2015-07-24 華強微電子  半導(dǎo)體行業(yè)觀察 

半導(dǎo)體材料是制作半導(dǎo)體器件和集成電路的電子材料，是半導(dǎo)體工業(yè)的基礎(chǔ)。隨著新的半導(dǎo)體材料出現(xiàn)、電力電子技術(shù)進步與制作工藝的提高，半導(dǎo)體在過去經(jīng)歷了三代變化。砷化鎵（GaAs）和氮化鎵（GaN）半導(dǎo)體分別作為第二代和第三代半導(dǎo)體的代表，相比{dy}代半導(dǎo)體硅價格昂貴，可謂是半導(dǎo)體中的貴族。

目前砷化鎵材料為代表的第二代半導(dǎo)體主要應(yīng)用于高頻（即微波）領(lǐng)域，第三氮化鎵半導(dǎo)體處于剛剛起步階段，以超大功率應(yīng)用為主。

一、砷化鎵半導(dǎo)體：射頻通訊的核心，百億美元大市場

1、無線通訊推動砷化鎵半導(dǎo)體市場快速發(fā)展

砷化鎵主要用于微波功率器件，即工作在微波波段（頻率300-300000兆赫之間）的半導(dǎo)體器件。由于Si在物理特性上的先天限制，僅能應(yīng)用在1GHz以下的頻率。然而近年來由于無線高頻通訊產(chǎn)品迅速發(fā)展，使得具備高工作頻率、電子遷移速率、抗tr輻射及耗電量小等特性的砷化鎵脫穎而出，在微波通訊領(lǐng)域大規(guī)模應(yīng)用。

l手機通訊領(lǐng)域

在手機無線網(wǎng)絡(luò)中，系統(tǒng)中的無線射頻模組必定含有兩個關(guān)鍵的砷化鎵半導(dǎo)體零組件：以HBT設(shè)計的射頻功率放大器（RF PA）和以pHEMT設(shè)計的射頻開關(guān)器。

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傳統(tǒng)2G手機中，一般需要2個功率放大器（PA）；另外2G手機只有一個頻段，噪聲要求低，使用1個射頻開關(guān)器。到了3G時代，一部手機平均使用4顆PA，3.5G平均使用6顆PA。使用2個射頻開關(guān)器。

2014年，智能手機正式進入4G時代，平均使用7顆PA，4個射頻開關(guān)器。4G的射頻通信需要用到5模13頻，多模多頻的砷化鎵前端放大器模塊及在“頻”和“?！敝g切換的射頻開關(guān)器不可或缺。目前，單部4G智能手機僅達到標(biāo)準(zhǔn)的通信效果，就至少需要5顆以上的砷化鎵功率放大器，此外智能手機中的wxdw功能也需要用到1顆功率放大器，4G智能手機支持的無線局域網(wǎng)通信（WLAN）也需要至少1顆功率放大器。

下一代5G技術(shù)，其傳輸速度將是現(xiàn)行4G LTE的100倍，目前只有砷化鎵功率放大器可以實現(xiàn)如此快速的資料傳輸。4G及未來的5G通訊已成為砷化鎵微波芯片重要的成長動能之一。

在PA領(lǐng)域，一直存在硅基CMOS PA與砷化鎵PA之爭。2013年上半年高通推出CMOS功率放大器解決方案開始打入低階智能手機供應(yīng)鏈，但是由于硅材料物理性能限制無法應(yīng)用于高頻領(lǐng)域。因此雖然硅材料較砷化鎵有成本優(yōu)勢，但是高階市場并不會受到影響，砷化鎵材料在功率放大器市場仍由85%的市占率。

2014年全球智能手機銷量達12.28億只，中國智能手機出貨量達4.02億支。根據(jù)我們粗略估算，2014年度全球手機砷化鎵功率元件需求量接近120億顆，國內(nèi)手機市場砷化鎵元件需求量超過35億顆。未來隨著4G手機滲透率的不斷提升，手機用砷化鎵元件還將不斷增長。

l其它領(lǐng)域

由于砷化鎵高頻傳輸?shù)奶匦?，除了在手機應(yīng)用中飛速成長外，平板電腦、筆記本電腦中搭載的WiFi模組、固定網(wǎng)絡(luò)無線傳輸，以及光纖通訊、衛(wèi)星通訊、點對點微波通訊、有線電視、汽車導(dǎo)航系統(tǒng)、汽車防撞系統(tǒng)等，也分別采用1~4顆數(shù)量不等的功率放大器，這都是推動砷化鎵成長的強大動力。

