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智芯研报-新基建系列 | 化合物半导体如何成为新基建之基石:GaAs

作者:    时间:1970-01-01    阅读量:211

自3月4日我国政府指出要加快5G网络、数据中心等新型基础设施建设进度以来,“新基建”成为经济大热词。“新基建”覆盖5G基建、特高压、城际高铁和城市轨道交通、新能源汽车充电桩、大数据中心、人工智能、工业互联网七大领域,完全可以用硬核科技四个字来概括,而处于最上游的半导体业又将如何厉兵秣马?


本期智芯咨询整合多家专业机构资源,特别推出《化合物半导体如何成为新基建之基石》系列专题。本文主要介绍无线通信核心材料GaAs如何受益5G大趋势。

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智芯咨询

相较于第一代硅半导体,砷化镓具有高频、抗辐射、耐高温的特性,因此广泛应用在主流的商用无线通信、光通讯以及国防军工用途上。无线通信的普及与硅在高频特性上的限制共同催生砷化镓材料脱颖而出,在无线通讯领域得到大规模应用。
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间)的半导体器件。5G带动砷化镓需求量新一轮成长,根据StrategyAnalytics调查数据,2017年全球砷化镓元件市场总产值约为88.3亿美元,国外IDM厂商抢占砷化镓半导体市场先机,目前全球砷化镓半导体市场份额最大的Skyworks,但砷化镓半导体代工经营模式出现,中国台湾的稳懋成为砷化镓晶圆代工领域龙头。
5G对射频材料提出了哪些新的要求?
根据3GPP标准定义,5GNRNewRadio,新空口)主要使用两大频率范围:



  • FR1对应频率范围450MHz-6GHz,最大信道带宽100MHz,也称为Sub-6GHz频段。

  • FR2对应频率范围24.25GH-52.60GHz,最大信道带宽400MHz,也即我们所说的毫米波频段(mmWave)。


▼5G主要使用2类频段:Sub-6GHz和毫米波 

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资料来源:知网,兴业证券经济与金融研究院整理


随着频率的提高,射频材料也面临着新的挑战。由于5G方案的频段相对于目前主流的4G频段更高、带宽更大,路径损耗相对更大,对射频前端器件的材料和工艺都提出了新的要求:
1)禁带宽度更大,以运行更高的频带;
2)临界击穿电场更高,以满足更高功率的应用;
3)热导率更高,更易将器件中的功耗传导到周围环境,实现散热;
4)饱和电子速率和电子迁移率更高,寄生电阻小,电子渡越时间更短,以适应更高频的工作环境。
5GSub-6GHz为首发频段。Sub-6GHz频段相比于毫米波频段由于频率相对较低,穿透能力更强,覆盖范围更广,兼顾网络速度和信号覆盖,同时可以沿用现有的4GLTE网络,需要的基站数量相对毫米波更少,此外,产业链的技术成熟度相对毫米波也更高,将是5G时代先期建设的首选频段。201711月,工信部明确了3300-3400MHz(原则上限室内使用)3400-3600MHz4800-5000MHz频段作为5G系统的工作频段,将中频段作为我国5G系统先期部署的主要频段。从三大运营商来看,中国电信获得3400MHz-3500MHz频段的5G试验频率资源;中国联通获得3500MHz-3600MHz频段的5G试验频率资源;中国移动获得了2515MHz-2675MHz4800MHz-4900MHz频段的5G试验频率资源,其中2515-2575MHz2635-2675MHz4800-4900MHz频段为新增频段,2575-2635MHz频段为重耕其现有的TD-LTE4G)频段。
毫米波是未来发展的重要趋势。毫米波频段由于频率高、带宽大,可实现更快的传输速率,具备速度快、数据量大、时延小、信号分辨率高、传输安全性强的优势,未来通过微基站的方式解决其穿透能力弱、路径损耗大、难以进行长距离传输的缺点,将是5G发展的重要趋势。
常见的射频器件用半导体材料有SiGaAsGaNSiCInPSiGe。从目前的应用来看,属于百花齐放、百家争鸣的格局,其中,最主流的是SiCMOSGaAs两种。5G时代的到来,对射频器件用半导体材料也提出了新的要求。从衬底材料的角度,当前5G时代Sub-6GHz)仍然是GaAs的主场。
▼射频器件不同材料



 

