從射頻角度看砷化鎵，國產(chǎn)當(dāng)自強(qiáng)

砷化鎵，不尷不尬？

按照業(yè)界約定俗成的“斷代法”，半導(dǎo)體材料分為第一代、第二代和第三代半導(dǎo)體材料。

第一代半導(dǎo)體材料，以硅（Si）為代表，已經(jīng)擁有了廣泛的產(chǎn)業(yè)群眾基礎(chǔ)，形成了龐大市場規(guī)模，摩爾定律驅(qū)動下的納米級工藝升級，12 寸、18 寸及越來越大的大硅片，也是同樣萬眾矚目；

第三代半導(dǎo)體材料，以氮化鎵（GaN）和碳化硅（SiC）為代表，材料性能優(yōu)異，概念新穎、愿景廣闊。代表著未來趨勢，因此也成了資本市場追逐的焦點。

而作為第二代半導(dǎo)體材料代表的砷化鎵（GaAs），不尷不尬的，即便是偶有關(guān)注，也是點到為止。

是不是就代表著砷化鎵就不重要了呢？

非但不是，砷化鎵也是一個卡脖子嚴(yán)重的半導(dǎo)體領(lǐng)域。

被“卡脖子”的砷化鎵

自從華為成為美國摧毀中國科技信心的靶子之后，對華為制裁的不斷升級。作為應(yīng)對措施，華為也在穩(wěn)步推動“備胎計劃”的實施。

其中一個重要舉措，就是將手機(jī)射頻關(guān)鍵部件 PA，從原來采購于 Skyworks（思佳訊）、Qorvo（科沃）、Broadcom（博通）三家美資企業(yè)，變成了自研；為了降低代工廠過于集中的風(fēng)險，從原來由臺資 Foundry 廠穩(wěn)懋代工生產(chǎn)，轉(zhuǎn)單給三安集成電路有限公司（三安光電下屬公司）。

而目前 4G、5G 手機(jī)主流的 PA，主要是以砷化鎵為材料，足以說明砷化鎵的重要地位。

砷化鎵，渾身都是寶

作為第二代半導(dǎo)體材料的代表，砷化鎵具有寬禁帶，高頻，高壓，抗輻射、耐高溫及發(fā)光效率高等特性（相對），被廣泛應(yīng)用于移動通信（智能手機(jī)等）、無線通信（基站）、光纖通信、LED、光伏、衛(wèi)星導(dǎo)航等領(lǐng)域。

從產(chǎn)品應(yīng)用角度，砷化鎵渾身都是寶，既可以用于微波通信、又可以用作微電子和光電。在微電子領(lǐng)域，如微波通信射頻、消費電子射頻領(lǐng)域（ PA 和 Switch）等；在光電子領(lǐng)域，如 LED、激光 VCSEL、太陽能等領(lǐng)域。

根據(jù) Yole Development 關(guān)于砷化鎵研報中，可以參考一下，將砷化鎵應(yīng)用分為 RF（射頻）, PHOTONICS（光電子）, LED（發(fā)光二極管）和 PV（光伏發(fā)電）四大領(lǐng)域。

在這四大領(lǐng)域中，以 RF（射頻）占比最高，以半絕緣性砷化鎵為主，應(yīng)用于手機(jī) PA 和 Switch，基站射頻等方面 ；其次為 LED（發(fā)光二極管），以半導(dǎo)體型砷化鎵材料為主。隨著手機(jī) 3D 面部感應(yīng)滲透率提高、大容量光纖通信激光器的需求拉動，以 VECSEL 為代表的 PHOTONICS（光電子）也將成為砷化鎵增長的驅(qū)動力之一。

砷化鎵 PA，從基站和手機(jī)兩個維度看

砷化鎵應(yīng)用于射頻領(lǐng)域，主要環(huán)節(jié)是 PA，即 Power Amplifier（功率放大器），就是將無線通信信號放大的器件。經(jīng)過 PA 放大的信號，最終從手機(jī)或者基站發(fā)射出去，屬于通信設(shè)備高能耗環(huán)節(jié)。

當(dāng)然，基站和手機(jī)，用到的 PA 材料也不盡相同。

基站 PA，以 LDMOS（Si 材料）、砷化鎵（GaAs）和氮化鎵（GaN）為主；而手機(jī) PA，目前以 CMOS（Si 材料）和砷化鎵為主。

我們先看一下基站 PA 領(lǐng)域用的砷化鎵：

根據(jù) Yole Development 的數(shù)據(jù)，LDMOS 與氮化鎵將呈現(xiàn)出此消彼長的關(guān)系，砷化鎵則保持相對穩(wěn)定的市場占有率。2025 年，LDMOS 占比將下降到 15%，氮化鎵占比將上升到 45%，而砷化鎵占比約為 40%。

