第三代化合物半导体的应用分析

随着晶圆代工业的火爆，其细分领域——化合物半导体代工——也是水涨船高，相关厂商近期的业绩都很亮眼。而且，相对于广义上的数字和模拟芯片代工厂，化合物半导体晶圆代工厂商的数量较少，这就使它们在代工产能普遍稀缺的当下，价值愈加突出。

近期，化合物半导体代工三强稳懋、宏捷科和GCS（环宇）动作频频，特别是在扩充产能方面，都在花大力气。

今年，稳懋前10个月累计营收同比增长了23.97%，今年5000片新产能扩充已在第3季度完成，单月产能最高可达4.1万片，主要用于4G和5G PA，以及3D感测VCSEL芯片。为应对市场需求，该公司位于中国台湾龟山厂区满载后，将着重在南科高雄园区投资扩产，以满足未来5-10年的生产规划。

宏捷科11月营收环比增长5.42%，同比大增30.89%，创近58个月新高，今年前11个月累计营收同比增长64.81%。目前，该公司产能已达每月1.3万片，主要生产4G PA、WiFi芯片， 5G产品、VCSEL芯片也在开发中。宏捷科二厂计划持续进行中，年底产能将提升至1.5万片，如果客户需求强烈，明年可能再扩充5000片产能。宏捷科第4季度订单仍然很满，除了中国大陆手机客户需求回温外，美国客户Skyworks也因既有产能受限而扩大转单给宏捷科，使其产能利用率达9成。

GCS正在与中国的射频芯片大厂卓胜微合作建厂，今年5月，卓胜微定增募资30亿元，投向研发及生产高端射频滤波器芯片及模组、5G通信基站射频器件，与代工厂合作建立生产线，而这家代工厂就是GCS。据悉，这两家联合了另外几家半导体厂商及投资机构，预计总共投资100亿元，建设化合物半导体及MEMS生产线，用于高端射频前端及光电子芯片制造。据悉，该项目正在对晶元光电在常州设立子公司的现有空置厂房进行装修改造，计划今年底投产。

另外，在市场需求的强烈驱动下，中国大陆本土仅有的几家化合物半导体生产厂家产能也非常紧张，代表企业是三安集成和海威华芯，虽然规模和技术水平与产业三强相比有差距，但在市场旺盛需求的大环境下，业绩也很亮眼，同时在产能扩充和争取大客户方面多有布局。

以上这些亮眼的业绩和产能扩充需求，主要是基于5G的快速发展，使得手机和基站这两端对相应的5G PA、滤波器、射频开关等需求旺盛。

据Canalys统计，今年全球智能手机出货量年减10.7%，5G手机出货量却逆势增长达2.78亿部，随着品牌新机发布、市场需求回温，预计2021年全球智能手机出货量将超过13亿部，年增超1成，5G手机将达到5.44亿部，年增95%。

第二代化合物半导体代工

目前，手机射频前端芯片主要采用的工艺依然是第二代化合物半导体材料砷化镓（GaAs）和磷化铟（InP）。随着5G建设大规模进行，GaAs器件市场需求愈加旺盛。据Technavio统计，2018年全球GaAs晶圆市场规模达到9.4亿美元，2019年约为10.49亿美元，预计2021年该市场将达到12.69亿美元的规模。

由于化合物半导体在结构、成分、缺陷等方面难于硅晶圆制造，目前，全球能提供高水平代工的企业并不多，仅稳懋、宏捷科，以及GCS，Qorvo等少数企业能提供较大规模的代工服务。

目前，GaAs制造龙头企业包括美国的Skyworks、Qorvo、Broadcom以及Cree，还有德国的Infineon。Broadcom和Skyworks除芯片设计业务外，也有自己的工厂，当自身产能不足时，会将部分订单交给中国台湾代工厂，Broadcom的代工厂商是稳懋，Skyworks的代工厂商是宏捷科，Qorvo的产能充足，主要自产，而且还会向外提供代工服务。

化合物半导体产业的代工在不断加强，相对于IDM，代工比例持续提升。2018年，Broadcom将其位于科罗拉多的工厂出售给了GaAs代工龙头企业稳懋，Broadcom以1.85亿美元入股稳懋，成为后者第三大股东，Broadcom的HBT产品将全部由稳懋代工。目前，稳懋的主要客户为Avago、Murata、Skyworks、紫光展锐和Anadgics等。

