2016年砷化镓氮化镓半导体行业研究报告(完美版)

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2016年4月
目录
一、概述4
1、砷化镓外延片生长介绍 4
2、砷化镓/氮化镓半导体：功率半导体的分支8
3、SIC功率半导体9
二、砷化镓/氮化镓半导体：半导体贵族引爆市场热点10
1、砷化镓/氮化镓半导体：半导体贵族11
2、砷化镓/氮化镓半导体：放大与开关器件13
三、砷化镓半导体：射频通讯的核心，百亿美元大市场13
1、无线通讯推动砷化镓半导体市场快速发展13
（1）手机通讯领域14
（2）其它领域16
2、国外IDM厂商抢占砷化镓半导体市场先机17
3、砷化镓半导体代工经营模式出现19
四、氮化镓半导体：节能产业的未来20
1、氮化镓：宽禁带半导体，高频性能更强20
2、氮化镓功率半导体民用市场起步22
3、氮化镓大功率器件未来应用前景广阔23
五、三安光电：拉开砷化镓/氮化镓半导体国产替代序幕23
1、国内市场砷化镓/氮化镓半导体需求旺盛23
2、政策扶持将加速砷化镓/氮化镓半导体国产化24
3、三安光电加入制造环节，国产替代加速24
（1）国内砷化镓/氮化镓半导体制造实现零突破24 （2）军工需求将成为三安光电突破口25
（3）民用市场国产替代即将开启25
六、风险因素25
砷化镓/氮化镓半导体引爆市场热点。

由于砷化镓和氮化镓半导体材料的特殊性，该器件将会是未来集成电路的重要发展方向，国家正大力支持该行业的迅速发展，最近也引起了市场的广泛关注。

砷化镓和氮化镓主要依附于MOCVD 进行外延生产，技术含量高，国内LED 芯片龙头三安光电早在两三年前就在布局该行业，近期发布定增预案，计划募集资金16 亿元，总投入达30 亿元人民币用于通讯微电子器件项目，生产砷化镓高速半导体器件与氮化镓高功率半导体器件。

国内砷化镓/氮化镓半导体在军工及无线通讯等领域需求旺盛，而相关标的稀缺，因此我们看好该行业未来发展，同时也将持续关注该领域中相关投资机会。

砷化镓半导体：射频通讯核心，百亿美元大市场。

砷化镓半导体具备高工作频率、电子迁移速率、抗天然辐射及耗电量小等特性在微波通讯领域大规模应用。

一方面，随着智能手机进入4G 时代，以至于后面的5G 及物联网的崛起，多模多频的砷化镓微波功率器件需求量较3G 时代将大幅提升。

根据我们估算，2014 年度全球手机砷化镓功率元件需求量接近120 亿颗，国内手机市场砷化镓元件需求量超过35 亿颗。

4G 及未来的5G 通讯已成为砷化镓微波半导体重要的成长驱动力。

另一方面，无线通讯的拉动下催生砷化镓半导体由原先的国外IDM 群雄割据发展到现在的代工经营模式，专业的砷化镓半导体晶圆制造出现。

氮化镓半导体：节能产业的未来。

氮化镓半导体自2013 年开始逐步从军工领域向民用市场拓展，美国、欧洲、及中国政府均出台相关政策大力推进氮化镓半导体产业，国际半导体大厂关于氮化镓器件的收购和合作也不断发生，氮化镓半导体已经成了各家必争之地。

未来随着氮化镓半导体在新能源、智能电网、4C 产业及物联网的应用逐步拓展，全球氮化镓半导体市场潜在规模达94 亿美元。

国内机会：三安光电拉开砷化镓/氮化镓半导体国产替代序幕。

三安光电将投资砷化镓/氮化镓半导体制造，填补我国在制造环节的空白。

一方面，三安将借军工订单正式切入砷化镓/氮化镓半导体领域，目前三安已经与成都亚光签订6600 万元流片订单，鉴于国内军工用砷化镓/氮化镓器件需求巨大，只要公司产品量产，订单将能够保证。

另一方面，国内锐迪科、国民技术、汉天下等设计公司，均将会是三安光电未来潜在客户,海外也将会是开发的重点领域。

随着三安通讯电子器件项目投产，将实现年产能36 万片（6 寸片），规模更甚于目前全球砷化镓晶圆代工龙头台湾稳懋，借助国家力量，三安光电从国防应用领域切入，将不仅是“LED 芯片界的台积电”，还有望成长为“砷化镓/氮化镓芯片界的台积电”。