根據(jù)Strategy Analytics調(diào)查數(shù)據(jù)，2013年全球砷化鎵微波功率半導(dǎo)體市場總產(chǎn)值約為64.7億美元，較2012年59.3億美元成長11%。

2、國外IDM 廠商搶占砷化鎵半導(dǎo)體市場先機

與硅材料大規(guī)模集成電路制造不同，砷化鎵微波功率半導(dǎo)體多為分立器件，制造工藝相對簡單。另一方面，由于材料性能差異大，晶圓制造的設(shè)備及工藝與硅有極大的不同，因此我們一般所熟悉的半導(dǎo)體晶圓制造廠商專注于硅晶圓制造，并不涉及砷化鎵晶圓制造領(lǐng)域。砷化鎵半導(dǎo)體擁有自己獨立的全套產(chǎn)業(yè)鏈。

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砷化鎵半導(dǎo)體的制造流程與硅相似，從上游材料、IC設(shè)計、晶圓代工到封裝測試，完成砷化鎵半導(dǎo)體制造的全部產(chǎn)業(yè)鏈。

砷化鎵半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)參與者多為國外IDM廠商。2013年砷化鎵市場總產(chǎn)值64.7億美元中，占比前5的廠商中除了穩(wěn)懋外，均為集IC設(shè)計、晶圓代工、封裝測試為一體的IDM廠商。

目前全球砷化鎵半導(dǎo)體市場份額{zd0}的Skyworks，占比24%，全球前10大手機廠家都是它的客戶。占比13.6%和12.3%的TriQuint與RFMD現(xiàn)已合并成為Qorvo，集晶圓代工與IDM模式為一體。

砷化鎵材料現(xiàn)在正處于發(fā)展階段，目前全球砷化鎵微波功率半導(dǎo)體領(lǐng)域參與者數(shù)量遠遠小于硅，市場分布較為均衡。IDM廠商毛利率達40%，RFMD（Qorvo）為原諾基亞PA供貨商，毛利率低于同行業(yè)平均水平。

3、砷化鎵半導(dǎo)體代工經(jīng)營模式出現(xiàn)

無線通訊的普及催生砷化鎵代工經(jīng)營模式。在無線通訊的拉動下砷化鎵微波功率半導(dǎo)體需求量快速增長，考慮到半導(dǎo)體制造需要巨額的研發(fā)和設(shè)備投入，產(chǎn)品價格下降快等因素。而砷化鎵專業(yè)代工擁有較短的設(shè)計周期，成本較低且能夠快速導(dǎo)入市場，未來在砷化鎵整體產(chǎn)業(yè)擁有競爭力，砷化鎵半導(dǎo)體垂直分工的經(jīng)營模式出現(xiàn)。

盡管目前砷化鎵半導(dǎo)體主要由美國三家IDM廠商（Skyworks，TriQuint與RFMD合并而成的Qorvo，Avago）占據(jù)，但近年來，晶圓代工在整個市場中的占比不斷提高。其中臺灣的穩(wěn)懋是砷化鎵晶圓代工領(lǐng)域龍頭，主要客戶為Avago、Murata、Skyworks、RDA、Anadgics等。

二、氮化鎵半導(dǎo)體：節(jié)能產(chǎn)業(yè)的未來

1、氮化鎵——寬禁帶半導(dǎo)體，高頻性能更強

氮化鎵材料由于禁帶寬度達到3.4eV，與SIC、金剛石等半導(dǎo)體材料一起，被譽為第三代半導(dǎo)體材料，也稱為寬禁帶半導(dǎo)體。由于氮化鎵具有禁帶寬度大、擊穿電場高、飽和電子速度大、熱導(dǎo)率高、介電常數(shù)小、化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定和抗輻射能力強等優(yōu)點，成為高溫、高頻、大功率微波器件的{sx}材料之一。

在氮化鎵器件研究初期，晶體合成困難。1986年，日本的赤崎勇開發(fā)了“低溫堆積緩沖層技術(shù)”可以獲得用于半導(dǎo)體元件的高品質(zhì)氮化鎵。由于帶隙覆蓋了更廣的光譜范圍，用氮化鎵制造的高亮度LED、綠色LED、藍光光盤產(chǎn)品應(yīng)用與商業(yè)領(lǐng)域。

