化合物半导体材料深度报告：3年规模翻7倍，统治 5G、IoT时代（上） - 联盟动态中关村天合宽禁带半导体技术创新联盟

化合物半导体， 5G、IoT时代的半导体C位材料。

随着 5G、IoT 物联网时代的来临，以砷化镓（GaAs）、氮化镓（GaN）、碳化硅（SiC）为代表的化合物半导体市场有望快速崛起。其中，GaAs 是手机 PA和 Switch 的主流材料，在 5G 时代仍占有重要地位，据集邦咨询预测，2023 年中国手机砷化镓 PA 市场规模达到 57.27 亿美元。再者，以 VCSEL 为代表的光电器件可用于 3D 感知、LiDAR 等新应用场景，未来亦将成为 GaAs 增长新的驱动力。

GaN 高频性能突出，是 5G基站与数据中心器件的关键材料，并有望率先在快充领域大放异彩，Yole 预计 2023 年全球 GaN 功率器件市场规模将达到 13 亿美元。此外，5G 终端大用量规模与技术创新将为 GaN 射频前端带来红利，Yole 预计到 2025 年，GaN 射频器件将以 55%的占有率取代当前硅基 LDMOS 第一的市场地位。

目前 SiC 主要应用于新能源汽车及其配套充电桩等大功率场景，根据 IHS Markit 数据，2019 年 SiC 功率器件市场规模约 6.1 亿美元，受新能源汽车等领域快速崛起与光伏发电等“新基建”项目的需求驱动，2025 年 SiC 功率器件的市场规模将达到 30 亿美元，年均复合增速达到 30.4%。

01.

空间不断拓展，化合物半导体大有可为

半导体材料是半导体产业链上游中的重要组成部分，在集成电路、分立器件等半导体产品生产制造中起到关键性的作用。半导体材料可以根据半导体产品制造过程分为制造材料和封装材料，其中制造材料主要是制造硅晶圆半导体、砷化镓、氮化镓、碳化硅等化合物半导体的芯片过程中所需的各类材料，封装材料则是将制得的芯片在封装切割过程中所用到的材料。

2015 年至 2019 年，全球半导体制造材料销售规模由 240 亿美元增长到 293 亿美元，年均复合增长率 5.11%。未来，在半导体芯片工艺升级、芯片尺寸持续小型化，以及全球硅材料、化合物半导体材料的品种和性能不断迭代升级的影响下，半导体制造材料在材料销售规模的占比预计将持续提高。

▲2015-2019 年全球半导体材料销售规模

▲半导体材料特性对比

半导体衬底材料包括硅材料和 GaAs、SiC、GaN 等化合物半导体材料。凭借成熟制程及较低成本的优势，第一代硅质半导体材料制作的元器件已成为了电子电力设备中不可或缺的组成部分，硅也是目前技术最成熟、使用范围最广、市场占比最大的衬底材料。但硅质半导体材料受限于自身性能，无法在高温、高频、高压等环境中使用，化合物半导体材料因此崭露头角。

化合物半导体材料拥有高电子迁移率、直接能隙与宽能带等特性，恰好符合半导体产业发展所需，随着材制备技术与下游应用市场的成熟，以 GaAs、SiC、GaN 为代表的化合物半导体衬底材料市场空间不断拓展。

▲化合物半导体器件应用场景

现阶段，全球 95%以上的半导体芯片和器件是用硅片作为基础功能材料而生产的。硅片占整个半导体材料市场的 35%左右，市场空间约为 80 亿美元，硅基芯片市场规模高达 4000 多亿美元。然而，随着物联网、5G 时代的到来，以砷化镓（GaAs）、氮化镓（GaN）、碳化硅（SiC）等为代表的化合物半导体正快速崛起中。据半导体行业观察的数据，2018 年 GaAs、GaN 与 SiC 的产业销售额分别约为 3500 亿元、238 亿元和 64 亿元，化合物半导体的市场规模在不断扩大。