這是一個看過百變?nèi)匀徊粎挼膱D，展示的是基站 PA 領(lǐng)域，三種不同材料的未來應(yīng)用趨勢。

我來簡單解釋一下，從趨勢看，LDMOS（橫向擴(kuò)散金屬氧化物半導(dǎo)體，Si 材料）市場份額會慢慢萎縮，氮化鎵（GaN）市場份額會慢慢上升，而砷化鎵（GaAs）份額則會相對穩(wěn)定。

主要原因是 Si 材料 LDMOS 工藝制作的 PA，已經(jīng)不能滿足 5G 高頻、高速、高功率等性能要求；而氮化鎵（GaN）作為第三代半導(dǎo)體材料的核心，具有“完美”的性能，但有一個確定，就是價格過于昂貴。

在半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用中，要充分的平衡性能和價格這另個指標(biāo)，滿足性能的前提下，價格優(yōu)先，已達(dá)到最優(yōu)性價比。

由于 LDMOS 在高頻方面受限，GaAs 在高功率方面受限，因此，在宏基站領(lǐng)域，氮化鎵（GaN）PA 將成為主流，而在小基站領(lǐng)域，對性能要求沒那么高，砷化鎵（GaAs）擁有性價比高的絕對優(yōu)勢，還將維持市場份額。

再看一下手機(jī) PA 的砷化鎵：

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手機(jī)領(lǐng)域的 PA 主要以硅（CMOS 工藝）和砷化鎵為主。

其中 CMOS 工藝 PA，具有成本優(yōu)勢，但是受限于產(chǎn)品性能和設(shè)計復(fù)雜性，一般主要應(yīng)用于 2G 的手機(jī)終端。而 3G、4G、5G 的智能終端，目前還是以砷化鎵 PA 為主。

隨著移動通信向 5G 演進(jìn)，2G 面臨退網(wǎng)，CMOS 工藝 PA 市場空間會越來越壓縮，將主要應(yīng)用于低功耗物聯(lián)網(wǎng)為代表的領(lǐng)域。

砷化鎵的市場規(guī)模

這部分可以一掠而過，這種行業(yè)規(guī)模規(guī)模的數(shù)據(jù)，大概看看量級就好。

根據(jù)中國產(chǎn)業(yè)信息網(wǎng)， 目前中國砷化鎵元件的市場規(guī)模約為 300 億左右，未來年增長率約為 15%。

數(shù)據(jù)來源：中國信息產(chǎn)業(yè)網(wǎng)

砷化鎵產(chǎn)業(yè)鏈構(gòu)成

同其他半導(dǎo)體材料產(chǎn)業(yè)鏈類似，砷化鎵產(chǎn)業(yè)鏈也包括晶圓（襯底、外延片），芯片設(shè)計、晶圓代工、封測、下游元器件和應(yīng)用等幾個環(huán)節(jié)。

砷化鎵市場競爭格局

前文提到過，砷化鎵也是“卡脖子”環(huán)節(jié)諸多的一個半導(dǎo)體細(xì)分領(lǐng)域，國內(nèi)廠商競爭力普遍偏弱。

在砷化鎵晶圓環(huán)節(jié)，根據(jù) Strategy Analytics 數(shù)據(jù)，2018 年前四大砷化鎵外延片廠商為 IQE（英國）、全新光電（VPEC，中國臺灣）、住友化學(xué)（Sumitomo Chemicals，日本）、英特磊（IntelliEPI，中國臺灣），市場占有率分別為 54%、25%、13%、6%。CR4 高達(dá) 98%。

而在砷化鎵晶圓制造環(huán)節(jié)（Foundry+IDM），中國臺灣系代工廠為主流，穩(wěn)懋（中國臺灣）一家獨大，占據(jù)了砷化鎵晶圓代工市場的 71%份額，其次為宏捷（中國臺灣）與環(huán)宇（GCS，美國），分別為 9%和 8%。

從最終砷化鎵產(chǎn)品來看（PA 為主），全球競爭格局也是以歐美產(chǎn)商為主，最大 Skyworks（思佳訊），市場占有率為 30.7%，其次為 Qorvo（科沃，RFMD 和 TriQuint 合并而成），市場份額為 28%，第三名為 Avago（安華高，博通收購）。這三家都是美國企業(yè)。

砷化鎵，國產(chǎn)當(dāng)自強(qiáng)

從前文砷化鎵市場競爭格局一節(jié)可以看得出來，砷化鎵三大產(chǎn)業(yè)鏈環(huán)節(jié)，晶圓、晶圓制造代工、核心元器件環(huán)節(jié)，都以歐美、日本和中國臺灣廠商為主導(dǎo)，中國企業(yè)起步晚，在產(chǎn)業(yè)鏈中話語權(quán)不強(qiáng)。

不過從三個環(huán)節(jié)來看，已經(jīng)有突破的跡象。