5G、新能源產(chǎn)業(yè)的另一面：化合物半導體正快速崛起

關(guān)于化合物半導體的那些事。

蘋(píng)果新品發(fā)布后，雖然再次被外界詬病缺乏創(chuàng )新，但“浴霸”三攝，還是讓不少消費者“真香”，而前兩年推出的Face ID則被稱(chēng)為蘋(píng)果最后的創(chuàng )新，帶起了手機廠(chǎng)商的學(xué)習效仿風(fēng)。也正是因為Face ID，蘋(píng)果拉了一把上游的VCSEL產(chǎn)業(yè)鏈，化合物半導體以一種全新的方式“席卷”消費端市場(chǎng)。

同時(shí)，隨著(zhù)5G商業(yè)化的快速推進(jìn)，作為5G關(guān)鍵電子元器件的一部分，化合物半導體也再次站到了風(fēng)口浪尖，引發(fā)了新一輪產(chǎn)業(yè)洗牌和變革。

材料千千萬(wàn)，化合物半導體的春天來(lái)了

硅谷之所以以硅為名，因為硅是一種重要的半導體材料，當硅材料取代笨重的電子管，英特爾、蘋(píng)果、高通、臺積電、三星順勢而起，集成電路的突破成就了這些科技巨頭。

當前，全球95%以上的半導體芯片和器件是用硅片作為基礎功能材料而生產(chǎn)出來(lái)的。不過(guò)，在電子半導體的另一面，以砷化鎵（GaAs）、氮化鎵（GaN）、碳化硅（SiC）等為代表的化合物半導體，正在快速崛起。

光纖通信、手機的無(wú)線(xiàn)通信系統、用于三維識別的VSECL泛光源、自動(dòng)駕駛的毫米波雷達、5G基站的射頻模塊……新應用場(chǎng)景的涌現，是化合物半導體大規模應用的催化劑。

化合物半導體的概念很簡(jiǎn)單，就是一類(lèi)由化合物構成的半導體材料，通常由兩種以上的元素構成，所以它的組合方式很多，帶來(lái)的想象空間也更大。

當前，業(yè)內將硅基半導體稱(chēng)為第一代半導體材料，化合物半導體則囊括了第二代和第三代材料，第二代主要以砷化鎵（GaAs）為代表，第三代半導體材料則囊括了碳化硅（SiC）、氮化鎵（GaN）、金剛石等，因其禁帶寬度（帶隙）大于或等于2.3電子伏特，又被稱(chēng)為寬禁帶半導體材料。

圖源：半導體行業(yè)觀(guān)察

相較于硅基半導體，化合物半導體最顯著(zhù)的特性是電子遷移率高，所以適用于高頻、大功率傳輸，適合射頻器件、光電器件、功率器件的制造；硅半導體則多用于邏輯器件、存儲器等。從這個(gè)角度看，化合物半導體是硅器件的延伸，不是替代，兩者構成了現在的電子化、智能化時(shí)代。

舉個(gè)例子，5G頻率高，傳輸距離短，對功率要求高，相應的對基站與終端的應用場(chǎng)景提出了全新挑戰，通訊組件與電子器件必須適應更高頻、高溫、高功率的環(huán)境，氮化鎵體積小功率大的特性，就是目前最適合5G基站PA（射頻功率放大器）的材料。而前幾代通訊技術(shù)的射頻模塊材料則被砷化鎵包下，砷化鎵也是目前智能手機設PA的主要半導體材料。可想而知，化合物半導體材料的發(fā)展前景非常廣闊。

但和成熟的硅基半導體產(chǎn)業(yè)不同的是，化合物半導體由于材料的特殊性和生產(chǎn)制備的復雜性，其產(chǎn)業(yè)鏈的技術(shù)遠沒(méi)有硅基半導體成熟。

當消費電子產(chǎn)品以數億量級鋪開(kāi)，產(chǎn)業(yè)鏈上下游早已經(jīng)做好了準備，但當化合物半導體的應用量級在快速飆升時(shí)，產(chǎn)業(yè)鏈的步伐卻沒(méi)能及時(shí)跟上。

量級不一樣，生產(chǎn)制備工藝的挑戰變高，業(yè)內人士曾舉過(guò)例子，“集成電路設計圖給到臺積電，后續的生產(chǎn)工藝完全不用擔心。但化合物半導體代工廠(chǎng)完全不一樣，工程師還需要去FAB代工廠(chǎng)討論工藝怎么做。”

