化合物半导体产业分析报告.docx

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化合物半导体产业分析报告

2015年化合物半导体产业分析报告

2015年5月

GaAs半导体器件：

电子器件和光电器件的中流砥柱。

GaAs作为第二代半导体材料，主要应用于电子器件和光电器件的生产。

在电子器件中，GaAs主要用于无线通信、光通信、工业电子、军事电子等行业中的功率放大、转换等器件；在光电器件中则是LED和激光的基础材料。

目前，GaAs半导体材料已经成为弱电控制和强电运行之间、信息科技与先进制造技术之间、传统产业实现自动化、智能化改造所不可缺少的桥梁。

材料革新：

宽禁带GaN材料创造广阔未来。

由于耐压值和导通电压之间的反向关系，目前对Si材料和GaAs材料的开发已经达到了极限，越来越不能满足目前对半导体器件性能的需求，所以新型材质的半导体器件的产生显得尤为迫切。

GaN作为第三代半导体材料，其宽禁带的特性决定了GaN半导体材料可以实现高耐压、低导通电阻、更高工作频率,相比于传统的半导体材料具备更为强大的功能且更为高效节能、更容易小型化，必然是未来半导体器件的发展方向。

“光”与“电”：

电子器件和光电器件拉动GaAs/GaN器件需求。

GaAs/GaN半导体器件已经广泛应用于通信、电子、工业、交通、军工等各个方面。

受益于这些行业的产业规模扩大及智能化、电气化升级，预计未来应用及市场将进一步扩容，前景非常巨大。

优势点突破，国内企业有望弯道超车。

由于现有核心部件的高技术壁垒，目前产业格局由国外厂商主导。

我国企业的产品目前还都处于低端状态。

在未来，基于国防安全和信息安全两方面的考虑，国家大力支持集成电路等基础电子产业的发展，功率器件有望在国家的支持下，取得技术和工艺等方面的突破，成为自主产业，我国企业有望在此机遇下迎来弯道超车的机机会。

第一代半导体是“元素半导体”，典型如硅基和锗基半导体。

其中以硅基半导体技术较成熟，目前应用也最为广泛。

第二代以砷化镓（GaAs）化合物半导体技术为代表，已成为无线通信、光电通信等应用领域的主流。

第三代半导体（也叫宽禁带化合物半导体）以氮化镓（GaN）和碳化硅（SiC）材料为代表，目前已成为国际上研究的热点，是未来大功率固态微波器件以及绿色能源发展最优选择。

在国家大力投入集成电路产业的大背景下，4G、智能电网、新能源汽车、新型轨道交通、LED等产业技术迎来发展高潮。

作为上游和基础的半导体电子器件行业，存在着巨大的发展机遇。

本报告以半导体材料为基点，详细论述了GaAs/GaN半导体材料的现状与未来的投资机会。

构架上，我们首先陈述了半导体材料整体发展的现状，详细解释了以GaAs、GaN半导体材料的应用及现在市场状况，以为“上篇”；随后，我们分别分析了以以GaAs为代表的第二代半导体材料的市场空间和GaN为代表的第三代宽禁带半导体的未来市场潜力，并发展市场中陈述我国企业的不足，并以此为基点挖掘我国企业存在的机遇，以为“下篇”。

本文投资逻辑框架图如下：

基于以上逻辑，我们认为，在电子器件和光电器件两个行业的带动下，GaAs/GaN半导体器件市场前景非常可观，未来应用将会更广泛。

增长的驱动力在于两个方面。

首先，原有市场容量在不断的扩大，带动了原有半导体器件的稳步增长；其次，在性能提高、节能环保等诉求越来越强烈的情况下，新型半导体器件应用的比例将会逐步增加。

在双动力的驱动下，GaAs/GaN半导体器件市场容量扩增是确定性事件。

由于现有核心部件的高技术壁垒，目前产业格局由国外厂商主导。

我国企业的产品目前还都处于产业链低端。

在未来，基于国防安全和信息安全两方面的考虑，国家大力支持集成电路等基础电子产业的发展，GaAs/GaN器件有望在国家的支持下，取得技术和工艺等方面的突破，逐步完成进口替代，我国企业有望在此机遇下迎来弯道超车的机机会。