国内第三代半导体器件市场拥有巨大增长空间，倒逼上游材料端发展。据赛迪顾问统计，2019 年国内第三代半导体器件市场规模达到 86.29 亿元，增长率为99.7%，到 2022 年，中国第三代半导体器件市场规模有望冲破 608.21 亿元，增长率为 78.4%。第三代半导体器件广泛应用于“新基建”项目，也是实现“碳中和“的重要路径。国内在 5G 通讯、新能源等新兴产业的技术水平、产业化规模等方面处于国际优势地位，下游应用需求强劲将促进国内上游半导体行业的持续发展，进一步提高半导体企业在国际市场的影响力。

▲2018 年三大主要化合物半导体产业销售额

▲中国第三代半导体器件市场规模增长空间巨大

第三代半导体行业是国内“新基建”战略的重要组成部分，有望引发科技变革并重塑国际半导体产业格局。“十三五”期间，国家科技部通过“国家重点研发计划”支持了第三代半导体发展，国家 2030 计划和“十四五”国家研发计划也已明确提出第三代半导体是重要发展方向，涉及第三代半导体产业的各研发项目均按照进度要求完成启动等工作，项目部署涵盖电力电子、微波射频和光电应用多个领域，紧贴产业发展实际需求和进程，在新能源汽车应用、电网应用前沿研究、光伏逆变器、小型化电源、农业应用、健康医疗应用、光通讯、紫外应用、激光应用、智慧照明等多个热点发挥了引导作用。

▲国家重点研发计划 2020 年度立项项目清单（第三代半导体相关）

目前，国内对于第三代半导体材料的投资热情势头不减。据 CASA Research 不完全统计，2020 年共 24 笔投资扩产项目（2019 年 17 笔），已披露的投资扩产金额达到 694 亿元（不含 GaN 光电子），较 2019 年同比增长 161%。分材料看，SiC 投资 17 笔，涉及金额 550 亿元；GaN 投资 7 笔，涉及金额 144 亿元。分环节看，衬底环节投资 12 笔（主要为 SiC 衬底），涉及金额 175 亿元；器件/模块环节投资 15 笔，涉及金额 520 亿元。在国家政策大力支持与“新基建”的引领下，第三代半导体产业将成为未来半导体产业发展的重要引擎。

02.

GaAs：立足射频前端应用

作为第二代半导体材料的代表，GaAs 具有宽禁带、高频、高压、抗辐射、耐高温及发光效率高等特性，被广泛应用于移动通信、无线通信、光纤通信、LED、光伏、卫星导航等领域。在微电子领域，GaAs 广泛应用于微波通信射频、消费电子射频领域（PA 和 Switch）等；在光电子领域，GaAs 则用于 LED、激光VCSEL、太阳能等领域。

GaAs 产业链包括晶圆（衬底、外延片），芯片设计、晶圆代工、封测、下游应用等环节。GaAs 产业最上游为衬底制造，其次为关键材料 GaAs 外延片，具体工艺包括 MOCVD（有机金属化学气相沉积法）及 MBE（分子束磊晶法）GaAs磊晶技术；中游为晶圆制造及封测等；下游则为手机、无线区域网路制造厂以及无线射频系统商等，整个产业链除晶圆制造外，设计与先进技术主要仍掌握在国际 IDM 大厂中。

▲GaAs 产业链及主要企业

从 GaAs 产品来看，GaAs 产品以手机射频 PA 为主。受到中美贸易摩擦及新冠肺炎疫情影响，基于 GaAs的射频器件市场受到不小震荡。据集邦咨询数据，2020年全球 GaAs 射频器件市场规模为 65.80 亿美元，较 2019 年有小幅下滑。

2012-2018 年，中国 GaAs 元器件市场经历了快速增长期。中国作为电子信息制造业大国，下游应用市场广阔。前瞻产业研究院预计，2019-2024 年，中国GaAs 元器件市场 CAGR 在 15%左右，增速高于全球市场同期增速，中国市场规模占全球比重将进一步提升。到 2024 年，中国 GaAs 元器件市场规模将达到551.3 亿元。

▲2020 年全球 GaAs 射频器件市场规模小幅下滑

▲ 2019-2024 年中国 GaAs 元器件市场规模

GaAs 衬底的下游应用主要应用于射频（47%）、LED（42%）、激光二极管（10%）三大领域。其中，以半绝缘型 GaAs 为主的射频应用占比最高，主要应用于手机 PA、Switch、基站射频等方面；其次为 LED，以半导体型 GaAs 材料为主。据Yole Development 统计，GaAs 晶圆的整体市场规模将从 2019 年的 2 亿美元增长到 2025 年的超过 3.48 亿美元，复合年增长率为 10%。