產(chǎn)業(yè)分工逐漸明朗，關(guān)鍵技術(shù)在國外巨頭手中

在理清化合物半導體產(chǎn)業(yè)鏈發(fā)展現狀前，首先得明確兩個(gè)概念：襯底和外延。

襯底是半導體單晶材料制成的晶圓片，它既可以直接進(jìn)入晶圓制造環(huán)節生產(chǎn)半導體器件，也可以通過(guò)外延工藝加工生產(chǎn)成外延片。

外延指在單晶襯底上生長(cháng)一層新單晶的過(guò)程，新單晶可以與襯底為同一材料，也可以是不同材料。比如氮化鎵通常會(huì )在藍寶石、SiC、Si等異質(zhì)襯底上進(jìn)行外延。

化合物半導體與硅半導體的制備工藝類(lèi)似，但是晶圓制造有所區別，硅半導體采用直拉法生長(cháng)成一個(gè)圓柱型的單晶硅棒，對單晶硅棒進(jìn)行切割制成晶圓；化合物半導體則是在 GaAs、InP、GaP、藍寶石、SiC 等化合物基板上形成薄膜（外延層），然后對這個(gè)外延層加工，實(shí)現特定的器件功能。

當前，外延片生長(cháng)主要依靠生長(cháng)工藝和設備，制造外延片的主流方法包括金屬有機物化學(xué)氣相沉積（MOCVD）和分子束外延，前者屬于行業(yè)市場(chǎng)“最經(jīng)濟”的外延生長(cháng)方法，但設備制造難度依然很大，只有少數公司可以進(jìn)行商業(yè)化生產(chǎn)。

圖 | MOCVD系統

所以化合物半導體產(chǎn)業(yè)鏈通?？梢苑譃椋?strong>設計、外延、晶圓制造和封測等環(huán)節，其中外延又包括襯底。

鎂客網(wǎng)將目前商業(yè)化較高的兩種化合物半導體材料產(chǎn)業(yè)鏈進(jìn)行了系統化的梳理，從襯底、外延工藝、到晶圓設計、代工以及一攬子全包的IDM，化合物半導體產(chǎn)業(yè)相較硅半導體顯然低調很多。

砷化鎵產(chǎn)業(yè)鏈的設計與先進(jìn)技術(shù)主要掌握在國際IDM大廠(chǎng)手中，襯底市場(chǎng)則是日本、美國等廠(chǎng)商占據主導地位。外延生產(chǎn)方面，英國IQE的份額高達60%，其次是臺灣全新光電，也屬于巨頭壟斷的局面。晶圓代工依然是臺灣企業(yè)占大頭，僅穩懋一家，在2016年的市場(chǎng)占比就高達66%，內地化合物晶圓代工企業(yè)三安光電處于追趕過(guò)程中。

氮化鎵產(chǎn)業(yè)面臨同樣的問(wèn)題，整個(gè)化合物半導體產(chǎn)業(yè)鏈上，國內企業(yè)的聲音還比較小，以用于通信基站的氮化鎵器件為例，基本上都是來(lái)自國外的Qorvo、Skyworks等公司，美國廠(chǎng)商已經(jīng)基本壟斷大功率射頻器件，可見(jiàn)這對國外企業(yè)依賴(lài)程度極高。

而且已經(jīng)掌握核心工藝的大公司還在通過(guò)不斷的并購擴大既有市場(chǎng)規模，同時(shí)，隨著(zhù)化合物半導體和電子通信產(chǎn)業(yè)的聯(lián)系越來(lái)越緊密，硅半導體行業(yè)內的巨頭們也在“跨界”，收攏化合物半導體公司。高通以35億美元的價(jià)格收購射頻濾波器廠(chǎng)商、華為全資控股的投資公司哈勃投資碳化硅企業(yè)山東天岳等等都是典型案例。