砷化镓和氮化镓半导体最近引起了市场的广泛关注。

国内LED芯片龙头企业三安光电近期发布定增预案，计划募集资金16亿元，总投入达30亿元人民币用于通讯微电子器件项目，生产砷化镓高速半导体器件与氮化镓高功率半导体器件。

这一消息吸引了大量投资者将目光投注于砷化镓和氮化镓半导体领域。

尽管砷化镓和氮化镓功率器件可谓是半导体领域的大蓝海，但关于这种新型材料半导体的研究非常少，市场上对于功率半导体究竟是什么、应用领域、行业现状以及未来的前景还不是那么清楚，对于行业内相关的投资机会也尚未有充分的认识。

本报告主要回答了三个与行业紧密相关的问题：
1) 砷化镓/氮化镓半导体究竟是什么，目前的应用领域及发展状况如何。

2) 砷化镓/氮化镓半导体的增长点在哪里。

对于砷化镓半导体来说，无线通讯领域的应用是其主要驱动力。

多模多频的4G及物联网时代，砷化镓微波功率器件需求量较3G时代翻倍增加。

根据我们估算，2014年度全球手机砷化镓功率元件需求量接近120亿颗，国内手机市场砷化镓元件需求量超过35亿颗。

对于氮化镓半导体来说，目前行业处于刚起步阶段，传统半导体厂商关于氮化镓器件的收购和合作、许可协议不断发生。

新能源汽车领域的应用是氮化镓半导体的下一个爆发点。

3) 国内企业在行业内的机会。

国内市场智能手机和军工领域对功率半导体需求旺盛。

国家政策落地，大力扶持本土半导体产业发展。

三安光电将投资砷化镓半导体制造，填补我们在砷化镓制造环节的空白，拉开国产替代序幕。

把握近年来国产手机终端品牌崛起，全球半导体产业东移之势确定的机会，借助国家力量，三安光电从国防应用领域切入，将不仅是“LED芯片界的台积电”，还有望成长为“砷化镓/氮化镓芯片界的台积电”。

