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详解5G新材料GaAs/GaN市场空间及在射频、激光领域应用(附下载)

2019-11-08
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来源:兴业证券


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引言

GaAs/GaN 材料简介


  • 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(SI)GaAs 和半导体(SC)GaAs。


  • 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。



  射频为当前GaAs 材料应用的最主要下游。


从2017 年GaAs 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%和1.12%,射频和LED 是GaAs 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2017年GaAs 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。

1

氮化镓(GaN)第三代半导体材料的典型代表

氮化镓(GaN)作为第三代半导体材料的典型代表,相较于前两代半导体材料,禁带宽度更宽,具有更高的临界击穿电场,更大的饱和电子速率和更小的介电常数,能够承受更高的工作电压,适合更高频率。


可实现更高的功率密度,同时耐高温、耐腐蚀、抗辐射等性能优异,在多项性能上能够实现对第二代半导体材料(GaAs、InP 等)性能极限的突破。
得益于性能上较第一、二代半导体材料质的飞跃,GaN 成为制作短波长发光器件、光电探测器以及高温、高频、大功率电子器件的理想材料。



  • 光电子领域:包括短波长 LED、激光器、光电探测器等,特别是 GaN基紫外光电探测器,可应用于军事、航空航天、环保、科研等多领域。


  • 电力电子领域:包括智能电网、太阳能发电、风电领域的控制器等,节能和无损耗处理高电压操作的特点也使得 GaN 成为新能源汽车电子器件的重要材料之一,GaN 具备低损耗、高频率、高效率优势。


  • 微波射频领域:包括 5G 通信、卫星通讯、雷达预警(GaN 在军事领域应用的重要场景)等,GaN 具备高带宽、高效率、高功率密度等优势。


目前,GaN 的应用仍以军用为主导,并已经开始逐步向汽车无人驾驶、无线通信基站等民用领域拓展。
5G 浪潮下,移动设备射频产业有望迎来重要发展机遇,作为器件的重要基石,上游材料的需求预计也将迎来新一轮迅猛的增长。

2

5G 对射频材料提出了哪些新的要求?


  • 根据 3GPP 标准定义,5G NR(New Radio,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)。

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:


  • 禁带宽度更大,以运行更高的频带;

  • 临界击穿电场更高,以满足更高功率的应用;

  • 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;

  • 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。


5G 以Sub-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 4G LTE 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。


2017年 11 月,工信部明确了3300-3400MHz(原则上限室内使用)、3400-3600MHz和 4800-5000MHz 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-2675MHz、4800MHz-4900MHz 频段的 5G 试验频率资源,其中2515-2575MHz、2635-2675MHz 和 4800-4900MHz频段为新增频段,2575-2635MHz 频段为重耕其现有的TD-LTE(4G)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。


3

为什么衬底材料非GaAs 莫属? 

常见的射频器件用半导体材料有 Si、GaAs、GaN、SiC、InP 和 SiGe。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 Si CMOS和 GaAs 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。我们认为,从衬底材料的角度,当前5G 时代(Sub-6GHz)仍然是GaAs 的主场。

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:


  • 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;

  • 禁带宽度大,为1.42eV,而Si 仅 1.12eV;

  • 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:

  • 纵向器件,相比 HEMT 和 MESFET 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;

  • 单一正电源供电,HEMT 和MESFET 一般需要负的栅极电压;

  • 双极型晶体管,相比HEMT 和MESFET 跨导更高,能获得更高增益; 

  • 开启电压取决于外延层的禁带宽度,而 HEMT 和 MESFET 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;

  • 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。


氮化镓(GaN):理论上多项性能显著优于 GaAs,是 GaAs 器件的最大潜在竞争者。

GaN 禁带宽度 3.4eV,大大高于第一代半导体 Si 和第二代半导体GaAs,临界击穿电压也高于其他半导体材料,同时 GaN 还拥有更高的饱和电子速率,可运行更高的频带,适应更高的工作温度,理论上性能优于GaAs,是 GaAs 器件重要的竞争者。

4

技术成熟度来看,GaN 衬底要替代GaAs 还任重道远 

GaN 行业仍处于起步阶段,衬底制作难度高,技术进步缓慢。目前制备GaN衬底的技术包括氢化物气相外延(HVPE)、氨热法(Ammonothermal Method)、钠融法(Na Flux)和高压生长法(HNPSG)。

