GaAs将迎来“第二春”

半导体产业纵横

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· 2022.10.24 18:26

从当下和未来化合物半导体市场总量来看,GaAs和InP依然占据绝大部分,而SiC和GaN则会在高功率应用领域逐步扩大市占率。

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GaAs将迎来“第二春”

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文 | 半导体产业纵横

随着各种高频和高功率应用需求的发展,化合物半导体市场规模不断扩大,相应芯片的设计和制造业务受到越来越多从业者和资本的关注,显现出良好的发展态势。

化合物半导体主要是指第二代和第三代半导体材料及工艺,其中,第二代以砷化镓(GaAs)、磷化铟(InP)为代表,它们相对于第一代半导体材料(以硅为主),具有电子迁移率高,光电转换效率高的优点,非常适用于制造光电和射频器件。手机的普及带动了GaAs功率放大器(PA)的增长,迎来了第二代半导体材料的成熟期。近些年,以碳化硅(SiC)和氮化镓(GaN)为代表的第三代化合物半导体火热异常,但无论是当下,还是未来,以GaAs为代表的第二代化合物半导体依然是射频器件,特别是手机等移动设备用PA的主要材料,占据着大部分市场份额。

据ResearchInChina统计,2018-2025年,全球GaAs元器件市场总产值将由95.19亿美元增长至160亿美元,年均复合增长率为7.7%。

InP的最大优势在于拥有比GaAs更高的功率密度,这个化合物特性使得InP在5G毫米波频段、B5G(Beyond 5G )次太赫兹(THz)频段运用效果更胜GaAs,也是业界普遍认为有潜力成为未来PA主流材料的热门选项。

GaAs的应用

与硅相比,GaAs的主要优势为耐高温(最高工作温度可以到摄氏350度左右)、抗辐射、发光效率高,基于这些特性,GaAs主要用于三个领域:射频(RF)、光电、LED,另外,光伏(PV)也有一定规模的应用。据Yole统计,2019年,GaAs在射频、光电子、LED和光伏应用领域份额分别为37%、12%、50%和2%,预计2025年将变为28%、18%、53%和1%。

射频应用方面,随着5G时代到来,5G手机越来越普及,此外,无线网路(如Wi-Fi)普及率也越来越高,且对性能和网速要求不断提升。这些系统中的无线射频模组必定含有的关键零组件是PA、射频开关和低噪声放大器(LNA)等,其中,PA是将无线通信信号放大的器件,经过放大的信号最终从手机或者基站发射出去,PA属于通信设备高能耗器件,目前,多数射频PA都是基于GaAs材料工艺制造的。

5G手机中的PA数量和单价,都比4G时代大幅增长。5G sub6GHz 频段中,GaAs HBT仍是PA的重要技术,5G新增了毫米波频段,GaAs pHEMT 则为重要的技术路线。总之,手机PA的这块大蛋糕在未来还是GaAs的天下。

手机基站方面,也要用到大量PA,以LDMOS(硅材料)、GaAs和GaN为主。与GaAs和LDMOS相比,GaN具备高频、高输出功率的优势,但GaAs凭借可靠性和高性价比,未来仍将是基站的主流工艺。据Yole统计,LDMOS和GaN材料将呈现出此消彼长的关系,GaAs则保持相对稳定的市场占有率,具体来看,2025年,LDMOS占比将下降到15%,GaN占比将上升到45%,而GaAs占比约为40%。在基站PA GaAs材料占比稳定的情况下,未来几年全球5G基站的建设将为上游GaAs产业带来稳定的市场需求。

从历史上看,GaAs在光电子领域应用规模较小,主要集中在数据通信应用上,但是,自从2017年苹果公司在其手机iPhone X中引入3D感应功能,以及Android平台采用GaAs垂直共振腔表面发射激光器(VCSEL)以来,VCSEL市场带动GaAs晶圆和外延片生产规模激增。

在苹果手机中,VCSEL主要用于人脸辨识。VCSEL具有较小的原场发散角、调制频率高且易于实现大规模阵列及光电集成等优点,可广泛应用于光通信、3D传感、面部识别、车载激光雷达等场景,且短期内不易被其它技术取代。随着手机3D面部感应渗透率提高,以及大容量光纤通信激光器的需求拉动,全球VCSEL的市场规模将从2020年的11亿美元,增长至2025年的27亿美元。因此,以VCSEL为代表的光电子领域将成为GaAs市场主要的成长动力。

除了VCSEL,光电二极管也是GaAs在光电子领域的重要应用。光电二极管是一种小型电子半导体器件,用于将光转换为电流,GaAs光电二极管是一种半导体光传感器,广泛应用于各种监测和高速光纤接收器。消费电子(烟雾探测器、光盘播放器、红外遥控设备等)和医疗设备(计算机断层造影探测器、脉搏血氧计等)应用是GaAs光电二极管市场的主要驱动力。据Maximize Market Research统计,预计2027年GaAs光电二极管市场规模将达到2687.9亿美元,2019-2027年均复合增长率为4.23%。