我们看好这一快速成长行业未来的发展，同时也将持续关注这一领域中相关的投资机会。

一、概述
1、砷化镓外延片生长介绍
生产一颗砷化镓IC，制程依序是拉晶(基板制造)，其次是外延片制造，再其次就进入和硅IC一样的生产流程，最后是封装与测试。

砷化镓制程与硅最大的不同点，就在于砷化镓的外延片过程比较复杂，所以才形成了单独的外延环节，而硅的外延步骤则多在晶圆厂中进行。

砷化镓外延厂必须先取得基板晶圆之后才能进行外延片生长。

这个过程中会因产品用途不同，在砷化镓晶圆片上面放上一些特定材料，例如：AlGaAs、InGaP等，以材料掺杂、结构调整等方式达到客户对组件电性特性的要求。

通常砷化镓外延片生长有两种方式：MOCVD和MBE。

目前美国厂商主要采用MBE的生长方式，日韩和台湾厂商多采用MOCVD的外延片生长方式。

由于MOCVD较MBE在稳定性、生长速率、制造成本等方面优势显著，stategy analytics预计在砷化镓外延片市场，MOCVD将逐渐取代MBE。

2、砷化镓/氮化镓半导体：功率半导体的分支
功率半导体的目的是使电能更高效、更节能、更环保并给使用者提供更多方便。

如变频空调，智能手机的电源管理系统。

如果说CPU是电子产品的大脑，那么功率半导体就称得上电子产品的肌肉。

砷化镓/氮化镓材料因其高频性能优势，被用于制造功率半导体。

是指进行电能（功率）处理的半导体器件，目前75%以上的电能应用需要由功率半导体器件进行功率变换以后才能供设备使用。

目前功率半导体被广泛应用在通信、军事、汽车电子、太阳能电池等领域，几乎每个电子产品中都离不开功率半导体。

而我国也是功率半导体最大消费市场，几乎占到了一半的份额。

光纤通信领域，大于25Ｇ比特／秒的光通信传输系统，其光通信收发系统均需采用砷化镓超高速专用电路。

无线通讯领域，以射频IC 为主，集中在PA(功率放大器)，LNA(低杂讯功率放大器)等通讯元件上。

由于功率集成电路具有噪声低、速度快、低电压、功率转换效率高等特点，因而被看作移动通信的首选电路，特别是全球定位系统的应用。

军事领域，激光制导导弹，海湾战争赢得“砷化镓打败钢铁”的美名。

另外军用雷达探测也是功率半导体的重要应用之一。

3、SiC功率半导体
SiC与GaN都是第三代半导体材料的代表，与Si称霸第一代半导体，GaAs统治第二代半导体不同，第三代半导体中SiC 与GaN并存。

除了SiC是间接带隙半导体材料没有光学性能，不能制造光电器件外，两者性能接近，SiC与GaN半导体应用领域有很多重合之处。

SiC在1200V电压以上性能优于GaN。

目前SiC功率半导体仍处于发展初期，晶圆生长过程中一出现材料的位错缺陷等，导致SiC器件的可靠性下降。

另一方面，晶圆生长难度大导致SiC单晶材料昂贵，仅少数公司能够提供SiC 单晶片，价格居高不下也阻碍SiC进入民用功率半导体市场。

而美国的Cree公司在SiC半导体领域申请了许多专利，技术垄断，也严重制约了其他公司在SiC领域的发展。

相比较，GaN 材料有望成为第三代半导体的领导者。

二、砷化镓/氮化镓半导体：半导体贵族引爆市场热点
国内LED芯片龙头企业三安光电近期发布定增预案，计划募集资金16亿元，总投资达30亿元人民币用于通讯微电子器件项目，生产砷化镓高速半导体器件与氮化镓高功率半导体器件。

这一消息吸引了大量投资者将目光投注于砷化镓和氮化镓半导体领域。

1、砷化镓/氮化镓半导体：半导体贵族
半导体材料是制作半导体器件和集成电路的电子材料，是半导体工业的基础。

随着新的半导体材料出现、电力电子技术进步与制作工艺的提高，半导体在过去经历了三代变化。

砷化镓（GaAs）和氮化镓（GaN）半导体分别作为第二代和第三代半导体的代表，相比第一代半导体硅价格昂贵，可谓是半导体中的贵族。

1947年第一个硅基晶体管出现，拉开了半导体时代的序幕。

目前，半导体器件和集成电路仍然主要是用硅晶体材料制造的。

硅半导体材料及其集成电路的发展导致了微型计算机的出现和整个信息产业的飞跃。

随着半导体应用不断向微波（高频）段拓展，以砷化镓为代表的第二代半导体材料显示出巨大的优越性。

砷化镓的禁带宽度大于硅，电子迁移率高，约为硅中电子迁移率的7倍，因此适用于制作微波功率半导体，能满足信息处理的高速化、高频化需求。

另外砷化镓的光电转换效率高，可以制作成半导体激光器和红外光电器件。

第三代半导体材料的兴起，是以氮化镓材料的突破为起点，其禁带宽度远远大于前两代半导体材料，因此也被称为宽禁带半导体。

由于氮化镓禁带宽度更宽，高频性能比第二代更好，节能效果更显著，从2013年开始，氮化镓在功率半导体领域的应用开始起步。

目前砷化镓材料为代表的第二代半导体主要应用于高频（即微波）领域，第三氮化镓半导体处于刚刚起步阶段，以超大功率应用为主。

2、砷化镓/氮化镓半导体：放大与开关器件
砷化镓/氮化镓材料因其优异的高频性能，常用来制造功率半导体，在应用中通过变频、变压、变流、功率放大及管理的方
式实现两大功能：放大和开关。

目前75%以上的电能应用需要进行功率变换以后才能供设备使用。

放大：低频功率变为高频功率，充分利用放大作用，就可以使用小功率驱动马达。

开关：切换电路的开与关，切换电路开与关的开关速度越快，越能实现精密控制。

二、砷化镓半导体：射频通讯的核心，百亿美元大市场
1、无线通讯推动砷化镓半导体市场快速发展
砷化镓主要用于微波功率器件，即工作在微波波段（频率300~300000兆赫之间）的半导体器件。

由于Si在物理特性上的先天限制，仅能应用在1GHz以下的频率。

然而近年来由于无线高频通讯产品迅速发展，使得具备高工作频率、电子迁移速率、抗天然辐射及耗电量小等特性的砷化镓脱颖而出，在微波通讯领域大规模应用。

（1）手机通讯领域
在手机无线网络中，系统中的无线射频模组必定含有两个关键的砷化镓半导体零组件：以HBT设计的射频功率放大器（RF PA）和以pHEMT设计的射频开关器。

传统2G手机中，一般需要2个功率放大器（PA）；另外2G 手机只有一个频段，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4颗PA，35G平均使用6颗PA。