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资料来源:Yole,兴业证券经济与金融研究院整理


砷化镓(GaAs)是当前最重要、技术成熟度最高的化合物半导体材料之一GaAs材料具备禁带宽度大、电子迁移率高的特性,且为直接带隙,发光效率高,是当前光电子领域应用的最主要材料,同时也是重要的微电子材料。根据导电性能的差异,GaAs材料可分为半绝缘(SIGaAs和半导体(SCGaAs



  • 半绝缘GaAs晶片中,衬底与形成在顶部的外延晶体管器件绝缘,主要应用于制作射频电路。

  • 半导体GaAs通过向GaAs中添加熔融导电掺杂剂来产生半导电的晶锭,主要用于制作光电器件,例如LED、激光器和光伏器件。


传统2G手机中,一般需要2个功率放大器(PA),且只有一个频段,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4PA3.5G平均使用6PA,使用2个射频开关器;4G时代的手机平均使用7PA4个射频开关器。4G的射频通信需要用到513频;下一代5G技术,其传输速度将是现行4GLTE100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,4G及未来的5G通讯已成为砷化镓微波芯片重要的成长动能之一。
▼传输信息增加导致射频元件需求量增加



 

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数据来源:Qorvo,广发证券发展研究中心


▼高频趋势下射频元件需求量增加



 

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数据来源:Qorvo,广发证券发展研究中心


由于砷化镓高频传输的特性,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。
▼GaAs当前主要应用市场 

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资料来源:Yole,兴业证券经济与金融研究院整理 

射频为当前GaAs材料应用的最主要下游


2017GaAs衬底的出货量数据来看,四大主要应用领域中,射频、LED、激光和光伏市场占比分别为46.52%42.19%10.17%1.12%,射频和LEDGaAs衬底应用的最主要市场。
外延片领域,射频和激光应用是外延片外包领域两个重要市场,从2017GaAs外延片出货量数据来看,射频领域在规模上也具备明显优势。
从性能来看,GaAs无疑是最优选项
砷化镓(GaAs):当前最主流,同时也是技术最成熟的化合物半导体材料。随着5G时代的来临,天线体积小型化、载波聚合技术、多用户多入多出技术对功率等级和线性度要求较高,GaAs
①具备高电子迁移率和饱和电子速率,电子迁移率在当前半导体材料当中具备绝对优势,是Si材料的6倍以上,同时也显著高于第三代半导体材料,饱和电阻速率也达到Si材料的2倍;
②禁带宽度大,为1.42eV,而Si1.12eV
③临界击穿电压高于Si
因此,GaAs是目前5G中频段射频器件应用最理想的材料之一。
GaAs射频功率放大器最常用的设计工艺包括HBT(异质结双极晶体管)、HEMT(调制掺杂场效应晶体管)、pHEMT(赝调制掺杂异质结场效应晶体管)和MESFET(金属-半导体场效应晶体管)。其中HBT晶体管:
①纵向器件,相比HEMTMESFET横向器件,有效洁面积上流过的电流密度更大,功率密度更高;
②单一正电源供电,HEMTMESFET一般需要负的栅极电压;
③双极型晶体管,相比HEMTMESFET跨导更高,能获得更高增益;
④开启电压取决于外延层的禁带宽度,而HEMTMESFET的阈值电压由加工工艺精度决定,HBT晶体管开启电压一致性更好;
⑤漏电流小,用于制作手机功放可延长电池寿命;
因此,HBT工艺是当前GaAs射频功率放大器采用的主流工艺。 
▼GaAsHBT基本结构示意图