HVPE 法是通过在蓝宝石或 GaAs 等衬底上外延 GaN,进一步地,从外延层上将原衬底剥离并进行抛光等工艺处理以获得GaN 衬底。

但由于异质外延的生长过程容易在 GaN 外延膜与原衬底间出现晶格失配和热失陪,残余应力较高,外延膜存在开裂、翘曲等问题,影响良率。

  • 氨热法在实际生产过程中存在晶体生长条件难以控制的问题,且晶圆尺寸也受到限制。

  • 钠融法和高压生长法两种技术对设备和工艺均要求苛刻,在单晶的尺寸方面也难以实现较大的突破。


成本高昂,限制GaN 衬底的商业化应用。由于生产工艺难度大,良率低,同时技术研发进展缓慢,目前 GaN 衬底的成本仍然很高,05 年的时候 2 寸的衬底成本 2 万美元。

经过15 年的研发现在衬底价格还是在3000 美元的水平,而 4 寸砷化镓衬底成本低档的话仅需 100-200 元,2 寸砷化镓衬底只需人民币几十元。成本问题大大限制了GaN 作为衬底的商业化应用。

起码目前来看,Sub 6GHz 手机射频器件仍是 GaAs 的主场,但中长期发展到更高频的毫米波阶段后,GaAs 由于热导率较低,散热性较差,其射频器件可承受的功率相对较低。

恐怕也难以胜任28GHz 以上的手机PA 用半导体材料,大概率需要使用以 GaN 为工作层的材料,届时适合更高频率应用的GaN 能否实现顺利接棒,仍需等待技术和成本上的突破。

5

GaN 作为双主角,地位体现在哪里? 

GaN 微波功率器件的应用市场包括国防、卫星通讯、无线通信基站。对于无线通信基站市场,我们认为,随着5G 时代的到来,GaAs 预计仍为室内网络系统结构的主流,但在宏基站领域,GaN 因其高功率特性,优势将得以凸显。

从不同的工艺来看,预计 GaN-on-SiC 将成为对功率要求较高的宏基站射频器件用半导体材料的主流
以 GaN 为外延层的射频器件价格有所下行,为其在宏基站的大规模应用提供可能。

根据第 3 代半导体产业技术创新战略联盟于 2019 年发布的《2018年全球第3 代半导体产业发展回顾及展望》。

目前包括Qorvo、Cree、NXP 和MACOM 等企业(其中 MACOM 主要产品为 GaN-on-Si 射频器件,Qorvo、 Cree 和 NXP 主要生产 GaN-on-SiC 射频器件)对外销售 170 个类型的 GaN HEMT 射频器件,产品报价范围为 90~9000 元/只,平均价格为 23.78 元/W。

已降至Si LDMOS 平均价格(8.50 元/W)的 3 倍以内。随着GaN-on-SiC 生产的技术成熟度逐步提高,价格有望持续下行,为其在 5G 时代宏基站射频领域的大规模应用提供基础。

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GaAs/GaN 市场空间测算(仅考虑手机和基站射频应用) 

GaAs 在手机PA 的市场份额有望持续提升。Si 基CMOS 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Sub 6GHz 阶段仍将是GaAs 材料的主场,GaAs PA预计将持续抢占Si 基CMOS 的市场份额,渗透率进一步提高。

6.1

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VCSEL。

VCSEL(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,GAGR 达37%,市场总额从2017 年的 0.34 亿美元提升至 2023 年的1.50 亿美元,GAGR 达28%。


7

基站:数量快速增长,GaAs、GaN 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,GaAs 和GaN 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。
Massive MIMO技术的应用,要求单个基站PA 数量成倍增长。Massive MIMO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4T4R 和8T8R 为主流,假设5G 基站普遍采用64T64R 的天线阵列,则随着从 4G 到 5G 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GaAs 和GaN 材料带来巨大的需求增量。


  • 基站数量增加+单个基站上的 PA 数量成倍增长,带动 GaAs 和 GaN 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,GAGR 达10.1%。

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2017 年3.8 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。

GaAs 的 LED 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,GAGR 达9%,市场总额也有望从222 万美元提升至340 万美元,GAGR 达7%。

除了普通LED,micro-LED 和mini-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,2023年 LED 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。


8

由海外主导的寡头市场,自主可控拉开国产化替代序幕 

GaAs: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、AXT 3 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%和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。

GaN:相较于 GaAs 属于新兴市场,研发和生产上海外厂商仍有领先优势。海外企业包括 Cree、Qorvo、MACOM、MMIC 等均走在技术发展和产品出新的前列。