從1993年開始，利用二維電子氣氮化鎵能達到更高的遷移率，適合砷化鎵所不能達到的高頻動作。采用氮化鎵的高頻晶體管開始用在移動通信站、通信衛(wèi)星、雷達等領(lǐng)域。

到了2000年前后，硅制功率元件已經(jīng)普及，之前利用藍寶石基板的氮化鎵類功率元件價格高，很難進入商業(yè)領(lǐng)域。這時開始采用硅基板，但制造成本依然很高。主要是應(yīng)用于ICT設(shè)備、工業(yè)設(shè)備和汽車電子等領(lǐng)域的小型電源組件。未來有望采用氮化鎵基板，獲得高品質(zhì)化、具有較高價格競爭力的氮化鎵功率器件。

自2013年開始，隨著技術(shù)積累逐漸完成，氮化鎵民用市場開始起步。

2、氮化鎵功率半導(dǎo)體民用市場起步

美國和歐洲分別于2002年和2007年啟動了氮化鎵功率半導(dǎo)體推動計劃，并且在2007年首次在6寸硅襯底上長出了氮化鎵，自此從應(yīng)用角度開始了氮化鎵功率半導(dǎo)體推進。2013年出現(xiàn)通過了JEDEC質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)的硅基氮化鎵功率器件，同年中國科技部推出了第三代半導(dǎo)體863計劃。

在各國政策的大力推進下，國際半導(dǎo)體大廠紛紛將目光投向氮化鎵功率半導(dǎo)體領(lǐng)域。隨著Si材料達到物理極限，在摩爾定律驅(qū)動下尋求下一個替代者刻不容緩，氮化鎵因各方面優(yōu)異的電學(xué)性能被認為是未來半導(dǎo)體材料的{sx}。傳統(tǒng)半導(dǎo)體廠商關(guān)于氮化鎵器件的收購和合作、許可協(xié)議不斷發(fā)生，氮化鎵功率半導(dǎo)體已經(jīng)成了各家必爭之地。

Ma-com原先為摩托羅拉下屬微波/射頻解決方案部門，自2013年起產(chǎn)品逐步由砷化鎵半導(dǎo)體拓展到氮化鎵器件，主要用于航空航天、工業(yè)/醫(yī)療電子、通訊基站、汽車電子等領(lǐng)域，公司毛利率一路攀升，目前已高達50%以上。

3、氮化鎵大功率器件未來應(yīng)用前景廣闊

由于對高速、高溫和大功率半導(dǎo)體器件需求的不斷增長，使得氮化鎵材料器件逐漸被半導(dǎo)體市場應(yīng)用。

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新能源領(lǐng)域：在可再生能源領(lǐng)域，在將風(fēng)電和太陽能電力接入電網(wǎng)以及減少輸電損耗方面，都發(fā)揮了極其重要的作用；綠色能源、電動汽車、綠色電子照明等新興領(lǐng)域正在成為功率器件市場應(yīng)用的新熱點，需求強勁。

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智能電網(wǎng)領(lǐng)域：功率半導(dǎo)體在提高整個電力供應(yīng)鏈——從發(fā)電、輸配電到{zh1}的用電——的能效方面發(fā)揮著至關(guān)重要的作用。

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信息通訊設(shè)備領(lǐng)域：增強型氮化鎵電晶體表現(xiàn)出高耐輻射性能，從而適用于通訊和科學(xué)衛(wèi)星的功率和通訊系統(tǒng)；點到點通信、衛(wèi)星通信、各種雷達和新型工業(yè)/醫(yī)療應(yīng)用都將從這些大功率氮化鎵器件的應(yīng)用中獲益。

4C產(chǎn)業(yè)：國內(nèi)各主要IT產(chǎn)品仍將保持旺盛的市場需求，筆記本電腦、顯示器、打印機、電視機、組合音響、激光視盤機等傳統(tǒng)產(chǎn)品以及新興汽車電子均將在未來保持平穩(wěn)增長。隨著全球空調(diào)、節(jié)能電機等電子產(chǎn)品產(chǎn)能向中國大陸轉(zhuǎn)移，功率半導(dǎo)體的需求也將成倍地增加。

根據(jù)MA-COM預(yù)計，未來隨著氮化鎵半導(dǎo)體在新能源、智能電網(wǎng)、信息通訊設(shè)備及4C產(chǎn)業(yè)的應(yīng)用逐步拓展，全球氮化鎵半導(dǎo)體市場潛在規(guī)模達94億美元。

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