解析化合物半导体

作者：国盛证券

半导体材料可分为单质半导体及化合物半导体两类，前者如硅（Si）、锗(Ge）等所形成的半导体，后者为砷化镓（GaAs）、氮化镓（GaN）、碳化硅（SiC）等化合物形成。半导体在过去主要经历了三代变化，砷化镓（GaAs）、氮化镓（GaN）和碳化硅（SiC）半导体分别作为第二代和第三代半导体的代表，相比第一代半导体高频性能、高温性能优异很多，制造成本更为高昂，可谓是半导体中的新贵。

超越摩尔：光学、射频、功率等模拟IC持续发展

摩尔定律放缓，集成电路发展分化。现在集成电路的发展主要有两个反向：More Moore （深度摩尔）和More than Moore （超越摩尔）。摩尔定律是指集成电路大概18个月的时间里，在同样的面积上，晶体管数量会增加一倍，但是价格下降一半。但是在28nm时遇到了阻碍，其晶体管数量虽然增加一倍，但是价格没有下降一半。More Moore （深度摩尔）是指继续提升制程节点技术，进入后摩尔时期。与此同时，More than Moore （超越摩尔）被人们提出，此方案以实现更多应用为导向，专注于在单片IC上加入越来越多的功能。

第三代半导体适应更多应用场景。硅基半导体具有耐高温、抗辐射性能好、制作方便、稳定性好。可靠度高等特点，使得99%以上集成电路都是以硅为材料制作的。但是硅基半导体不适合在高频、高功率领域使用。2G、3G 和 4G等时代PA主要材料是 GaAs，但是进入5G时代以后，主要材料是GaN。5G的频率较高，其跳跃式的反射特性使其传输距离较短。由于毫米波对于功率的要求非常高，而GaN具有体积小功率大的特性，是目前最适合5G时代的PA材料。SiC和GaN等第三代半导体将更能适应未来的应用需求。

模拟IC关注电压电流控制、失真率、功耗、可靠性和稳定性，设计者需要考虑各种元器件对模拟电路性能的影响，设计难度较高。数字电路追求运算速度与成本，多采用CMOS工艺，多年来一直沿着摩尔定律发展，不断采用地更高效率的算法来处理数字信号，或者利用新工艺提高集成度降低成本。而过高的工艺节点技术往往不利于实现模拟IC实现低失真和高信噪比或者输出高电压或者大电流来驱动其他元件的要求，因此模拟IC对节点演进需求相对较低远大于数字IC。模拟芯片的生命周期也较长，一般长达10年及以上，如仙童公司在1968年推出的运放μA741卖了近五十年还有客户在用。

目前数字IC多采用CMOS工艺，而模拟IC采用的工艺种类较多，不受摩尔定律束缚。模拟IC的制造工艺有Bipolar工艺、CMOS工艺和BiCMOS工艺。在高频领域，SiGe工艺、GaAs工艺和SOI工艺还可以与Bipolar和BiCMOS工艺结合，实现更优异的性能。而在功率领域，SOI工艺和BCD（BiCMOS基础上集成DMOS等功率器件）工艺也有更好的表现。模拟IC应用广泛，使用环节也各不相同，因此制造工艺也会相应变化。

砷化镓（GaAs）：无线通信核心材料，受益5G大趋势

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。

基带和射频模块是完成3/4/5G蜂窝通讯功能的核心部件。射频模块一般由收发器和前端模组（PA、Switch、Filter）组成。其中砷化镓目前已经成为PA和Switch的主流材料。

4G/5G频段持续提升，驱动PA用量增长。由于单颗PA芯片仅能处理固定频段的信号，所以蜂窝通讯频段的增加会显著提升智能手机单机PA消耗量。随着4G通讯的普及，移动通讯的频段由2010年的6个急速扩张到43个，5G时代更有有望提升至60以上。目前主流4G通信采用5频13模，平均使用7颗PA，4个射频开关器。

目前砷化镓龙头企业仍以IDM模式为主，包括美国Skyworks、Qorvo、Broadcom/Avago、Cree、德国Infineon等。同时我们也注意到产业发展模式开始逐渐由IDM模式转为设计+代工生产，典型事件为代工比例持续提升、avago去年将科罗拉多厂出售给稳懋等。我们认为GaAs衬底和器件技术不断成熟和标准化，产品多样化、器件设计的价值显著，设计+制造的分工模式开始增加。

从Yole Development等第三方研究机构估算来看，2017年全球用于PA的GaAs 器件市场规模达到80-90亿美元，大部分的市场份额集中于Skyworks、Qorvo、Avago 三大巨头。预计随着通信升级未来两年有望正式超过100亿美元。

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