LED是GaAs应用的重要分支,特别是近些年,Mini LED和Micro LED快速发展,大幅拓宽了LED显示技术的应用场景,为GaAs带来了新的增长空间。

LED由含镓、砷、磷、氮等的化合物制成,是常用发光器件,可高效地将电能转化为光能。常规LED主要应用于通用照明、户外大显示屏等;Mini LED以HDR、异型显示器等背光源应用为主,适应用于手机、电视、车用面板及电竞笔记本电脑等产品;Micro LED的应用概念跟前两者有很大差异,可应用在穿戴式的手表、手机、车用显示器、扩增实境/虚拟实境、显示屏及电视等领域。Mini LED是LED背光的改良版本,可以大幅提升液晶画面效果,同时成本相对容易控制,有望成为市场的主流。Micro LED在画质方面会有质的提升,是新一代革命性的显示技术,若实现量产,将推动GaAs市场快速增长。

产业格局

在GaAs芯片制造方面,行业龙头企业仍以IDM为主,厂商主要包括美国的Skyworks、Qorvo、Broadcom/Avago以及Wolfspeed,还有德国的Infineon。这些IDM,以Avago和Skyworks为例,当自身产能不足时,会将产品交给代工厂生产,Avago的主要代工厂商是稳懋(WIN),Skyworks的代工厂商是宏捷科技(AWSC),Qorvo的产能充足,主要自产,而且还会向外提供代工服务。

根据稳懋2021年报数据,目前,GaAs芯片制造市场中,IDM企业占有超过50%的市场份额,在射频GaAs芯片市场,IDM占据明显优势,稳懋2021年报援引StrategyAnalytics数据显示,Skyworks和Qorvo分别占市场份额的31.6%和29.7%,GaAs晶圆代工龙头稳懋占比仅9.2%。

近些年,化合物半导体的晶圆代工比例在不断提升,不过,由于化合物半导体在结构、成分、缺陷等方面难于硅晶圆制造,能提供高水平晶圆代工的企业并不多,目前,全球GaAs晶圆代工主要聚集在中国台湾地区和美国,稳懋、GCS(环宇)和宏捷科技占据着全球90%的市场份额,据Strategy Analytics统计,在全球GaAs晶圆代工领域,稳懋以71%的市占率独占鳌头。

目前来看,GaAs晶圆代工厂的主要客户是Avago、Skyworks等IDM大厂。前些年,Avago将其位于科罗拉多的工厂出售给了GaAs代工龙头稳懋,Avago还入股稳懋,成为后者的大股东之一,Avago的HBT产品大多交给稳懋代工。这些从一个侧面说明了IDM产能外包成为了一种趋势,化合物半导体代工市场正在快速成长。

代工业务的发展,在很大程度上是因为GaAs技术和市场已经发展到了非常成熟的阶段,特别是其衬底和器件技术不断实现标准化,产品多样化,相应的设计企业增加,使得代工业务需求不断增加。这与逻辑器件代工业的发展轨迹类似。

随着5G的普及,相应的高性能射频和功率器件订单明显增加,订单的超预期使得GaAs晶圆代工大厂产能吃紧。随着5G的大规模应用,该市场的需求量还将进一步提升,龙头厂商产能进入满载周期,给中国大陆化合物半导体生产厂商带来了商机,在国内的GaAs代工领域,玩家总体数量不多,能提供高水平代工业务的更是凤毛麟角,主要有三安光电、海特高新等少数企业,其中,三安光电作为国产化合物半导体领域的龙头企业,已经建成国内首条6英寸GaAs、GaN外延片产线并投入量产。

在制程工艺方面,化合物半导体与存储器和逻辑器件有很大区别,因为前者面向射频、高电压、大功率、光电子等应用领域,并不追求很先进的工艺节点,GaAs器件以0.13μm、0.18μm以上制程为主,Qorvo正在进行90nm工艺研发。该领域基本不需要60nm以下的制程。

此外,由于受GaAs衬底尺寸限制,目前的生产线以4英寸和6英寸晶圆为主。

结语

在材料特性方面,以GaAs为代表的第二代化合物半导体明显优于第一代半导体材料硅,特别是在射频和光电子应用领域。与此同时,与SiC、GaN这些第三代化合物半导体材料相比,GaAs的工艺成熟度和性价比也具备明显优势,特别是在中低电压应用领域,优势更为明显。

总之,从当下和未来化合物半导体市场总量来看,GaAs和InP依然占据绝大部分,而SiC和GaN则会在高功率应用领域逐步扩大市占率。

在GaAs芯片制造方面,与逻辑芯片(以CPU、GPU等处理器为代表)呈现出相似的发展趋势,那就是晶圆代工比例逐步上升,IDM的市占率呈下滑态势,不过,在可预见的未来,IDM依然会占据半壁江山,与晶圆代工分庭抗礼。

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