以Si为代表的第一代半导体材料的发现，使得集成电路在电子领域取得突破性的成就，目前我们生活中的各种电器及智能设备都和Si的出现息息相关。

而以GaAs为代表的第二代半导体，一直主导手机功率放大器（PA）市场，带动了无线通信、多媒体等技术的飞速发展，同时还可以用来生产红黄光发光二极管、激光器等光信息处理元器件。

第三代半导体——宽禁带半导体（以GaN、SiC为主）——早在20世纪50年代就已经被发现并研究，但是由于工艺的限制，材料生产和晶片的加工一直难以解决，直到最近一二十年，宽禁带半导体的研究和应用才得到了真正的发展，产业规模不断壮大。

一、半导体器件：

向新材料延伸

在半导体产业中，一般将硅（Si）、锗（Ge）称为第一代半导体材料，砷化镓（GaAs）、磷化稼（GaP）、砷化铝（AlAs）等合金成为第二代半导体材料，而将宽禁带的氮化镓（GaN）、碳化硅（SiC）、硒化锌（ZnSe）等称为第三代半导体材料。

主要半导体材料的物理特性对比。

我们可以看到，硅材料热性能与机械能行优良、易于生产大尺寸高纯度晶体等优点，且硅材料储量丰富，价格低廉。

所以硅材料仍是电子信息产业最基础的材料，95%以上的半导体器件和99%以上的集成电路采用的是硅材料。

但是由于硅材料的物理特性有限，其在高频、高功率器件上的应用就显得捉襟见肘。

相对而言，砷化镓材料的电子迁移率是硅材料的6倍多，用砷化镓制作的器件，主要具有高频、高速和光电性能，主要用于通信产业。

而第三代的材料氮化镓属于宽禁带半导体材料，以其宽禁带、高热导率、高击穿场强、高饱和电子漂移率、化性能稳定好等性质和强的抗辐照能力，在光电子、高温大功率器件和高频微波器件应用方面有着广阔的前景。

二、GaAs半导体器件：

行业的中流砥柱

GaAs作为第二代半导体材料，相对于第一代的Si材料相比，它的电子迁移率为Si的6倍。

其较高电子迁移率、较宽的禁带、较低的功耗等特性，决定了它的广泛用途及广阔的市场。

1、GaAs半导体应用广泛

GaAs主要适用于高频及无线通信领域中的IC器件。

由GaAs制出的高频、耐高温、防辐射的器件已经被应用在无线通信、光通信、激光器等领域。

此外，由于GaAs的光电特性，GaAs通常也是制作光电元器件的基本材料。

所以我们在其应用主要从电子器件和光电器件两个方面来介绍。

（1）GaAs半导体在电子器件中的应用

①无线通信中的GaAs半导体应用

无线通信中的GaAs主要用于MMIC（单片微波集成电路）中的PA（功率放大器）和LNA（低噪声放大器）。

而无线通信可以分为终端通信和基站通信：

对于手机等终端来说，GaAs主要用于GaAs-HBT等元器件；

对于移动基站来说，GaAs主要应用有GaAs-MESFET、GaAs-PHMET等。

以手机为例，手机中最为耗电的两个器件就是基带处理器和射频前段。

其中PA作为功率放大装置，消耗了射频系统大部分的能量，在当前手机越来越薄的趋势下，如何尽可能的降低手机功耗，增加待机时间，是各大厂商需要权衡解决的问题。

对于现在主流的做法是：

InGaP工艺。

InGaP-HBT以GaAs为衬底，实现PA的低功耗和高效率，且适宜在高频下使用。

采用GaAs做底层原料主要在于两个方面的优势：

（1）GaAs电子迁移率高出CMOS衬底Si材料约6，对于工作频率更高的3G、4G乃至未来的5G网络，GaAs更为合适；

（2）GaAs衬底是半绝缘的，半绝缘行可以使得IC有更好的信号绝缘效果，可以采用功耗更低的无源器件。

目前，单部4G智能手机仅达到标准的通信效果，就至少需要5颗以上的砷化镓/氮化镓功率放大器，此外智能手机中的卫星定位功能也需要用到1颗功率放大器，4G智能手机支持的无线局域网通信（WLAN）也需要至少1颗功率放大器。