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资料来源:知网,兴业证券经济与金融研究院整理


▼GaAspHEMT基本结构示意图
微信图片_20200625164035.jpg资料来源:知网,兴业证券经济与金融研究院整理 



▼智能手机用功率放大器从2G5G的演进


微信图片_20200625164043.jpg资料来源:Yole,兴业证券经济与金融研究院整理


GaAs市场空间测算
5G带动砷化镓需求量新一轮成长,代工经营模式发展壮大
全球砷化镓元件市场规模


微信图片_20200625164049.jpg数据来源:strategyanalytics

广发证券发展研究中心


砷化镓半导体代工经营模式出现。在无线通讯的拉动下砷化镓微波功率半导体需求量快速增长,考虑到半导体制造需要巨额的研发和设备投入,产品价格下降快等因素,未来在砷化镓整体产业拥有竞争力,砷化镓半导体垂直分工的经营模式出现。尽管目前砷化镓半导体主要由美国三家IDM厂商(SkyworksTriQuintRFMD合并而成的QorvoAvago)占据,但近年来,晶圆代工在整个市场中的占比不断提高。其中中国台湾的稳懋是砷化镓晶圆代工领域龙头,主要客户为AvagoMurataSkyworksRDAAnadgics等。
手机:换机潮+渗透率提升+PA数量增加,GaAs需求大放量
5G时代拉动换机需求,智能手机市场有望重返增长轨道。全球智能手机进入2015年以来,已经属于存量市场,市场日趋饱和,终端创新力度下降,消费者换机周期拉长,出货量持续下滑。全球来看,根据IDC数据,2018年全球智能手机出货量13.95亿部,同比下滑4.8%,但今年下半年开始市场出现复苏迹象,预计下半年出货量同比降幅收窄至0.4%,全年出货量预计达13.711亿部,同比下滑2.2%。国内来看,2018年全年国内手机出货量4.14亿部,同比下滑15.6%2019年前三季度出货量2.87亿部,同比下滑5.7%,降幅
已经有所收窄。我们认为,伴随5G的推进,消费者换机升级的需求会受刺激,智能手机出货量颓势有望扭转。根据IDC预测,预计2020年全球智能手机出货量将止跌转升,同比增长1.6%,到2023年,预计全球智能手机出货量达到14.845亿部,2018-2023GAGR1.1%
GaAs在手机PA的市场份额有望持续提升。SiCMOS由于禁带宽度较小、击穿电场较弱,电子迁移率和饱和电子速率较低,在工作频率、输出功率等方面性能上的局限性明显,将越来越难以适应射频器件应用场景向高频、高功率的演进。同时,性能更优的GaN基射频器件因技术和成本等问题尚难实现商业化应用,5G时代Sub6GHz阶段仍将是GaAs材料的主场,GaAsPA预计将持续抢占SiCMOS的市场份额,渗透率进一步提高。
单机PA数量预计大幅增长。一般3G及以下手机配备1-2PA4G手机内PA数量平均为3-6个。到了5G时代,由于新频段的增加,MassiveMIMO(大规模天线多入多出)技术的应用带来手机端天线大幅增加,相应地,单个手机的PA数量也将迎来显著的增长,预计达到10个以上。
换机潮+渗透率提升+PA数量增加,GaAs需求迎来大放量。据专业机构预测,2019-2023年全球智能手机+功能手机GaAsPA需求量将从61.8亿个增长至127亿个,GAGR19.8%。即使考虑小型化趋势,未来几年GaAsPA的需求量也有显著的增长。
基站:数量快速增长,GaAsGaN各领风骚
5G时代将以“宏基站为主,微基站为辅”的方式实现网络覆盖,GaAsGaN射频器件将各领风骚。由于5G方案的频段相对于目前主流的4G频段更高,相应的波长就大大减小,绕射能力更差,路径损耗也越大,也即5G相较于4G传输距离缩短,覆盖能力显著减弱,这一问题的解决就需要建设更多的基站数量。同时,考虑到成本因素,“宏基站+微基站”将是理想的方案选择。射频材料的选择上,微基站相较于宏基站体积小,功耗要求也相对较小,GaAs将成为微基站的主流,而宏基站则将以GaN基材料为主。
5G的宏基站+微基站


微信图片_20200625164055.jpg资料来源:兴业证券经济与金融研究院整理


MassiveMIMO技术的应用,要求单个基站PA数量成倍增长。MassiveMIMO作为5G时代非常重要的技术,通过在基站使用大规模的阵列天线来实现通信系统频谱效率、覆盖能力和网络容量的提高,这就需要相应的射频收发单元阵列与之相配套,从而带来单个基站PA数量则大幅增长。4G时代的天线阵列以4T4R8T8R为主流,假设5G基站普遍采用64T64R的天线阵列,则随着从4G5G的演变,单个基站PA数量预计将会有8-16倍的增长,这无疑将为GaAsGaN材料带来巨大的需求增量。 
MassiveMIMO技术


