文|半導體產業(yè)縱橫
隨著各種高頻和高功率應用需求的發(fā)展，化合物半導體市場規(guī)模不斷擴大，相應芯片的設計和制造業(yè)務受到越來越多從業(yè)者和資本的關注，顯現(xiàn)出良好的發(fā)展態(tài)勢。
化合物半導體主要是指第二代和第三代半導體材料及工藝，其中，第二代以砷化鎵(GaAs)、磷化銦(InP)為代表，它們相對于第一代半導體材料（以硅為主），具有電子遷移率高，光電轉換效率高的優(yōu)點，非常適用于制造光電和射頻器件。手機的普及帶動了GaAs功率放大器(PA)的增長，迎來了第二代半導體材料的成熟期。近些年，以碳化硅（SiC）和氮化鎵（GaN）為代表的第三代化合物半導體火熱異常，但無論是當下，還是未來，以GaAs為代表的第二代化合物半導體依然是射頻器件，特別是手機等移動設備用PA的主要材料，占據(jù)著大部分市場份額。
據(jù)ResearchInChina統(tǒng)計，2018-2025年，全球GaAs元器件市場總產值將由95.19億美元增長至160億美元，年均復合增長率為7.7%。
InP的最大優(yōu)勢在于擁有比GaAs更高的功率密度，這個化合物特性使得InP在5G毫米波頻段、B5G（Beyond 5G ）次太赫茲（THz）頻段運用效果更勝GaAs，也是業(yè)界普遍認為有潛力成為未來PA主流材料的熱門選項。
GaAs的應用
與硅相比，GaAs的主要優(yōu)勢為耐高溫（最高工作溫度可以到攝氏350度左右）、抗輻射、發(fā)光效率高，基于這些特性，GaAs主要用于三個領域：射頻（RF）、光電、LED，另外，光伏（PV）也有一定規(guī)模的應用。據(jù)Yole統(tǒng)計，2019年，GaAs在射頻、光電子、LED和光伏應用領域份額分別為37%、12%、50%和2%，預計2025年將變?yōu)?8%、18%、53%和1%。
射頻應用方面，隨著5G時代到來，5G手機越來越普及，此外，無線網路（如Wi-Fi）普及率也越來越高，且對性能和網速要求不斷提升。這些系統(tǒng)中的無線射頻模組必定含有的關鍵零組件是PA、射頻開關和低噪聲放大器（LNA）等，其中，PA是將無線通信信號放大的器件，經過放大的信號最終從手機或者基站發(fā)射出去，PA屬于通信設備高能耗器件，目前，多數(shù)射頻PA都是基于GaAs材料工藝制造的。
5G手機中的PA數(shù)量和單價，都比4G時代大幅增長。5G sub6GHz 頻段中，GaAs HBT仍是PA的重要技術，5G新增了毫米波頻段，GaAs pHEMT 則為重要的技術路線。總之，手機PA的這塊大蛋糕在未來還是GaAs的天下。
手機基站方面，也要用到大量PA，以LDMOS（硅材料）、GaAs和GaN為主。與GaAs和LDMOS相比，GaN具備高頻、高輸出功率的優(yōu)勢，但GaAs憑借可靠性和高性價比，未來仍將是基站的主流工藝。據(jù)Yole統(tǒng)計，LDMOS和GaN材料將呈現(xiàn)出此消彼長的關系，GaAs則保持相對穩(wěn)定的市場占有率，具體來看，2025年，LDMOS占比將下降到15%，GaN占比將上升到45%，而GaAs占比約為40%。在基站PA GaAs材料占比穩(wěn)定的情況下，未來幾年全球5G基站的建設將為上游GaAs產業(yè)帶來穩(wěn)定的市場需求。
從歷史上看，GaAs在光電子領域應用規(guī)模較小，主要集中在數(shù)據(jù)通信應用上，但是，自從2017年蘋果公司在其手機iPhone X中引入3D感應功能，以及Android平臺采用GaAs垂直共振腔表面發(fā)射激光器（VCSEL）以來，VCSEL市場帶動GaAs晶圓和外延片生產規(guī)模激增。
在蘋果手機中，VCSEL主要用于人臉辨識。VCSEL具有較小的原場發(fā)散角、調制頻率高且易于實現(xiàn)大規(guī)模陣列及光電集成等優(yōu)點，可廣泛應用于光通信、3D傳感、面部識別、車載激光雷達等場景，且短期內不易被其它技術取代。隨著手機3D面部感應滲透率提高，以及大容量光纖通信激光器的需求拉動，全球VCSEL的市場規(guī)模將從2020年的11億美元，增長至2025年的27億美元。因此，以VCSEL為代表的光電子領域將成為GaAs市場主要的成長動力。
除了VCSEL，光電二極管也是GaAs在光電子領域的重要應用。光電二極管是一種小型電子半導體器件，用于將光轉換為電流，GaAs光電二極管是一種半導體光傳感器，廣泛應用于各種監(jiān)測和高速光纖接收器。消費電子（煙霧探測器、光盤播放器、紅外遙控設備等）和醫(yī)療設備（計算機斷層造影探測器、脈搏血氧計等）應用是GaAs光電二極管市場的主要驅動力。據(jù)Maximize Market Research統(tǒng)計，預計2027年GaAs光電二極管市場規(guī)模將達到2687.9億美元，2019-2027年均復合增長率為4.23%。
