趋势，因此也成了资本市场追逐的焦点。

而作为第二代半导体材料代表的砷化镓（GaAs），不尴不尬的，即便是偶有关注，也是点到为止。

是不是就代表着砷化镓就不重要了呢？

非但不是，砷化镓也是一个卡脖子严重的半导体领域。

被“卡脖子”的砷化镓

自从华为成为美国摧毁中国科技信心的靶子之后，对华为制裁的不断升级。作为应对措施，华为也在稳步推动“备胎计划”的实施。

其中一个重要举措，就是将手机射频关键部件PA，从原来采购于Skyworks（思佳讯）、Qorvo（科沃）、Broadcom（博通）三家美资企业，变成了自研；为了降低代工厂过于集中的风险，从原来由台资Foundry厂稳懋代工生产，转单给三安集成电路有限公司（三安光电下属公司）。

而目前4G、5G手机主流的PA，主要是以砷化镓为材料，足以说明砷化镓的重要地位。

砷化镓，浑身都是宝

作为第二代半导体材料的代表，砷化镓具有宽禁带，高频，高压，抗辐射、耐高温及发光效率高等特性（相对），被广泛应用于移动通信（智能手机等）、无线通信（基站）、光纤通信、LED、光伏、卫星导航等领域。

从产品应用角度，砷化镓浑身都是宝，既可以用于微波通信、又可以用作微电子和光电。在微电子领域，如微波通信射频、消费电子射频领域（ PA 和 Switch）等；在光电子领域，如LED、激光VCSEL、太阳能等领域。

根据 Yole Development关于砷化镓研报中，可以参考一下，将砷化镓应用分为RF（射频）, PHOTONICS（光电子）, LED（发光二极管）和PV（光伏发电）四大领域。

在这四大领域中，以RF（射频）占比最高，以半绝缘性砷化镓为主，应用于手机PA和Switch，基站射频等方面；其次为LED（发光二极管），以半导体型砷化镓材料为主。

随着手机3D面部感应渗透率提高、大容量光纤通信激光器的需求拉动，以VECSEL为代表的PHOTONICS（光电子）也将成为砷化镓增长的驱动力之一。

砷化镓PA，从基站和手机两个维度看

砷化镓应用于射频领域，主要环节是PA，即Power Amplifier（功率放大器），就是将无线通信信号放大的器件。经过PA放大的信号，最终从手机或者基站发射出去，属于通信设备高能耗环节。

当然，基站和手机，用到的PA材料也不尽相同。

基站PA，以LDMOS（Si材料）、砷化镓（GaAs）和氮化镓（GaN）为主；而手机PA，目前以CMOS（Si材料）和砷化镓为主。

我们先看一下基站PA领域用的砷化镓：

根据Yole Development的数据，LDMOS与氮化镓将呈现出此消彼长的关系，砷化镓则保持相对稳定的市场占有率。2025年，LDMOS占比将下降到15%，氮化镓占比将上升到45%，而砷化镓占比约为40%。

这是一个看过百变仍然不厌的图，展示的是基站PA领域，三种不同材料的未来应用趋势。

我来简单解释一下，从趋势看，LDMOS（横向扩散金属氧化物半导体，Si材料）市场份额会慢慢萎缩，氮化镓（GaN）市场份额会慢慢上升，而砷化镓（GaAs）份额则会相对稳定。

主要原因是Si材料LDMOS工艺制作的PA，已经不能满足5G高频、高速、高功率等性能要求；而氮化镓（GaN）作为第三代半导体材料的核心，具有“完美”的性能，但有一个确定，就是价格过于昂贵。

在半导体产业化应用中，要充分的平衡性能和价格这另个指标，满足性能的前提下，价格优先，已达到最优性价比。

由于LDMOS在高频方面受限，GaAs在高功率方面受限，因此，在宏基站领域，氮化镓（GaN）PA将成为主流，而在小基站领域，对性能要求没那么高，砷化镓（GaAs）拥有性价比高的绝对优势，还将维持市场份额。

再看一下手机PA的砷化镓：

手机领域的PA主要以硅（CMOS工艺）和砷化镓为主。

其中CMOS工艺PA，具有成本优势，但是受限于产品性能和设计复杂性，一般主要应用于2G的手机终端。而3G、4G、5G的智能终端，目前还是以砷化镓PA为主。

随着移动通信向5G演进，2G面临退网，CMOS工艺PA市场空间会越来越压缩，将主要应用于低功耗物联网为代表的领域。

砷化镓的市场规模

这部分可以一掠而过，这种行业规模规模的数据，大概看看量级就好。

根据中国产业信息网，目前中国砷化镓元件的市场规模约为300亿左右，未来年增长率约为15%。

数据来源：中国信息产业网

砷化镓产业链构成

同其他半导体材料产业链类似，砷化镓产业链也包括晶圆（衬底、外延片），芯片设计、晶圆代工、封测、下游元器件和应用等几个环节。

砷化镓市场竞争格局

前文提到过，砷化镓也是“卡脖子”环节诸多的一个半导体细分领域，国内厂商竞争力普遍偏弱。

在砷化镓晶圆环节，根据Strategy Analytics数据，2018年前四大砷化镓外延片厂商为IQE（英国）、全新光电（VPEC，台湾）、住友化学（Sumitomo Chemicals，日本）、英特磊（IntelliEPI，台湾），市场占有率分别为54%、25%、13%、6%。CR4高达98%。