使用2个射频开关器。

2014年，智能手机正式进入4G时代，平均使用7颗PA，4个射频开关器。

4G的射频通信需要用到5模13频，多模多频的砷化镓前端放大器模块及在“频”和“模”之间切换的射频开关器不可或缺。

目前，单部4G智能手机仅达到标准的通信效果，就至少需要5颗以上的砷化镓功率放大器，此外智能手机中的卫星定位功能也需要用到1颗功率放大器，4G智能手机支持的无线局域网通信（WLAN）也需要至少1颗功率放大器。

下一代5G技术，其传输速度将是现行4G LTE的100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。

在PA领域，一直存在硅基CMOS PA与砷化镓PA之争。

2013年上半年高通推出CMOS功率放大器解决方案开始打入低阶智能手机供应链，但是由于硅材料物理性能限制无法应用于高频领域。

因此虽然硅材料较砷化镓有成本优势，但是高阶市场并不会受到影响，砷化镓材料在功率放大器市场仍由85%的市占率。

年全球智能手机销量达1228亿只，中国智能手机出货量达402亿支。

根据我们粗略估算，2014年度全球手机砷化镓功率元件需求量接近120亿颗，国内手机市场砷化镓元件需求量超过35亿颗。

未来随着4G手机渗透率的不断提升，手机用砷化镓元件还将不断增长。

（2）其它领域
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。

根据Strategy Analytics调查数据，2013年全球砷化镓微波功率半导体市场总产值约为647亿美元，较2012年593亿美元成
长11%。

2、国外IDM厂商抢占砷化镓半导体市场先机
与硅材料大规模集成电路制造不同，砷化镓微波功率半导体多为分立器件，制造工艺相对简单。

另一方面，由于材料性能差异大，晶圆制造的设备及工艺与硅有极大的不同，因此我们一般所熟悉的半导体晶圆制造厂商专注于硅晶圆制造，并不涉及砷化镓晶圆制造领域。

砷化镓半导体拥有自己独立的全套产业链。

砷化镓半导体的制造流程与硅相似，从上游材料、IC设计、晶圆代工到封装测试，完成砷化镓半导体制造的全部产业链。

砷化镓半导体产业参与者多为国外IDM厂商。

2013年砷化镓市场总产值647亿美元中，占比前5的厂商中除了稳懋外，均为集IC设计、晶圆代工、封装测试为一体的IDM厂商。

目前全球砷化镓半导体市场份额最大的Skyworks，占比24%，全球前10大手机厂家都是它的客户。

占比136%和123%的
TriQuint与RFMD现已合并成为Qorvo，集晶圆代工与IDM模
式为一体。

砷化镓材料现在正处于发展阶段，目前全球砷化镓微波功率半导体领域参与者数量远远小于硅，市场分布较为均衡。

IDM
厂商毛利率达40%，RFMD（Qorvo）为原诺基亚PA供货商，毛利率低于同行业平均水平。

3、砷化镓半导体代工经营模式出现
无线通讯的普及催生砷化镓代工经营模式。

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。

而砷化镓专业代工拥有较短的设计周期，成本较低且能够快速导入市场，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（Skyworks，TriQuint与RFMD合并而成的Qorvo，Avago）占据，但近年来，晶圆代工在整个市场中的占比不断提高。

其中台湾的稳懋是砷化镓晶圆代工领域龙头，主要客户为Avago、Murata、Skyworks、RDA、Anadgics等。

三、氮化镓半导体：节能产业的未来
1、氮化镓：宽禁带半导体，高频性能更强
氮化镓材料由于禁带宽度达到34eV，与SIC、金刚石等半导体材料一起，被誉为第三代半导体材料，也称为宽禁带半导体。

由于氮化镓具有禁带宽度大、击穿电场高、饱和电子速度大、热导率高、介电常数小、化学性质稳定和抗辐射能力强等优点，成为高温、高频、大功率微波器件的首选材料之一。

在氮化镓器件研究初期，晶体合成困难。

1986年，日本的赤崎勇开发了“低温堆积缓冲层技术”可以获得用于半导体元件的高品质氮化镓。

由于带隙覆盖了更广的光谱范围，用氮化镓制造的高亮度LED、绿色LED、蓝光光盘产品应用与商业领域。

从1993年开始，利用二维电子气氮化镓能达到更高的迁移率，适合砷化镓所不能达到的高频动作。

采用氮化镓的高频晶体管开始用在移动通信站、通信卫星、雷达等领域。

到了2000年前后，硅制功率元件已经普及，之前利用蓝宝石基板的氮化镓类功率元件价格高，很难进入商业领域。

这时开始采用硅基板，但制造成本依然很高。

主要是应用于ICT设备、
工业设备和汽车电子等领域的小型电源组件。

未来有望采用氮化镓基板，获得高品质化、具有较高价格竞争力的氮化镓功率器件。

自2013年开始，随着技术积累逐渐完成，氮化镓民用市场开始起步。

2、氮化镓功率半导体民用市场起步
美国和欧洲分别于2002年和2007年启动了氮化镓功率半导体推动计划，并且在2007年首次在6寸硅衬底上长出了氮化镓，自此从应用角度开始了氮化镓功率半导体推进。

