GaAs將迎來(lái)“第二春”
來(lái)源：半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)縱橫
隨著各種高頻和高功率應(yīng)用需求的發(fā)展，化合物半導(dǎo)體市場(chǎng)規(guī)模不斷擴(kuò)大，相應(yīng)芯片的設(shè)計(jì)和制造業(yè)務(wù)受到越來(lái)越多從業(yè)者和資本的關(guān)注，顯現(xiàn)出良好的發(fā)展態(tài)勢(shì)。
化合物半導(dǎo)體主要是指第二代和第三代半導(dǎo)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(duì)于第一代半導(dǎo)體材料（以硅為主），具有電子遷移率高，光電轉(zhuǎn)換效率高的優(yōu)點(diǎn)，非常適用于制造光電和射頻器件。手機(jī)的普及帶動(dòng)了GaAs功率放大器(PA)的增長(zhǎng)，迎來(lái)了第二代半導(dǎo)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(dǎo)體火熱異常，但無(wú)論是當(dāng)下，還是未來(lái)，以GaAs為代表的第二代化合物半導(dǎo)體依然是射頻器件，特別是手機(jī)等移動(dòng)設(shè)備用PA的主要材料，占據(jù)著大部分市場(chǎng)份額。
據(jù)ResearchInChina統(tǒng)計(jì)，2018-2025年，全球GaAs元器件市場(chǎng)總產(chǎn)值將由95.19億美元增長(zhǎng)至160億美元，年均復(fù)合增長(zhǎng)率為7.7%。
InP的最大優(yōu)勢(shì)在于擁有比GaAs更高的功率密度，這個(gè)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(yùn)用效果更勝GaAs，也是業(yè)界普遍認(rèn)為有潛力成為未來(lái)PA主流材料的熱門選項(xiàng)。
GaAs的應(yīng)用
與硅相比，GaAs的主要優(yōu)勢(shì)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(gè)領(lǐng)域：射頻（RF）、光電、LED，另外，光伏（PV）也有一定規(guī)模的應(yīng)用。據(jù)Yole統(tǒng)計(jì)，2019年，GaAs在射頻、光電子、LED和光伏應(yīng)用領(lǐng)域份額分別為37%、12%、50%和2%，預(yù)計(jì)2025年將變?yōu)?8%、18%、53%和1%。
射頻應(yīng)用方面，隨著5G時(shí)代到來(lái)，5G手機(jī)越來(lái)越普及，此外，無(wú)線網(wǎng)路（如Wi-Fi）普及率也越來(lái)越高，且對(duì)性能和網(wǎng)速要求不斷提升。這些系統(tǒng)中的無(wú)線射頻模組必定含有的關(guān)鍵零組件是PA、射頻開關(guān)和低噪聲放大器（LNA）等，其中，PA是將無(wú)線通信信號(hào)放大的器件，經(jīng)過(guò)放大的信號(hào)最終從手機(jī)或者基站發(fā)射出去，PA屬于通信設(shè)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(jī)中的PA數(shù)量和單價(jià)，都比4G時(shí)代大幅增長(zhǎng)。5G sub6GHz 頻段中，GaAs HBT仍是PA的重要技術(shù)，5G新增了毫米波頻段，GaAs pHEMT 則為重要的技術(shù)路線?？傊?，手機(jī)PA的這塊大蛋糕在未來(lái)還是GaAs的天下。
手機(jī)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(shì)，但GaAs憑借可靠性和高性價(jià)比，未來(lái)仍將是基站的主流工藝。據(jù)Yole統(tǒng)計(jì)，LDMOS和GaN材料將呈現(xiàn)出此消彼長(zhǎng)的關(guān)系，GaAs則保持相對(duì)穩(wěn)定的市場(chǎng)占有率，具體來(lái)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(lái)幾年全球5G基站的建設(shè)將為上游GaAs產(chǎn)業(yè)帶來(lái)穩(wěn)定的市場(chǎng)需求。