90%以上手机PA都采用的是GaAs技术，只有一小部分采用了CMOS工艺，对于高性能PA所要求的高频率和高功率，GaAs仍然是主要技术。

2G时代手机仅仅需要2颗PA，一般的4G手机因LTE频段的碎片化，需要4颗PA芯片。

而据iFixit拆解最新的iPhone6手机来看，因为采取了全网通，发现了5颗PA芯片。

粗略估计，2014年度国内4G智能手机耗用的砷化镓/氮化镓功率放大器超过12亿颗。

而我国智能手机用砷化镓/氮化镓芯片90%以上依赖进口，特别是4G智能手机所用的芯片几乎全部依赖进口，因此实现PA芯片的国产化具有重要的意义。

基站方面，目前大部分基站使用LDMOS-PA，但是随着对信号传输穿透能力、覆盖范围及数据传输速率等要求越来越高，LDMOS-PA性能已经落后于GaAs-PA。

未来GaAs半导体将会成为3G、4G基站的主流。

②光通信中的GaAs半导体应用

为了区别后文中GaAs半导体在光电行业中的应用，在本节中我们重点阐述了GaAs在光通信领域中电子器件的应用，在光纤通信中，光通信收发系统均采用了GaAs超高速组专用电路。

激光驱动电路、MUX、DEMUX、跨阻放大器、限谱放大器等均采用了GaAs材料。

③工业电子中的GaAs半导体应用

GaAs材料的禁带宽度仅为1.4，击穿电场Si材料的1.5倍，导致GaAs材料功率半导体等只能应用于600V以下行业，远不能满足电力电子技术，所以GaAs材料在功率半导体节能行业应用相对GaN较少。

工业电子中GaAs半导体材料应用主要来自于汽车电子。

根据研究显示，如果能提前预警0.5s，那么车辆追尾几率就能减少60%，如果提高到1s，则能大幅度减少90%。

所以各国汽车厂商都在大幅度发展“汽车防撞雷达系统”，现行的所有雷达中，只有GaAs半导体材料制作的毫米波雷达能够不受外界天气影响，具有极高的可靠度。

④军事电子中的GaAs半导体应用

军事电子是GaAs材料需求的传统领域。

GaAs的早期发展是由于军事电子的需要。

近年来，随着移动通信技术的发展，民用电子的GaAs需求量已经远远超过军用电子需求量，但是军用电子仍是一个非常重要的领域。

且军用相对于民用来说，仍有很高的技术需求，很多GaAs器件首先应用于军用电子中，军用市场的价格承受能力也较民用市场更为强一些。

目前军事电子领域采用GaAs主要有：

机载/舰载/固定GaAs-MMIC相控阵雷达、电子战用GaAs设备、导弹制导GaAs引信等。

（2）GaAs半导体在光电器件中的应用

①LED行业中的GaAs半导体应用

在LED中GaAs半通常是发光二极管等的基本半导体材料。

在LED行业中，根据波长，通常将分为可见光LED与不可见光LED两类。

可见光LED通常用于显示设备，如汽车灯、照明灯、显示LED板等；不可见光LED主要用于家电产品的遥控、工业自动检测、自动探测等。

GaAs半通常用在制作LED组件中的单芯片。

②激光行业中的GaAs半导体应用

GaAs在激光领域中除去用作电子元器件，在光电领域则主要用于制作光纤通信的光源、指示器。

在民用行业，GaAs主要用来制作激光切割、激光打印机、大屏幕彩色显示系统等；在军用中，应用则更加广泛：

激光制导、激光通信、激光雷达和激光武器等等。

三、GaAs半导体应用市场巨大

目前，GaAs半导体正在越来越多的被应用在更高价值、更高成长性的细分产品市场上，GaAs正在逐步侵蚀Si材料的市场。

虽然目前半导体材料Si仍然是应用的主流，但是由于材料特性的有限性，导致Si材料也越来越受到限制，这样就给别的材料留出了很大的机会。

GaAs作为第二代半导体材料，面临着巨大的市场空间。

（1）GaAs半导体在电子器件中的市场前景

①无线通信中GaAs半导体的市场

对于无线通信市场来说，GaAs材料的第一个需求来自于全球手机市场的稳步增长，特别是智能手机的出货量一直保持在高位。

作为全球最大智能手机市场，中国去年智能手机出货量约为4.6亿部，占全球市场份额的35%。

我们预计