131 1300 0010
一、化合物半導體應用前景廣闊，市場規模持續擴大
化合物半導體是由兩種及以上元素構成的半導體材料，目前最常用的材料有GaAs、GaN以及SiC等，作為第二代和第三代半導體的主要代表，因其在高功率、高頻率等方面特有的優勢，在信息通信、光電應用以及新能源汽車等產業中有著不可替代的地位。
多年以來，世界各國始終對化合物半導體保持高度重視，出臺相關政策支持本國產業的發展，2017年美國、德國、歐盟、日本等國家和組織啟動了至少12項研發計劃，總計投入研究經費達到6億美元。借助各國政府的大力支持，自從1965年第一支GaAs晶體管誕生以來，化合物半導體器件的制造技術取得了快速的進步，為化合物半導體的應用提供了堅實的基礎。目前，隨著ALD(原子層淀積)技術的逐漸成熟，化合物半導體HMET結構以及MOSFET結構的器件質量以及可靠性得到了極大的提升，進一步提高了化合物半導體材料在高頻高壓應用領域的市場占有率。未來隨著化合物半導體制造工藝的進一步提升，在邏輯應用方面取代傳統硅材料，從而等效延續摩爾定律成為了化合物半導體更為長遠的發展趨勢。
作為化合物半導體最主要的應用市場，射頻器件市場經歷了2015年到2016年的緩慢發展，時至今日，隨著5G基站更新換代以及設備小型化的巨大需求，全球射頻功率器件市場在2016年到2022年間將以9.8%的復合年增長率快速增長。市場規模有望從2016年的15億美元增長到2022年25億美元1。此外，隨著通信行業對器件性能的要求逐漸提高，GaN、GaAs等化合物半導體器件的優勢逐漸顯現，傳統硅工藝器件逐漸被取代，預計到2025年，化合物半導體將占據射頻器件市場份額的80%以上。
二、國外企業依然構成化合物半導體產業主體，我國已有所突破
化合物半導體產業鏈可主要分為晶圓制備、芯片設計、芯片制造以及芯片封測等環節，其中晶圓制備進一步細分為襯底制備和外延片制備兩部分。當前，化合物半導體產業多以IDM模式為主，即單一廠商縱向覆蓋芯片設計、芯片制造、到封裝測試等多個環節。然而，隨著襯底和器件制造技術的成熟和標準化，以及器件設計價值的提升，器件設計與制造分工的趨勢日益明顯。
GaAs半導體產業參與者多為Skyworks、Qorvo、Avago等國外IDM廠商。襯底制備、外延片方面，日本處于領先地位。晶圓制備方面，全球GaAs襯底出貨量將保持較強的增長趨勢，預計2023年年出貨量將從目前的170萬片上升到400萬片2。當前，住友電工、Freiberger、日立電纜、以及ATX四家企業采用國際先進的液封直拉法(LEC)和垂直梯度凝固法(VGF)，襯底直徑最大可達6英寸，占據了90%以上的國際市場。國內企業如中科晶電、中科鎵英等企業所制備的GaAs襯底普遍在2英寸到4英寸之間，部分企業仍采取較為落后的水平布里其曼法(HB)，晶體質量較差。制造代工方面，目前制造產能主要分布在IDM廠商和代工廠中，且代工廠的市場占比正不斷提高，其中臺灣的穩懋占據GaAs晶圓代工市場三分之二以上。產品設計方面，射頻器件由國外IDM廠商壟斷，我國在光電器件領域具備一定競爭力，目前已占全球LED市場近20%的份額。
GaN技術的難點在于晶圓制備工藝，歐美日在此方面優勢明顯，我國則以軍工應用為主，產能略有不足。由于將GaN晶體熔融所需氣壓極高，因此無法通過從熔融液中結晶的方法生長單晶，須采用外延技術生長GaN晶體來制備晶圓。目前最為主流的方法是氫化物氣沉積法，住友電工、三菱化學等企業均采用此法，其中日本住友電工是全球最大GaN晶圓生產商，占據了90%以上的市場份額。我國在GaN晶圓制造方面已經有所突破，蘇州納維公司的2英寸襯底片年產能已達到1500片，4英寸襯底已推出產品，目前正在開展6英寸襯底片研發。GaN外延片根據襯底材料的不同，可分為基于藍寶石、Si襯底、SiC以及GaN四種，分別用于LED、電力電子、射頻以及激光器，其晶體質量依次提升，成本依次升高。
SiC產業格局呈現美歐日三足鼎立態勢，美國產業優勢顯著，歐洲產業鏈完備，日本在設備和模塊技術方面領先。SiC外延片需要根據耐壓程度進行定制，因此目前仍然以IDM企業內部供應為主，占據外延市場的80%左右，主流技術為低壓化學氣相沉積(LPCVD)技術，未來隨著器件加工技術的不斷成熟，產品將趨于標準化，將有更多企業使用外部供應商產品，預計2020年其份額將超過50%。
三、光電器件、微波射頻、電力電子是目前主要應用領域
光電器件方面，主要應用包括太陽電池、半導體照明、激光器和探測器等?；贕aAs的化合物半導體光伏電池有著比Si基光伏電池更高的效率和更好的耐溫性；紫色激光器用于制造大容量光盤制造、醫療消毒、熒光激勵光源等；藍光、綠光、紅光激光器實現激光電視顯示；普通非增益GaN紫外探測器涉及導彈預警、衛星秘密通信、環境監測、化學生物探測等領域。
在微波射頻方面，化合物半導體最主要的應用場景是射頻功率放大器，在移動通信、導航設備、雷達電子對抗以及空間通信等系統中是最為核心的組成部分，其性能直接決定了手機等無線終端的通訊質量。在全球5G通信發展迅速的背景下，移動通訊功率放大器的需求量將呈現爆發式增長，其中，終端側功率放大器將延續GaAs工藝，而在基站側，傳統的Si基LDMOS工藝將被有著更高承載功率、效率更具優勢的GaN工藝所取代，以滿足基站小型化的需求。
在功率器件方面，化合物半導體主要應用于高壓開關器件，與傳統的Si工藝器件相比，化合物半導體器件具有更高的功率密度、更低的能量損耗和更好的高溫穩定性。目前600V以上的高端功率器件解決方案均采用SiC材料，相比傳統Si基IGBT，能量損失可以降低50%。
四、總結
化合物半導體因其良好的高頻高壓特性，在固態光源、微波射頻以及電力電子等方面有著不可替代的作用，未來隨著化合物半導體技術的進一步成熟，其核心地位將愈發凸顯，在摩爾定律即將走向終結的背景下，化合物半導體技術無疑為集成電路的發展開辟出一條全新的路徑。