從歷史上看，GaAs在光電子領(lǐng)域應(yīng)用規(guī)模較小，主要集中在數(shù)據(jù)通信應(yīng)用上，但是，自從2017年蘋果公司在其手機(jī)iPhone X中引入3D感應(yīng)功能，以及Android平臺(tái)采用GaAs垂直共振腔表面發(fā)射激光器（VCSEL）以來(lái)，VCSEL市場(chǎng)帶動(dòng)GaAs晶圓和外延片生產(chǎn)規(guī)模激增。
在蘋果手機(jī)中，VCSEL主要用于人臉辨識(shí)。VCSEL具有較小的原場(chǎng)發(fā)散角、調(diào)制頻率高且易于實(shí)現(xiàn)大規(guī)模陣列及光電集成等優(yōu)點(diǎn)，可廣泛應(yīng)用于光通信、3D傳感、面部識(shí)別、車載激光雷達(dá)等場(chǎng)景，且短期內(nèi)不易被其它技術(shù)取代。隨著手機(jī)3D面部感應(yīng)滲透率提高，以及大容量光纖通信激光器的需求拉動(dòng)，全球VCSEL的市場(chǎng)規(guī)模將從2020年的11億美元，增長(zhǎng)至2025年的27億美元。因此，以VCSEL為代表的光電子領(lǐng)域?qū)⒊蔀镚aAs市場(chǎng)主要的成長(zhǎng)動(dòng)力。
除了VCSEL，光電二極管也是GaAs在光電子領(lǐng)域的重要應(yīng)用。光電二極管是一種小型電子半導(dǎo)體器件，用于將光轉(zhuǎn)換為電流，GaAs光電二極管是一種半導(dǎo)體光傳感器，廣泛應(yīng)用于各種監(jiān)測(cè)和高速光纖接收器。消費(fèi)電子（煙霧探測(cè)器、光盤播放器、紅外遙控設(shè)備等）和醫(yī)療設(shè)備（計(jì)算機(jī)斷層造影探測(cè)器、脈搏血氧計(jì)等）應(yīng)用是GaAs光電二極管市場(chǎng)的主要驅(qū)動(dòng)力。據(jù)Maximize Market Research統(tǒng)計(jì)，預(yù)計(jì)2027年GaAs光電二極管市場(chǎng)規(guī)模將達(dá)到2687.9億美元，2019-2027年均復(fù)合增長(zhǎng)率為4.23%。
LED是GaAs應(yīng)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(shù)的應(yīng)用場(chǎng)景，為GaAs帶來(lái)了新的增長(zhǎng)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(zhuǎn)化為光能。常規(guī)LED主要應(yīng)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(yīng)用為主，適應(yīng)用于手機(jī)、電視、車用面板及電競(jìng)筆記本電腦等產(chǎn)品；Micro LED的應(yīng)用概念跟前兩者有很大差異，可應(yīng)用在穿戴式的手表、手機(jī)、車用顯示器、擴(kuò)增實(shí)境/虛擬實(shí)境、顯示屏及電視等領(lǐng)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(shí)成本相對(duì)容易控制，有望成為市場(chǎng)的主流。Micro LED在畫質(zhì)方面會(huì)有質(zhì)的提升，是新一代革命性的顯示技術(shù)，若實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)，將推動(dòng)GaAs市場(chǎng)快速增長(zhǎng)。
產(chǎn)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(guó)的Skyworks、Qorvo、Broadcom/Avago以及Wolfspeed，還有德國(guó)的Infineon。這些IDM，以Avago和Skyworks為例，當(dāng)自身產(chǎn)能不足時(shí)，會(huì)將產(chǎn)品交給代工廠生產(chǎn)，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(chǎn)能充足，主要自產(chǎn)，而且還會(huì)向外提供代工服務(wù)。