LED是GaAs應用的重要分支，特別是近些年，Mini LED和Micro LED快速發(fā)展，大幅拓寬了LED顯示技術的應用場景，為GaAs帶來了新的增長空間。
LED由含鎵、砷、磷、氮等的化合物制成，是常用發(fā)光器件，可高效地將電能轉化為光能。常規(guī)LED主要應用于通用照明、戶外大顯示屏等；Mini LED以HDR、異型顯示器等背光源應用為主，適應用于手機、電視、車用面板及電競筆記本電腦等產品；Micro LED的應用概念跟前兩者有很大差異，可應用在穿戴式的手表、手機、車用顯示器、擴增實境/虛擬實境、顯示屏及電視等領域。Mini LED是LED背光的改良版本，可以大幅提升液晶畫面效果，同時成本相對容易控制，有望成為市場的主流。Micro LED在畫質方面會有質的提升，是新一代革命性的顯示技術，若實現(xiàn)量產，將推動GaAs市場快速增長。
產業(yè)格局
在GaAs芯片制造方面，行業(yè)龍頭企業(yè)仍以IDM為主，廠商主要包括美國的Skyworks、Qorvo、Broadcom/Avago以及Wolfspeed，還有德國的Infineon。這些IDM，以Avago和Skyworks為例，當自身產能不足時，會將產品交給代工廠生產，Avago的主要代工廠商是穩(wěn)懋（WIN），Skyworks的代工廠商是宏捷科技（AWSC），Qorvo的產能充足，主要自產，而且還會向外提供代工服務。
根據(jù)穩(wěn)懋2021年報數(shù)據(jù)，目前，GaAs芯片制造市場中，IDM企業(yè)占有超過50%的市場份額，在射頻GaAs芯片市場，IDM占據(jù)明顯優(yōu)勢，穩(wěn)懋2021年報援引StrategyAnalytics數(shù)據(jù)顯示，Skyworks和Qorvo分別占市場份額的31.6%和29.7%，GaAs晶圓代工龍頭穩(wěn)懋占比僅9.2%。
近些年，化合物半導體的晶圓代工比例在不斷提升，不過，由于化合物半導體在結構、成分、缺陷等方面難于硅晶圓制造，能提供高水平晶圓代工的企業(yè)并不多，目前，全球GaAs晶圓代工主要聚集在中國臺灣地區(qū)和美國，穩(wěn)懋、GCS（環(huán)宇）和宏捷科技占據(jù)著全球90%的市場份額，據(jù)Strategy Analytics統(tǒng)計，在全球GaAs晶圓代工領域，穩(wěn)懋以71%的市占率獨占鰲頭。
目前來看，GaAs晶圓代工廠的主要客戶是Avago、Skyworks等IDM大廠。前些年，Avago將其位于科羅拉多的工廠出售給了GaAs代工龍頭穩(wěn)懋，Avago還入股穩(wěn)懋，成為后者的大股東之一，Avago的HBT產品大多交給穩(wěn)懋代工。這些從一個側面說明了IDM產能外包成為了一種趨勢，化合物半導體代工市場正在快速成長。
代工業(yè)務的發(fā)展，在很大程度上是因為GaAs技術和市場已經發(fā)展到了非常成熟的階段，特別是其襯底和器件技術不斷實現(xiàn)標準化，產品多樣化，相應的設計企業(yè)增加，使得代工業(yè)務需求不斷增加。這與邏輯器件代工業(yè)的發(fā)展軌跡類似。
隨著5G的普及，相應的高性能射頻和功率器件訂單明顯增加，訂單的超預期使得GaAs晶圓代工大廠產能吃緊。隨著5G的大規(guī)模應用，該市場的需求量還將進一步提升，龍頭廠商產能進入滿載周期，給中國大陸化合物半導體生產廠商帶來了商機，在國內的GaAs代工領域，玩家總體數(shù)量不多，能提供高水平代工業(yè)務的更是鳳毛麟角，主要有三安光電、海特高新等少數(shù)企業(yè)，其中，三安光電作為國產化合物半導體領域的龍頭企業(yè)，已經建成國內首條6英寸GaAs、GaN外延片產線并投入量產。
在制程工藝方面，化合物半導體與存儲器和邏輯器件有很大區(qū)別，因為前者面向射頻、高電壓、大功率、光電子等應用領域，并不追求很先進的工藝節(jié)點，GaAs器件以0.13μm、0.18μm以上制程為主，Qorvo正在進行90nm工藝研發(fā)。該領域基本不需要60nm以下的制程。
此外，由于受GaAs襯底尺寸限制，目前的生產線以4英寸和6英寸晶圓為主。
結語
在材料特性方面，以GaAs為代表的第二代化合物半導體明顯優(yōu)于第一代半導體材料硅，特別是在射頻和光電子應用領域。與此同時，與SiC、GaN這些第三代化合物半導體材料相比，GaAs的工藝成熟度和性價比也具備明顯優(yōu)勢，特別是在中低電壓應用領域，優(yōu)勢更為明顯。
總之，從當下和未來化合物半導體市場總量來看，GaAs和InP依然占據(jù)絕大部分，而SiC和GaN則會在高功率應用領域逐步擴大市占率。
在GaAs芯片制造方面，與邏輯芯片（以CPU、GPU等處理器為代表）呈現(xiàn)出相似的發(fā)展趨勢，那就是晶圓代工比例逐步上升，IDM的市占率呈下滑態(tài)勢，不過，在可預見的未來，IDM依然會占據(jù)半壁江山，與晶圓代工分庭抗禮。