GaAs将迎来“第二春”

随着各种高频和高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受到越来越多从业者和资本的关注，显现出良好的发展态势。

化合物半导体主要是指第二代和第三代半导体材料及工艺，其中，第二代以砷化镓（GaAs）、磷化铟（InP）为代表，它们相对于第一代半导体材料（以硅为主），具有电子迁移率高，光电转换效率高的优点，非常适用于制造光电和射频器件。手机的普及带动了GaAs功率放大器（PA）的增长，迎来了第二代半导体材料的成熟期。近些年，以碳化硅（SiC）和氮化镓（GaN）为代表的第三代化合物半导体火热异常，但无论是当下，还是未来，以GaAs为代表的第二代化合物半导体依然是射频器件，特别是手机等移动设备用PA的主要材料，占据着大部分市场份额。

据ResearchInChina统计，2018－2025年，全球GaAs元器件市场总产值将由95．19亿美元增长至160亿美元，年均复合增长率为7．7％。

InP的最大优势在于拥有比GaAs更高的功率密度，这个化合物特性使得InP在5G毫米波频段、B5G（Beyond 5G ）次太赫兹（THz）频段运用效果更胜GaAs，也是业界普遍认为有潜力成为未来PA主流材料的热门选项。

GaAs的应用

与硅相比，GaAs的主要优势为耐高温（最高工作温度可以到摄氏350度左右）、抗辐射、发光效率高，基于这些特性，GaAs主要用于三个领域：射频（RF），光电子，LED，另外，光伏（PV）也有一定规模的应用。据Yole统计，2019年，GaAs在射频、光电子、LED和光伏应用领域份额分别为37％、12％、50％和2％，预计2025年将变为28％、18％、53％和1％。

射频应用方面，随着5G时代到来，5G手机越来越普及，此外，无线网路（如Wi－Fi）普及率也越来越高，且对性能和网速要求不断提升。这些系统中的无线射频模组必定含有的关键零组件是PA、射频开关和低噪声放大器（LNA）等，其中，PA是将无线通信信号放大的器件，经过放大的信号最终从手机或者基站发射出去，PA属于通信设备高能耗器件，目前，多数射频PA都是基于GaAs材料工艺制造的。

5G手机中的PA数量和单价，都比4G时代大幅增长。5G sub6GHz 频段中，GaAs HBT仍是PA的重要技术，5G新增了毫米波频段，GaAs pHEMT 则为重要的技术路线。总之，手机PA的这块大蛋糕在未来还是GaAs的天下。

手机基站方面，也要用到大量PA，以LDMOS（硅材料）、GaAs和GaN为主。与GaAs和LDMOS相比，GaN具备高频、高输出功率的优势，但GaAs凭借可靠性和高性价比，未来仍将是基站的主流工艺。据Yole统计，LDMOS和GaN材料将呈现出此消彼长的关系，GaAs则保持相对稳定的市场占有率，具体来看，2025年，LDMOS占比将下降到15％，GaN占比将上升到45％，而GaAs占比约为40％。在基站PA GaAs材料占比稳定的情况下，未来几年全球5G基站的建设将为上游GaAs产业带来稳定的市场需求。

从历史上看，GaAs在光电子领域应用规模较小，主要集中在数据通信应用上，但是，自从2017年苹果公司在其手机iPhone X中引入3D感应功能，以及Android平台采用GaAs垂直共振腔表面发射激光器（VCSEL）以来，VCSEL市场带动GaAs晶圆和外延片生产规模激增。

在苹果手机中，VCSEL主要用于人脸辨识。VCSEL具有较小的原场发散角、调制频率高且易于实现大规模阵列及光电集成等优点，可广泛应用于光通信、3D传感、面部识别、车载激光雷达等场景，且短期内不易被其它技术取代。随着手机3D面部感应渗透率提高，以及大容量光纤通信激光器的需求拉动，全球VCSEL的市场规模将从2020年的11亿美元，增长至2025年的27亿美元。因此，以VCSEL为代表的光电子领域将成为GaAs市场主要的成长动力。

除了VCSEL，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，GaAs光电二极管是一种半导体光传感器，广泛应用于各种监测和高速光纤接收器。消费电子（烟雾探测器、光盘播放器、红外遥控设备等）和医疗设备（计算机断层造影探测器、脉搏血氧计等）应用是GaAs光电二极管市场的主要驱动力。据Maximize Market Research统计，预计2027年GaAs光电二极管市场规模将达到2687．9亿美元，2019－2027年均复合增长率为4．23％。

