文章|半导体产业纵横随着各种高频、大功率应用需求的发展，化合物半导体市场规模不断扩大，相应芯片的设计和制造业务日益受到从业者和资本的关注呈现出良好的发展态势。
化合物半导体主要指第二代、第三代半导体材料和工艺。
其中，第二代以砷化镓（GaAs）和磷化铟（InP）为代表。
与第一代半导体材料（主要是硅）相比，它具有高电子迁移率和高光电转换效率的优点，非常适合制造光电和射频器件。
手机的普及带动了砷化镓功率放大器(PA)的增长，迎来了第二代半导体材料的成熟期。
近年来，以碳化硅（SiC）和氮化镓（GaN）为代表的第三代化合物半导体极为热门，但无论是现在还是未来，以GaAs为代表的第二代化合物半导体仍然是无线电频率设备。
尤其是用于手机等移动设备的PA主要材料，占据了大部分市场份额。
据水清木华研究中心统计，2018年至2025年，全球GaAs器件市场总产值将从95.19亿美元增长至160亿美元，年均复合增长率为7.7%。
InP最大的优点是比GaAs具有更高的功率密度。
这种复合特性使得InP在5G毫米波频段和B5G（Beyond 5G）亚太赫兹（THz）频段表现优于GaAs。
也被业界普遍认为有潜力成为未来PA主流材料的流行选择。
砷化镓的应用 与硅相比，砷化镓的主要优点是耐高温（最高工作温度可达350摄氏度左右）、耐辐射、发光效率高。
基于这些特性，砷化镓主要应用于射频（RF）、光电、LED三大领域，此外，光伏（PV）也有一定规模的应用。
据Yole统计，2019年GaAs在射频、光电、LED和光伏应用领域的份额分别为37%、12%、50%和2%，预计将变为28%、18%、53%和1 2025 年 %。
在射频应用方面，随着5G时代的到来，5G手机越来越普及。
此外，无线网络（如Wi-Fi）的普及率也在不断提高，对性能和网络速度的要求不断提高。
这些系统中的无线射频模块必须包含 PA、射频开关和低噪声放大器 (LNA) 等关键组件。
其中，PA是放大无线通信信号的设备。
放大后的信号最终从手机或基站传输出去。
走出去，PA是通信设备的高耗能设备。
目前，大多数射频PA都是基于GaAs材料技术制造的。
5G手机中PA的数量和单价相比4G时代都有显着增长。
在5G sub6GHz频段，GaAs HBT仍然是PA的重要技术。
5G增加了新的毫米波频段，GaAs pHEMT是重要的技术路线。
总之，未来手机PA这块大蛋糕仍将由GaAs主导。
在手机基站方面，也大量使用PA，主要是LDMOS（硅材料）、GaAs和GaN。
与GaAs和LDMOS相比，GaN具有高频、高输出功率的优势，但GaAs因其可靠性和高性价比仍将是未来基站的主流技术。
据Yole统计，LDMOS和GaN材料将呈现出权衡关系，而GaAs将保持相对稳定的市场份额。
具体来说，2025年LDMOS占比将下降至15%，GaN占比将上升至45%，而GaAs占比约40%。
随着PA砷化镓材料在基站中的占比保持稳定，未来几年全球5G基站的建设将为上游砷化镓产业带来稳定的市场需求。
历史上，砷化镓在光电子领域的应用规模较小，主要集中在数据通信应用。
然而，自2017年苹果在iPhone X中引入3D传感功能，以及Android平台采用砷化镓垂直谐振腔面发射激光器（VCSEL）以来，VCSEL市场带动了砷化镓晶圆和砷化镓晶圆的生产规模激增。
外延片。
在苹果手机中，VCSEL主要用于人脸识别。
VCSEL具有原始场发散角小、调制频率高、易于实现大规模阵列和光电集成等优点。
可广泛应用于光通信、3D传感、人脸识别、车载激光雷达等场景，短期内不易被取代。
被其他技术所取代。
随着3D面部传感在手机中的渗透率提高以及大容量光纤通信激光器的需求驱动，全球VCSEL市场规模将从2020年的11亿美元增长到2025年的27亿美元。
因此，光电子领域代表VCSEL将成为GaAs市场的主要增长动力。
除了VCSEL之外，光电二极管也是GaAs在光电子领域的重要应用。
光电二极管是一种小型电子半导体器件，用于将光转换为电流。
砷化镓光电二极管是一种半导体光传感器，广泛应用于各种监控和高速光纤接收器。
消费电子（烟雾探测器、CD播放器、红外遥控设备等）和医疗设备（计算机断层扫描探测器、脉搏血氧计等）应用是砷化镓光电二极管市场的主要驱动力。
据Maximize Market Research预测，2027年GaAs光电二极管市场规模预计将达到2687.9亿美元，2019年至2027年年均复合增长率为4.23%。