▲GaAs 衬底各类应用占比

▲ 2019-2025 年 GaAs 晶圆市场规模应用拆分

手机市场已成为GaAs器件发展的一大动力。4G时代手机端PA的工艺以CMOS和 GaAs 为主。由于 5G 通讯对频率、功率与效率的要求更高，对 PA 的性能要求也相应提高。GaAs 的高线性度和高输出功率特性满足 5G 设备对低延迟超高速的需求，使 GaAs 成为射频前端模组中 PA 材料的理想选择。

同时，5G 技术对 PA 的需求量至少是 4G 对 PA 的需求量的 2 倍，从而增加了 RF 前端的总功率放大器面积和功率放大器数量，带动 GaAs 晶圆和芯片的出货量增加。

5G 时代 GaAs 仍将主导智能手机 PA 市场。在过去的几年中，RF 一直作为 GaAs晶圆市场的成长驱动力。据 Yole Development 数据，2019 年 RF 占 GaAs 晶圆市场总量的 33%和市场价值的 37%，占 GaAs 外延片市场的 67%。5G 时代 sub6GHz 频段中，GaAs HBT 仍是 PA 的最重要的技术；5G 新增毫米波频段，GaAspHEMT 则为重要的技术路线。

据 Yole Development 估计，射频 GaAs 芯片市场规模将从 2019 年的 28 亿美元左右增长至 2025 年的 36 亿美元以上。由于在5G 时代单部手机中 PA 的数量和单价都比 4G 时代有大幅的提升，据集邦咨询预测，中国手机 GaAs PA 市场将从 2019 年的 18.76 亿美元增长到 2023 年的57.27 亿美元，年复合增长率达到 19.17%。

▲智能手机 PA 主导 GaAs 芯片市场（百万美元）

▲中国智能手机 GaAs PA 市场规模持续增长

以 VCSEL 为代表的光电子领域将成为 GaAs 增长的驱动力之一。VCSEL 是一种化合物半导体激光器，可用作光纤通信和自由空间光通信的发射器。与传统发射激光器相比，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，广泛应用于光通信、3D 传感、面部识别、车载激光雷达等场景，且短期内不易被其他技术取代。随着手机 3D 面部感应渗透率提高、大容量光纤通信激光器的需求拉动，据 Yole Development 统计数据，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，CAGR达 18.4%。

▲2020-2025 年 VCSEL 市场 CAGR 达 18.4%

移动和消费领域的 3D 应用蓬勃发展。2017 年以前 VCSEL 市场主要由数据通信应用驱动。自苹果率先将 VCSEL 解决方案应用于 iPhone 的 Face ID 模块之后，VCSEL 市场驱动力逐渐被 3D 传感所取代。2017 年，iPhone 中共装配了4100 万件 VCSEL，2020 预期将有超过 3.25 亿件 VCSEL 被安装在 iPhone 中。

安卓系厂商也在其智能手机的正面应用 3D 传感模块进行人脸识别。除人脸识别功能外，3D 传感也被应用于后置摄像头以满足摄像功能提升的需求。YoleDevelopment 统计显示，2020 年移动设备中的 3D 传感约占 VCSEL 总市场规模的 75%，预计 2025 年达到 21 亿美元的规模。从竞争格局来看，Lumentum 作为苹果的主要供应商，2020 年市占率达 68%，具有明显领先地位。

▲消费电子领域的 3D 传感占总规模的 75%

▲ 2019 年 VSCEL 市场竞争格局

目前，GaAs 产业链环节以欧美、日本和台湾厂商为主导。从 GaAs 外延片生产环节来看，根据 Strategy Analytics 数据，前四大 GaAs 外延片厂商为英国厂商 IQE、台湾地区厂商全新光电、日本厂商住友化学与台系厂商英特磊，分别占市场的 54%、25%、13%、6%，CR4 高达 98%。在 GaAs 晶圆制造环节，台系代工厂稳懋一家独大，占据了 GaAs 晶圆代工市场的 71%份额，其次为台湾地区的宏捷（9%）与美国的 GCS（8%）。