2013年出现通过了JEDEC质量标准的硅基氮化镓功率器件，同年中国科技部推出了第三代半导体863计划。

在各国政策的大力推进下，国际半导体大厂纷纷将目光投向氮化镓功率半导体领域。

随着Si材料达到物理极限，在摩尔定律驱动下寻求下一个替代者刻不容缓，氮化镓因各方面优异的电学性能被认为是未来半导体材料的首选。

传统半导体厂商关于氮化镓器件的收购和合作、许可协议不断发生，氮化镓功率半导体已经成了各家必争之地。

Ma-com原先为摩托罗拉下属微波/射频解决方案部门，自2013年起产品逐步由砷化镓半导体拓展到氮化镓器件，主要用于航空航天、工业/医疗电子、通讯基站、汽车电子等领域，公司毛利率一路攀升，目前已高达50%以上。

3、氮化镓大功率器件未来应用前景广阔
由于对高速、高温和大功率半导体器件需求的不断增长，使得氮化镓材料器件逐渐被半导体市场应用。

新能源领域：在可再生能源领域，在将风电和太阳能电力接入电网以及减少输电损耗方面，都发挥了极其重要的作用；绿色能源、电动汽车、绿色电子照明等新兴领域正在成为功率器件市场应用的新热点，需求强劲。

智能电网领域：功率半导体在提高整个电力供应链——从发电、输配电到最后的用电——的能效方面发挥着至关重要的作用。

信息通讯设备领域：增强型氮化镓电晶体表现出高耐辐射性能，从而适用于通讯和科学卫星的功率和通讯系统；点到点通信、卫星通信、各种雷达和新型工业/医疗应用都将从这些大功率氮化镓器件的应用中获益。

4C产业：国内各主要IT产品仍将保持旺盛的市场需求，笔记本电脑、显示器、打印机、电视机、组合音响、激光视盘机等传统产品以及新兴汽车电子均将在未来保持平稳增长。

随着全球空调、节能电机等电子产品产能向中国大陆转移，功率半导体的需求也将成倍地增加。

根据MA-COM预计，未来随着氮化镓半导体在新能源、智能电网、信息通讯设备及4C产业的应用逐步拓展，全球氮化镓半导体市场潜在规模达94亿美元。

四、三安光电：拉开砷化镓/氮化镓半导体国产替代序幕
砷化镓/氮化镓半导体市场蛋糕非常大，但貌似参与者都是美国和台湾的厂商，那么对于去先发优势的国内厂商来说，在这一领域是否还有机会？答案是有!不仅有机会，机会还非常大。

1、国内市场砷化镓/氮化镓半导体需求旺盛
全球砷化镓/氮化镓半导体规模合计近百万美元，比肩LED 市场。

在前面部分，我们已经讲过我国已经是全球功率半导体最大消费市场，占到了全球一半的份额。

无线通讯需求：2014年我国智能手机出货量达402亿支，砷化镓功率元件需求量超过35亿颗。

而我国智能手机用砷化镓芯片90%以上依赖进口，特别是4G智能手机所用的芯片几乎全部依赖进口，国产替代需求强烈。

军事需求：军用雷达探测离不开砷化镓功率半导体，但是不同于民品市场，军用砷化镓器件需要特别开发量身定制的，且很多方面比较严格特殊，国内目前还没有一个完整的供应链特别是芯片制造这一块，因此国内军品市场迫切需要专业的代工厂商。

光纤通讯需求：“宽带中国2014专项行动”已经启动，宽带中国战略落地将带动国内光纤通讯需求的增长，也间接带到了砷化镓半导体在光纤通讯领域需求的增长。

2、政策扶持将加速砷化镓/氮化镓半导体国产化
由于对产业安全和国家信息安全的关注日益升级，我国于14年6月公布了《国家集成电路产业发展推进纲要》，将发展集成电路产业上升为国家战略，并对集成电路产业产值以及制造与封测技术的发展提出了具体的要求。

同时，通过产业基金、税收优惠、金融支持等措施对我国IC企业的发展提供保障。

目前我。