根據(jù)穩(wěn)懋2021年報(bào)數(shù)據(jù)，目前，GaAs芯片制造市場(chǎng)中，IDM企業(yè)占有超過(guò)50%的市場(chǎng)份額，在射頻GaAs芯片市場(chǎng)，IDM占據(jù)明顯優(yōu)勢(shì)，穩(wěn)懋2021年報(bào)援引StrategyAnalytics數(shù)據(jù)顯示，Skyworks和Qorvo分別占市場(chǎng)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(dǎo)體的晶圓代工比例在不斷提升，不過(guò)，由于化合物半導(dǎo)體在結(jié)構(gòu)、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(guó)臺(tái)灣地區(qū)和美國(guó)，穩(wěn)懋、GCS（環(huán)宇）和宏捷科技占據(jù)著全球90%的市場(chǎng)份額，據(jù)Strategy Analytics統(tǒng)計(jì)，在全球GaAs晶圓代工領(lǐng)域，穩(wěn)懋以71%的市占率獨(dú)占鰲頭。
目前來(lái)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(chǎn)品大多交給穩(wěn)懋代工。這些從一個(gè)側(cè)面說(shuō)明了IDM產(chǎn)能外包成為了一種趨勢(shì)，化合物半導(dǎo)體代工市場(chǎng)正在快速成長(zhǎng)。
代工業(yè)務(wù)的發(fā)展，在很大程度上是因?yàn)镚aAs技術(shù)和市場(chǎng)已經(jīng)發(fā)展到了非常成熟的階段，特別是其襯底和器件技術(shù)不斷實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)化，產(chǎn)品多樣化，相應(yīng)的設(shè)計(jì)企業(yè)增加，使得代工業(yè)務(wù)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(yīng)的高性能射頻和功率器件訂單明顯增加，訂單的超預(yù)期使得GaAs晶圓代工大廠產(chǎn)能吃緊。隨著5G的大規(guī)模應(yīng)用，該市場(chǎng)的需求量還將進(jìn)一步提升，龍頭廠商產(chǎn)能進(jìn)入滿載周期，給中國(guó)大陸化合物半導(dǎo)體生產(chǎn)廠商帶來(lái)了商機(jī)，在國(guó)內(nèi)的GaAs代工領(lǐng)域，玩家總體數(shù)量不多，能提供高水平代工業(yè)務(wù)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(guó)產(chǎn)化合物半導(dǎo)體領(lǐng)域的龍頭企業(yè)，已經(jīng)建成國(guó)內(nèi)首條6英寸GaAs、GaN外延片產(chǎn)線并投入量產(chǎn)。
在制程工藝方面，化合物半導(dǎo)體與存儲(chǔ)器和邏輯器件有很大區(qū)別，因?yàn)榍罢呙嫦蛏漕l、高電壓、大功率、光電子等應(yīng)用領(lǐng)域，并不追求很先進(jìn)的工藝節(jié)點(diǎn)，GaAs器件以0.13μm、0.18μm以上制程為主，Qorvo正在進(jìn)行90nm工藝研發(fā)。該領(lǐng)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(chǎn)線以4英寸和6英寸晶圓為主。
結(jié)語(yǔ)
在材料特性方面，以GaAs為代表的第二代化合物半導(dǎo)體明顯優(yōu)于第一代半導(dǎo)體材料硅，特別是在射頻和光電子應(yīng)用領(lǐng)域。與此同時(shí)，與SiC、GaN這些第三代化合物半導(dǎo)體材料相比，GaAs的工藝成熟度和性價(jià)比也具備明顯優(yōu)勢(shì)，特別是在中低電壓應(yīng)用領(lǐng)域，優(yōu)勢(shì)更為明顯。
總之，從當(dāng)下和未來(lái)化合物半導(dǎo)體市場(chǎng)總量來(lái)看，GaAs和InP依然占據(jù)絕大部分，而SiC和GaN則會(huì)在高功率應(yīng)用領(lǐng)域逐步擴(kuò)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(shì)，那就是晶圓代工比例逐步上升，IDM的市占率呈下滑態(tài)勢(shì)，不過(guò)，在可預(yù)見的未來(lái)，IDM依然會(huì)占據(jù)半壁江山，與晶圓代工分庭抗禮。