化合物半导体应用广泛 砷化镓元件应运而生

 导读：化合物半导体应用广泛 砷化镓元件应运而生。半导体材料是制作半导体器件和集成电路的电子材料，是半导体工业的基础。随着新的半导体材料出现、电力电子技术进步与制作工艺的提高，半导体在过去经历了三代变化。

参考《2016-2022年中国IC(半导体) 市场运营现状及十三五发展态势预测报告》

       半导体材料是制作半导体器件和集成电路的电子材料，是半导体工业的基础。随着新的半导体材料出现、电力电子技术进步与制作工艺的提高，半导体在过去经历了三代变化。第一代半导体为硅（Si），第二代为砷化镓（GaAs），第三代半导体为碳化硅（SiC）、氮化镓（GaN）。由于硅基功率器件的性能已逼近甚至达到了其材料的本征极限，宽禁带功率半导体器件与传统 Si 基功率半导体器件相比较，其材料特性主要表现在：宽能带、高饱和速度、高导热性和高击穿电场等，使得其在未来 5G、军工等相关领域应用广泛。同时随着 5G、军工双轮驱动，将带动上游化合物半导体国产化及需求。

       图 1：化合物半导体应用

       GaAs：受益 5G 通讯/军工发展及国产替代必要性，国内机会应运而生砷化镓（Ga As）是由元素周期表中 III 族元素镓与 V 族元素砷人工合成的半导体化合物，与半导体材料硅相比，它具有高禁带宽度、高电子迁移率、能带结构为直接跃迁型、耐高温以及抗辐射性强等优势，具有十分广泛的应用。

       目前较为成熟的砷化镓晶体生长方法有水平布里支曼法（HB）、砷泡控制砷压注入合成法及直接高温高压合成法等。

       制备得到的砷化镓单晶经过切割、打磨及抛光等工序就可进一步通过微纳加工方法制造各种发光器件、光探测器、集成电路。

       砷化镓主要用于微波功率器件，即工作在微波波段（频率 300-300000MHz 之间）的半导体器件。由于 Si 在物理特性上的先天限制，仅能应用在 1GHz 以下的频率。然而近年来由于无线高频通讯产品迅速发展，使得具备高工作频率、电子迁移速率、抗天然辐射及耗电量小等特性的砷化镓脱颖而出，在微波通讯领域大规模应用。

       图 2：反馈激光器 图 3：红外探测器

       砷化镓半导体为射频通讯核心，无线通讯推动砷化镓半导体市场快速发展

       由于砷化镓高频传输的特性，可以应用在移动设备、网络基础设备、国防与航空航天。其中移动设备占比为 71%，beplay下载软件 手机增长迅速。除了在手机应用中飞速成长外，平板电脑、笔记本电脑中搭载的 WiFi 模组、固定网络无线传输，以及光纤通讯、卫星通讯、点对点微波通讯、有线电视、汽车导航系统、汽车防撞系统等，也分别采用 1-4 颗数量不等的功率放大器，这都是推动砷化镓成长的强大动力。

       根据 Strategy Analytics 调查数据，2014 年全球 GaAs 元器件市场总产值为 74.3 亿美元，较 2013 年 64.7 亿美元成长 14.8%。随着通讯 4G/5G 推动，我们按照每年 10%的增长，预计 2020 年砷化镓微波功率半导体实现规模将达到 132亿美元。

       图 4：砷化镓微波功率半导体各应用领域占比

       beplay下载软件 手机内部的芯片主要由基带、AP、射频芯片、连接芯片和存储芯片构成，其中，基带和射频是实现 2/3/4G等蜂窝通讯功能核心的两大芯片。手机前端由功率放大器、滤波器、双工器及天线开关组成。在手机无线网络中，系统中的无线射频模组必定含有两个关键的砷化镓半导体零组件：以 HBT 设计的射频功率放大器（RF PA）和以 PHEMT设计的射频开关器传统的 2G 手机中，一般需要 2 个功率放大器（PA），另外 2G 手机只有一个频段，噪声要求低，使用 1 个射频开关器。到了 3G 时代，一部手机平均使用 4 颗 PA。3.5G 手机平均使用 6 颗 PA，使用 2 个射频开关器。

       4G/5G 通讯成砷化镓微波芯片重要成长动能。2014 年，beplay下载软件 手机正式进入 4G 时代，平均使用 7 颗 PA，4 个射频开关器。4G 的射频通信需要用到 5 模 13 频，多模多频的砷化镓前端放大器模块及在“频”和“模”之间切换的射频开关器不可或缺。目前，单部 4G beplay下载软件 手机仅达到标准的通信效果，就至少需要 5 颗以上的砷化镓功率放大器，此外beplay下载软件 手机中的卫星定位功能也需要用到 1 颗功率放大器，4G beplay下载软件 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。下一代 5G 技术，其传输速度将是现行 4G LTE 的 100 倍，目前只有砷化镓功率放大器可以实现如此快速的资料传输。

       频段数量增加，推动前端射频数量增长。射频前端与移动设备支持的频段数量成正比关系：伴随手机支持的频段越来越多，射频前端数量也随手机支持频段数量的增加线性增加。2015 年，平均每台手机应用到的频段数量为 9.15 个，相对 2011 年的 4.18 个翻了一倍多。我们预计到 2020 年，平均每台手机应用到频段数将达到 16.44 个。同时，对应beplay下载软件 手机射频前端总价格在 9 美元左右，到 2020 年射频前端价值将增至 16 美元。

       2G-3G-4G 手机单机 PA 价值量增长迅速。 一个 2G 手机单机 PA 价值量为 0.3 美元；3G 手机单价价值量为 1.25美元，普通 4G 手机单机 PA 价值量为 2 美元，而全频 4G 手机单价价值量高达 3.25 美元，手机更新换代带动 PA 价值量迅速增长。

       图 5：预计 2020 年手机频段数达到 16.44 个

       在 PA 领域，一直存在硅基 CMOS PA 与砷化镓 PA 之争。2013 年上半年高通推出 CMOS 功率放大器解决方案开始打入低端beplay下载软件 手机供应链，但是由于硅材料物理性能限制，无法应用于高频领域。因此，虽然硅材料较砷化镓有成本优势，但是，高端市场并不会受到影响，砷化镓材料在功率放大器市场从有 85%的市占率。

       根据全球市场研究机构 TrendForce 报告显示，2015 年全球beplay下载软件 手机出货量为 12.93 亿部，年增长 10.3%，其中来自中国地区的手机品牌合计出货量高达 5.39 亿部，占全球比重超过四成；对应的 2015 年全球射频前端市场为 116 亿美元，我们按照 2020 年全球手机出货量 20 亿台计算，对应的全球射频前端市场为 320 亿美元。2015 年度全球手机砷化镓元件需求接近 135 亿颗，国内手机砷化镓元件市场需求量超过 49 亿颗。未来随着 4G 手机渗透率不断提升，手机用砷化镓元件还将不断增长；而随着 2020 年之后 5G 的普及，手机用砷化镓元件市场需求还将继续提升。

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