微信图片_20200625164100.jpg资料来源:知网,兴业证券经济与金融研究院整理


基站数量增加+单个基站上的PA数量成倍增长,带动GaAsGaN需求大幅增长,此外,宏基站的应用上,GaN在高频、高功率性能上占据绝对优势,预计也会持续抢占LDMOS的市场份额,带来需求进一步提升。
根据Yole预测,GaAs射频器件市场总额预计将从2016年的4.816亿美元增长至2022年的8.576亿美元,GAGR10.1%,其中,基站领域的市场规模将从2016年的0.153亿美元到2022年增长至3.707亿美元,GAGR超过70%Yole同时预测GaN射频器件的市场规模将从20173.8亿美元到2023年增长至13亿美元,GAGR超过20%,最主要的增量也是来自于基站的应用。
GaAs在光电领域的应用
LED:体量大,预计仍有稳健增长
LED是当前GaAs衬底四大应用领域当中仅次于射频应用的第二大应用市场,预计未来几年仍有稳健的增长。
根据应用波段的不同,可分为红橙黄LED和红外LED。红橙黄LED主要对应照明、显示等领域的应用,该应用领域GaAs低位稳固,来着其他技术的威胁较小。红外LED对应医疗、遥控、光通信等应用,市场相对红橙黄LED要小得多。
根据技术指标(缺陷密度、载流子浓度等)要求的不同,可分为低端LED和高端LED。低端LED衬底通常用于某些显示器、信号灯和装饰照明,高端LED衬底用于高亮度、高精度领域。
GaAsLED器件目前在手机上的应用还只是开关,未来GaAs在智能手机红外LED的应用预计会有比较明显的增长,根据Yole预测,2017-2023年,红外LED-智能手机细分领域用GaAs衬底出货量预计将从2.86万片提升至4.92万片,GAGR9%,市场总额也有望从222万美元提升至340万美元,GAGR7%
除了普通LEDmicro-LEDmini-LED也在持续发展,micro-LDE主要用在手机背光。
根据Yole预测,传统显示、汽车照明等领域用GaAs衬底体量大,同时预计仍有稳健的增长,GaAs基红橙黄LED在园艺照明(用于植物生长)的应用增速强劲,此外,红外的安防、智能手机等领域预计也有不错的增速,2023LED领域用GaAs衬底出货量预计从2017年的72.5万片提升至223.8万片,2017-2023年市场总额有望从0.54亿美元提升至1.49亿美元。
激光:从无到有,VCSEL有望实现高增速
GaAs在激光领域的应用可分为VCSEL和非VCSEL,当前GaAs应用的看点主要在于VCSELVCSEL(垂直腔面发射激光器),以GaAs材料为基础,主要的应用为人脸识别,是从无到有的过程,未来预计会有很高的增速。EEL(边发射激光器)属于非VCSEL器件,主要在汽车激光雷达领域应用,需求有望随着无人驾驶汽车市场的拓展而提升。
激光领域用GaAs衬底技术指标要求高,单价显著高于其他领域,未来市场空间可期。激光应用对位错密度最为敏感,也是对GaAs衬底材料要求最高的应用领域,因此同样尺寸的激光用GaAs衬底的价格也显著高于其他领域。
根据Yole,预计2023年激光领域GaAs衬底的出货量将从2017年的17.5万片提升至96.4万片,GAGR37%,市场总额从2017年的0.34亿美元提升至2023年的1.50亿美元,GAGR28%
2017年不同应用的GaAs衬底平均售价比较


微信图片_20200625164107.jpg资料来源:Yole,兴业证券经济与金融研究院整理


全球竞争格局:由海外主导的寡头市场
由于射频领域用GaAs工艺技术门槛较高,所以PA市场具有集中度非常高的特点,从材料到设计,均由海外主导。从全球GaAs产业链来看,衬底和外延片市场均为少数几家海外企业所垄断。2017年,GaAs衬底市场费尔伯格、住友电工、AXT3家公司的市场份额达到94%。在GaAs外延片射频市场中,6英寸外延片的外包比例约占90%2017年外包领域的两大巨头是IQE和全新光电,市场份额分别为55%26%。而中国GaAs衬底厂商当前主要占据低端LED市场(装饰用红外LED、信号等),仅少数GaAs衬底厂商能够供应高端LED市场(汽车和园艺照明用红外LED)用衬底。
全球GaAs产业链


微信图片_20200625164116.jpg资料来源:Yole,兴业证券经济与金融研究院整理


 
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(本文转自:第三代半导体联合创新孵化中心




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