另一方面，和硅半導體的發(fā)展類(lèi)似，化合物半導體的產(chǎn)業(yè)發(fā)展模式正在由IDM轉為設計+代工生產(chǎn)。兩年前，博通選擇剝離砷化鎵制造業(yè)務(wù)，將其賣(mài)給代工廠(chǎng)穩懋公司，專(zhuān)注砷化鎵射頻器件的設計環(huán)節。再往前，avago也將自己在科羅拉多的工廠(chǎng)出售給穩懋。除此之外，硅半導體代工巨頭也看了新的機會(huì )，比如在氮化鎵電子器件市場(chǎng)，臺積電也加入了代工隊伍，瞄準龐大的5G市場(chǎng)。

潘多拉魔盒打開(kāi)，國內廠(chǎng)商追趕中

從化合物半導體的產(chǎn)業(yè)鏈來(lái)看，國外巨頭壟斷了核心工藝生產(chǎn)，主要的IDM企業(yè)也以美國公司為主。比如傳統消費電子市場(chǎng)基本上已經(jīng)被博通、Skyworks等公司壟斷，大部分手機廠(chǎng)商的砷化鎵功率放大器都是他們的囊中之物。

不過(guò)，蘋(píng)果Face ID帶起的VCSEL熱潮，讓不少?lài)鴥瘸鮿?chuàng )公司看到了突圍的機會(huì )。

而在行業(yè)應用市場(chǎng)，5G通信基站和新能源汽車(chē)都是香餑餑，當前日本住友電工的氮化鎵功率放大器已在華為新建的基站上批量應用，考慮到5G基站較之前幾代通信基站，數量級會(huì )成倍提高，根據賽迪顧問(wèn)預測，5G宏基站總數量將會(huì )是4G宏基站1.1到1.5倍，這部分市場(chǎng)勢必會(huì )帶動(dòng)化合物半導體材料的新一輪爆發(fā)。

相較之下，國內的化合物半導體產(chǎn)業(yè)還處于中下游，一方面國內開(kāi)展碳化硅、氮化鎵材料和器件方面的研究工作晚于國外，其次就是國內半導體產(chǎn)業(yè)的材料創(chuàng )新以及原始創(chuàng )新問(wèn)題，浮躁的市場(chǎng)環(huán)境難以忍受“只投入，不產(chǎn)出”的現狀，讓化合物半導體為代表的新材料原始創(chuàng )新愈加艱難。但從某種程度上來(lái)說(shuō)，化合物半導體也是我國半導體產(chǎn)業(yè)的關(guān)鍵咽喉，作為通信器件的關(guān)鍵一環(huán)，一旦被人扼住命脈，很多下游的終端應用企業(yè)的發(fā)展都會(huì )受到桎梏。

新場(chǎng)景的出現，打開(kāi)了化合物半導體的潘多拉魔盒，也觸發(fā)了國內半導體產(chǎn)業(yè)的另一面變革。

目前，國內已經(jīng)出臺相關(guān)政策促進(jìn)化合物半導體產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，地區政府也在積極推動(dòng)化合物半導體產(chǎn)業(yè)，蘇州正在打造第三代半導體產(chǎn)業(yè)基地，吸納了不少氮化鎵產(chǎn)業(yè)鏈上的企業(yè)，包括英諾賽科、華功半導體、能訊高能、能華半導體等一批企業(yè)。

國家“大基金”也在出手，其投資了三安光電，推動(dòng)三安光電下屬三安集成電路公司圍繞砷化鎵和氮化鎵代工制造，開(kāi)展境內外并購、新技術(shù)研發(fā)、新建生產(chǎn)線(xiàn)等業(yè)務(wù)。同時(shí)，國家開(kāi)發(fā)銀行也以最優(yōu)惠利率向三安提供200億元貸款。

在5G、新能源產(chǎn)業(yè)的風(fēng)口下， 新應用的規?；瘧靡馕吨?zhù)化合物半導體將打開(kāi)億級市場(chǎng)，誰(shuí)能在產(chǎn)能規模和產(chǎn)品可靠穩定性上做到完美，可能就是下一個(gè)臺積電、英特爾。

化合物半導體市場(chǎng)正在快速崛起，新一輪的比拼開(kāi)始了。

參考內容：

《化合物半導化合物半導體的中國機遇與挑戰》源自：半導體行業(yè)觀(guān)察；

《半導體材料進(jìn)化史》 源自：半導體行業(yè)觀(guān)察。

最后，記得關(guān)注微信公眾號：鎂客網(wǎng)（im2maker），更多干貨在等你！