大陆现已具备包括GaN 材料衬底、外延、工艺加工、电路设计、封装、测试、模块、可靠性试验等的完整产业链布局,频段覆盖 3mm 及以下,部分产品达到国际领先水平。

针对射频领域应用的GaN 衬底生产企业主要包括苏州纳维和东莞中镓,外延企业主要包括晶湛半导体和苏州能讯。

9

自主可控拉开国产化替代序幕 

自主可控趋势明确,拉开半导体材料国产化替代序幕。不论是射频芯片,还是激光、LED 器件,材料制造环节都是产业链的核心价值所在,而目前基本由海外企业高度垄断。

在中美博弈、“华为事件”等的影响下,国产化、自主品牌建设意识持续升温。在自主可控的明确趋势下,GaAs、GaN 半导体材料行业有望迎来政策支持和产业升级的共振。


9.1、有研新材:定位高端LED 市场 


  • 有研新材主要从事稀土材料、光电子用薄膜材料、生物医用材料、稀有金属及贵金属、红外光学及光电材料、光纤材料等新材料的研发与生产。

  • 旗下重要子公司有研光电新材料有限责任公司主要从事红外光学及光电材料的研发和生产,是我国先进半导体材料和红外光学材料的重要研发中心和生产基地,拥有全球领先的红外锗单晶生产线,是全球红外光学锗片和红外 LED 衬底片的主要供应商。


目前有研光电拥有 60 万片/年的 GaAs 衬底产能,采用水平 GaAs 单晶生产线,产品均匀性优异,定位于高端 LED 应用,附加值高,是全球红外 LED用砷化镓基片的主要供应商之一。


9.2、云南锗业:布局GaAs 和InP 材料 

  • 云南锗业目前材料级主导产品为区熔锗锭、二氧化锗;

  • 深加工方面,光伏级锗产品主要为太阳能锗衬底片,

  • 红外锗系列产品主要为红外级锗单晶(光学元件)、锗镜片、镜头、红外热像仪

  • 光纤级锗产品为光纤用四氯化锗,非锗半导体材料级产品主要为砷化镓单晶片。

  • 公司产品主要运用包括红外光学、太阳能电池、光纤通讯、发光二极管等领域。


公司GaAs 单晶片产能为80 万片/年(折合4 英寸),2019 年上半年生产GaAs单晶片4.17 万片(折合4 英寸)。

目前公司生产仍以4 英寸为主,6 英寸GaAs尚未批量生产,产品主要销往韩国、福建、台湾等地。2019 年上半年公司非锗半导体材料级产品(GaAs、InP)实现营业收入541.78 万元,占营业收入比重还较小,仅为2.36%。

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激光雷达大会预告

11月21-22日,智车行家携手中国信通院、上海易贸商务发展有限公司、数十家行业媒体以及科研院所将在上海主办 “2019汽车激光雷达前瞻技术展示交流会”。

重磅发言抢先看


11月21日  |  星期四

激光雷达行业概况 & 测试标准


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自动驾驶及激光雷达市场概览

发言嘉宾:Roywang,高级分析师,IHS Markit


量产汽车激光雷达应用的思考

发言嘉宾:郭继舜,智驾技术部部长,广汽研究院

车载激光雷达测试要求、测试项目以及主要参数测试方法探讨

发言嘉宾:麻云凤,常务副主任,国家激光器件质量监督检验中心


CEO焦点访谈

郑凯,总经理,苏州凌创瑞地测控技术有限公司

潘卫青,总经理,杭州爱莱达科技有限公司

石拓,CEO,北京一径科技有限公司

梁伟,董事长总经理,苏州镭智传感科技有限公司


核心元器件及系统运用
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“经济型”多光束闪光激光雷达关键技术

发言嘉宾:Clement Kong,亚太区总经理,Ouster


3D固态激光雷达Cocoon技术在自动驾驶中的应用

发言嘉宾:Clive Szeto,中国区总经理,Leddar Tech


为高级辅助驾驶和自动驾驶打造的智能激光雷达传感系统

发言嘉宾:LeiLei Shinohara,合伙人、研发副总裁,深圳市速腾聚创科技有限公司


长距离图像级激光雷达打造自动驾驶可靠安全的“眼睛”

发言嘉宾:邸明,中国区总经理,Innovusion / 图达通智能科技(苏州)有限公司


自动驾驶所需的车规级激光雷达及感知融合

发言企业:法雷奥


全固态激光雷达的关键技术研究

发言嘉宾:潘教青,教授,博导,副主任,中国科学院半导体研究所


用于自动驾驶中的可量产固态激光雷达

发言嘉宾:石拓,CEO,北京一径科技有限公司


FMCW激光雷达技术进展与产业化

发言嘉宾:潘卫青,总经理,杭州爱莱达科技有限公司


动态大场景激光雷达SLAM的挑战与解决思路

发言嘉宾:秦宝星,CTO,高仙机器人


高性能工程塑料在激光雷达中的应用

发言企业:SABIC,特材事业部



特别鸣谢以下整车企业参与


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