LED是GaAs应用的重要分支，特别是近些年，Mini LED和Micro LED快速发展，大幅拓宽了LED显示技术的应用场景，为GaAs带来了新的增长空间。

LED由含镓、砷、磷、氮等的化合物制成，是常用发光器件，可高效地将电能转化为光能。常规LED主要应用于通用照明、户外大显示屏等；Mini LED以HDR、异型显示器等背光源应用为主，适应用于手机、电视、车用面板及电竞笔记本电脑等产品；Micro LED的应用概念跟前两者有很大差异，可应用在穿戴式的手表、手机、车用显示器、扩增实境／虚拟实境、显示屏及电视等领域。Mini LED是LED背光的改良版本，可以大幅提升液晶画面效果，同时成本相对容易控制，有望成为市场的主流。Micro LED在画质方面会有质的提升，是新一代革命性的显示技术，若实现量产，将推动GaAs市场快速增长。

产业格局

在GaAs芯片制造方面，行业龙头企业仍以IDM为主，厂商主要包括美国的Skyworks、Qorvo、Broadcom／Avago以及Wolfspeed，还有德国的Infineon。这些IDM，以Avago和Skyworks为例，当自身产能不足时，会将产品交给代工厂生产，Avago的主要代工厂商是稳懋（WIN），Skyworks的代工厂商是宏捷科技（AWSC），Qorvo的产能充足，主要自产，而且还会向外提供代工服务。

根据稳懋2021年报数据，目前，GaAs芯片制造市场中，IDM企业占有超过50％的市场份额，在射频GaAs芯片市场，IDM占据明显优势，稳懋2021年报援引StrategyAnalytics数据显示，Skyworks和Qorvo分别占市场份额的31．6％和29．7％，GaAs晶圆代工龙头稳懋占比仅9．2％。

近些年，化合物半导体的晶圆代工比例在不断提升，不过，由于化合物半导体在结构、成分、缺陷等方面难于硅晶圆制造，能提供高水平晶圆代工的企业并不多，目前，全球GaAs晶圆代工主要聚集在中国台湾地区和美国，稳懋、GCS（环宇）和宏捷科技占据着全球90％的市场份额，据Strategy Analytics统计，在全球GaAs晶圆代工领域，稳懋以71％的市占率独占鳌头。

目前来看，GaAs晶圆代工厂的主要客户是Avago、Skyworks等IDM大厂。前些年，Avago将其位于科罗拉多的工厂出售给了GaAs代工龙头稳懋，Avago还入股稳懋，成为后者的大股东之一，Avago的HBT产品大多交给稳懋代工。这些从一个侧面说明了IDM产能外包成为了一种趋势，化合物半导体代工市场正在快速成长。

代工业务的发展，在很大程度上是因为GaAs技术和市场已经发展到了非常成熟的阶段，特别是其衬底和器件技术不断实现标准化，产品多样化，相应的设计企业增加，使得代工业务需求不断增加。这与逻辑器件代工业的发展轨迹类似。

随着5G的普及，相应的高性能射频和功率器件订单明显增加，订单的超预期使得GaAs晶圆代工大厂产能吃紧。随着5G的大规模应用，该市场的需求量还将进一步提升，龙头厂商产能进入满载周期，给中国大陆化合物半导体生产厂商带来了商机，在国内的GaAs代工领域，玩家总体数量不多，能提供高水平代工业务的更是凤毛麟角，主要有三安光电、海特高新等少数企业，其中，三安光电作为国产化合物半导体领域的龙头企业，已经建成国内首条6英寸GaAs、GaN外延片产线并投入量产。

在制程工艺方面，化合物半导体与存储器和逻辑器件有很大区别，因为前者面向射频、高电压、大功率、光电子等应用领域，并不追求很先进的工艺节点，GaAs器件以0．13μm、0．18μm以上制程为主，Qorvo正在进行90nm工艺研发。该领域基本不需要60nm以下的制程。

此外，由于受GaAs衬底尺寸限制，目前的生产线以4英寸和6英寸晶圆为主。

结语

在材料特性方面，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。与此同时，与SiC、GaN这些第三代化合物半导体材料相比，GaAs的工艺成熟度和性价比也具备明显优势，特别是在中低电压应用领域，优势更为明显。

总之，从当下和未来化合物半导体市场总量来看，GaAs和InP依然占据绝大部分，而SiC和GaN则会在高功率应用领域逐步扩大市占率。

在GaAs芯片制造方面，与逻辑芯片（以CPU、GPU等处理器为代表）呈现出相似的发展趋势，那就是晶圆代工比例逐步上升，IDM的市占率呈下滑态势，不过，在可预见的未来，IDM依然会占据半壁江山，与晶圆代工分庭抗礼。

原文标题:GaAs将迎来“第二春”