今年，5G开始进入量产阶段，相应的高性能射频和功率器件订单明显增加，订单的超预期使得行业龙头稳懋产能吃紧。据Strategy Analytics统计，在全球GaAs晶圆代工领域，稳懋 以71%的市占率独占鳌头。而随着2020年5G的大规模应用，该市场的需求量还将进一步提升，而龙头厂商产能进入满载周期，给我国大陆化合物半导体生产厂商带来了商机，在国内的GaAs代工领域，玩家总体数量不多，能提供高水平代工业务的更是凤毛麟角，主要有三安光电、海特高新等少数企业，其中，三安光电作为国产化合物半导体领域的龙头企业，已经建成国内首条6英寸GaAs外延芯片产线并投入量产。

代工业务的发展，在很大程度上是因为GaAs技术和市场已经发展到了非常成熟的阶段，特别是其衬底和器件技术不断实现标准化，产品多样化，相应的设计企业增加，使得代工的业务需求不断增加。这与逻辑器件代工业的发展轨迹类似。

而在制程工艺方面，化合物半导体与存储器和逻辑器件有很大区别，并不追求很先进的工艺节点，基本不需要60nm以下的制程工艺。这主要是因为化合物半导体面向射频、高电压、大功率、光电子等应用领域，无需先进制程。目前，GaAs器件以0.13μm、0.18μm以上制程工艺为主，Qorvo正在进行90nm工艺研发。此外，由于受GaAs和SiC衬底尺寸限制，目前的生产线以4英寸和6英寸晶圆为主，部分企业也开始导入8英寸产线，但还没有形成主流。

第三代化合物半导体应用

5G对于设备性能和功率效率提出了更高的要求，特别是在基站端，基站数量和单个基站成本双双上涨，这将会带来市场空间的巨大增长。依据蜂窝通信理论计算，要达到相同的覆盖率，估计中国5G宏基站数量要达到约500万个。2021年全球5G宏基站PA和滤波器市场将达到243.1亿元人民币，年均复合增长率CAGR为162.31%，2021年全球4G和5G小基站射频器件市场将达到21.54亿元人民币，CAGR为140.61%。

由于基站越来越多地用到了多天线MIMO技术，这对PA提出了更多需求。预计到2022年，4G/ 5G基础用的射频半导体市场规模将达到16亿美元，其中，MIMO PA的年复合增长率将达到135%，射频前端模块的年复合增长率将达到 119%。

相对于4G，5G基站用到的PA数会加倍增长。4G基站采用4T4R方案，按照三个扇区，对应的射频PA需求量为12个，5G基站中，预计64T64R将成为主流方案，对应的PA需求量高达192个。

基站用PA市场空间巨大，但其性能和功率效率问题亟待解决。在这样的背景下，新工艺技术替代传统工艺早已被提上了议事日程。

目前的PA市场，包括基站和手机端用的，制造工艺主要包括传统的LDMOS、GaAs，以及新兴的GaN。而在基站端，传统LDMOS工艺用的更多，但是，LDMOS 技术适用于低频段，在高频应用领域存在局限性。而为了适应5G网络对性能和功率效率的需求，越来越多地应用到了GaN，它能较好地适用于大规模MIMO。

GaN具有优异的高功率密度和高频特性。GaAs拥有微波频率和5V至7V的工作电压，多年来一直广泛应用于PA。硅基LDMOS技术的工作电压为28V，已经在电信领域使用了许多年，但其主要在4GHz以下频率发挥作用，在宽带应用中的使用并不广泛。相比之下，GaN的工作电压为28V至50V，具有更高的功率密度和截止频率，在MIMO应用中，可实现高整合性解决方案。

在宏基站PA应用中，GaN凭借高频、高输出功率的优势，正在逐渐取代LDMOS；在小基站中，未来一段时间内仍然以GaAs工艺为主，这是因为它具备可靠性和高性价比的优势，但随着GaN器件成本的降低和技术的提高，GaN PA有望在小基站应用中逐步拓展。

在手机端，射频前端PA还是以GaAs工艺为主，短期内还看不到GaN的机会，主要原因是成本和高电压特性，这在手机内难以接受。

由于GaN制程工艺壁垒较高，具备相应生产技术的厂商很少，代工厂方面，也就是稳懋和GCS了。IDM则有Qorvo、英飞凌和Cree。

结语

当下，化合物半导体工艺芯片在手机和基站当中的应用最为广泛，而第二代化合物半导体制造产能在当下非常紧张，而第三代化合物半导体代表着明天，目前技术尚未成熟，大规模量产还需时日，不过，其光明的前景已成为相关IDM和晶圆代工厂的共识，在进一步拓展GaAs产能的同时，也在抓紧布局以GaN为代表的第三代化合物半导体。
责任编辑:tzh