LED是砷化镓应用的一个重要分支。
尤其是近年来Mini LED、Micro LED的快速发展，极大拓宽了LED显示技术的应用场景，为GaAs带来了新的增长空间。
LED由含有镓、砷、磷、氮等的化合物制成，是常用的发光器件，可以高效地将电能转化为光能。
常规LED主要应用于普通照明、户外大型显示屏等； Mini LED主要应用于HDR、异形显示器等背光应用，适用于手机、电视、汽车面板、电竞笔记本电脑等产品； Micro LED的应用概念与前两者有很大不同，可应用于可穿戴手表、手机、车载显示器、增强现实/虚拟现实、显示器和电视。
Mini LED是LED背光源的改进版本，可以大幅提升液晶屏的显示效果。
同时成本相对容易控制，有望成为市场主流。
Micro LED将在图像质量上有质的提升，是新一代革命性的显示技术。
如果实现量产，将推动GaAs市场的快速增长。
产业结构 在砷化镓芯片制造方面，行业龙头企业仍以IDM厂商为主。
厂商主要包括美国的Skyworks、Qorvo、Broadcom/Avago、Wolfspeed，以及德国的英飞凌。
这些IDM厂商，以Avago、Skyworks为例，在自身产能不足的情况下，会将产品交给代工厂生产。
Avago的主要代工厂是WIN，Skyworks的代工厂是宏杰科技（AWSC）。
，Qorvo拥有充足的产能，主要生产自己的产品，同时也对外提供OEM服务。
文茂2021年报数据显示，目前，在GaAs芯片制造市场，IDM企业占据了50%以上的市场份额。
在射频GaAs芯片市场，IDM具有明显的优势。
文茂2021年年报援引Strategy Analytics数据显示，Skyworks和Qorvo分别占据了31.6%和29.7%的市场份额，而领先的GaAs晶圆代工厂仅占9.2%。
近年来，化合物半导体晶圆代工比例不断增加。
但由于化合物半导体在结构、成分、缺陷等方面难以用硅晶圆制造，因此能够提供高水平晶圆代工的公司并不多。
目前，全球GaAs晶圆代工厂主要集中在台湾地区、中国大陆和美国。
文茂、GCS（环球）和宏杰科技占据全球90%的市场份额。
据Strategy Analytics统计，在全球GaAs晶圆代工领域，稳茂以71%的市场份额遥遥领先。
目前GaAs晶圆代工厂的主要客户是Avago、Skyworks等IDM大厂。
几年前，Avago 将其位于科罗拉多州的工厂出售给了领先的砷化镓代工厂文茂。
安华高科技还投资了文茂，成为后者的大股东之一。
Avago的HBT产品大部分交给文茂代工。
这些从一个侧面说明，IDM产能外包已成趋势，化合物半导体代工市场正在快速增长。
代工业务的发展很大程度上得益于GaAs技术和市场已经发展到非常成熟的阶段。
特别是其基板和器件技术不断标准化，产品多元化，相应的设计公司数量不断增加，使得晶圆代工业务需求不断增加。
这与逻辑器件代工行业的发展轨迹类似。
随着5G的普及，高性能射频和功率器件订单大幅增加。
高于预期的订单使得主要砷化镓晶圆代工厂产能紧张。
随着5G的大规模应用，该市场的需求将进一步增加。
龙头厂商产能进入全周期，为中国大陆化合物半导体厂商带来商机。
在国内砷化镓代工领域，整体玩家数量并不多。
而能够提供高水平代工服务的企业就更少了，主要包括三安光电、海特高科等少数企业。
其中，三安光电作为国内化合物半导体领域的龙头企业，建成了国内首台6英寸砷化镓和氮化镓外延设备。
薄膜生产线投入量产。
在工艺技术方面，化合物半导体与存储器和逻辑器件有很大不同，因为前者面向射频、高压、大功率、光电等应用领域，并不追求非常先进的工艺节点。
GaAs器件主要采用0.13μm、0.18μm以上工艺，Qorvo正在开发90nm工艺。
该领域基本上不需要60nm以下的工艺。
此外，由于GaAs衬底尺寸的限制，目前的生产线主要以4英寸和6英寸晶圆为主。
结论在材料性能方面，以GaAs为代表的第二代化合物半导体明显优于第一代半导体材料硅，特别是在射频和光电子应用领域。
同时，与SiC、GaN等第三代化合物半导体材料相比，GaAs在工艺成熟度和性价比方面也具有明显优势，特别是在中低压应用领域。
总之，从当前和未来整个化合物半导体市场来看，GaAs和InP仍占多数，而SiC和GaN将逐步扩大在高功率应用中的市场份额。
在GaAs芯片制造方面，呈现出与逻辑芯片（以CPU、GPU等处理器为代表）类似的发展趋势，即晶圆代工比例逐渐增加，IDM市场份额不断下降。
不过，在可预见的未来，IDM仍将占据市场半壁江山，与晶圆代工厂展开竞争。