5G和軍工雙輪驅(qū)動(dòng)化合物半導(dǎo)體業(yè)爆發(fā)

　　3.5G、軍工兩輪驅(qū)動(dòng)，帶動(dòng)上游化合物半導(dǎo)體國(guó)產(chǎn)化及需求

　　半導(dǎo)體材料是制作半導(dǎo)體器件和集成電路的電子材料，是半導(dǎo)體工業(yè)的基礎(chǔ)。隨著新的半導(dǎo)體材料出現(xiàn)、電力電子技術(shù)進(jìn)步與制作工藝的提高，半導(dǎo)體在過(guò)去經(jīng)歷了三代變化。第一代半導(dǎo)體為硅(Si) ，第二代為砷化鎵(GaAs) ，第三代半導(dǎo)體為碳化硅(SiC)、氮化鎵(GaN)。由于硅基功率器件的性能已逼近甚至達(dá)到了其材料的本征極限，寬禁帶功率半導(dǎo)體器件與傳統(tǒng) Si 基功率半導(dǎo)體器件相比較，其材料特性主要表現(xiàn)在：寬能帶、高飽和速度、高導(dǎo)熱性和高擊穿電場(chǎng)等，使得其在未來(lái) 5G、軍工等相關(guān)領(lǐng)域應(yīng)用廣泛。同時(shí)隨著 5G、軍工雙輪驅(qū)動(dòng)，將帶動(dòng)上游化合物半導(dǎo)體國(guó)產(chǎn)化及需求。

　　3.1. GaAs：受益 5G通訊/軍工發(fā)展及國(guó)產(chǎn)替代必要性，國(guó)內(nèi)機(jī)會(huì)應(yīng)運(yùn)而生

　　砷化鎵(Ga As)是由元素周期表中 III 族元素鎵與 V 族元素砷人工合成的半導(dǎo)體化合物，與半導(dǎo)體材料硅相比，它具有高禁帶寬度、高電子遷移率、能帶結(jié)構(gòu)為直接躍遷型、耐高溫以及抗輻射性強(qiáng)等優(yōu)勢(shì)，具有十分廣泛的應(yīng)用。目前較為成熟的砷化鎵晶體生長(zhǎng)方法有水平布里支曼法(HB)、砷泡控制砷壓注入合成法及直接高溫高壓合成法等。制備得到的砷化鎵單晶經(jīng)過(guò)切割、打磨及拋光等工序就可進(jìn)一步通過(guò)微納加工方法制造各種發(fā)光器件、光探測(cè)器、集成電路。

　　砷化鎵主要用于微波功率器件，即工作在微波波段(頻率 300-300000MHz 之間)的半導(dǎo)體器件。由于 Si 在物理特性上的先天限制，僅能應(yīng)用在 1GHz 以下的頻率。然而近年來(lái)由于無(wú)線高頻通訊產(chǎn)品迅速發(fā)展，使得具備高工作頻率、電子遷移速率、抗天然輻射及耗電量小等特性的砷化鎵脫穎而出，在微波通訊領(lǐng)域大規(guī)模應(yīng)用。

　　3.1.1. 砷化鎵半導(dǎo)體為射頻通訊核心，無(wú)線通訊推動(dòng)砷化鎵半導(dǎo)體市場(chǎng)快速發(fā)展

　　由于砷化鎵高頻傳輸?shù)奶匦?，可以?yīng)用在移動(dòng)設(shè)備、網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)備、國(guó)防與航空航天。其中移動(dòng)設(shè)備占比為 71%，智能手機(jī)增長(zhǎng)迅速。除了在手機(jī)應(yīng)用中飛速成長(zhǎng)外，平板電腦、筆記本電腦中搭載的 WiFi模組、固定網(wǎng)絡(luò)無(wú)線傳輸，以及光纖通訊、衛(wèi)星通訊、點(diǎn)對(duì)點(diǎn)微波通訊、有線電視、汽車導(dǎo)航系統(tǒng)、汽車防撞系統(tǒng)等，也分別采用 1-4 顆數(shù)量不等的功率放大器，這都是推動(dòng)砷化鎵成長(zhǎng)的強(qiáng)大動(dòng)力。

　　根據(jù) Strategy Analytics 調(diào)查數(shù)據(jù)，2014年全球 GaAs 元器件市場(chǎng)總產(chǎn)值為 74.3 億美元，較 2013年 64.7億美元成長(zhǎng) 14.8%。隨著通訊 4G/5G推動(dòng)，我們按照每年 10%的增長(zhǎng)，預(yù)計(jì) 2020 年砷化鎵微波功率半導(dǎo)體實(shí)現(xiàn)規(guī)模將達(dá)到 132億美元。

　　智能手機(jī)內(nèi)部的芯片主要由基帶、AP、射頻芯片、連接芯片和存儲(chǔ)芯片構(gòu)成，其中，基帶和射頻是實(shí)現(xiàn) 2/3/4G蜂窩通訊功能核心的兩大芯片。手機(jī)前端由功率放大器、濾波器、雙工器及天線開(kāi)關(guān)組成。在手機(jī)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)中，系中的無(wú)線射頻模組必定含有兩個(gè)關(guān)鍵的砷化鎵半導(dǎo)體零組件：以 HBT 設(shè)計(jì)的射頻功率放大器(RF PA)和以 PHEMT設(shè)計(jì)的射頻開(kāi)關(guān)器傳統(tǒng)的 2G 手機(jī)中，一般需要 2 個(gè)功率放大器(PA)，另外 2G手機(jī)只有一個(gè)頻段，噪聲要求低，使用 1個(gè)射頻開(kāi)關(guān)器。到了 3G 時(shí)代，一部手機(jī)平均使用 4 顆 PA。3.5G手機(jī)平均使用 6顆 PA，使用 2個(gè)射頻開(kāi)關(guān)器。

　　4G/5G 通訊成砷化鎵微波芯片重要成長(zhǎng)動(dòng)能。2014年，智能手機(jī)正式進(jìn)入 4G 時(shí)代，平均使用 7顆 PA，4 個(gè)射頻開(kāi)關(guān)器。4G 的射頻通信需要用到 5 模 13 頻，多模多頻的砷化鎵前端放大器模塊及在“頻”和“?！敝g切換的射頻開(kāi)關(guān)器不可或缺。目前，單部 4G 智能手機(jī)僅達(dá)到標(biāo)淮的通信效果，就至少需要 5 顆以上的砷化鎵功率放大器，此外智能手機(jī)中的衛(wèi)星定位功能也需要用到 1顆功率放大器，4G 智能手機(jī)支持的無(wú)線局域網(wǎng)通信(WLAN)也需要至少 1顆功率放大器。下一代 5G技術(shù)，其傳輸速度將是現(xiàn)行 4G LTE 的 100倍，目前只有砷化鎵功率放大器可以實(shí)現(xiàn)如此快速的資料傳輸。

　　頻段數(shù)量增加，推動(dòng)前端射頻數(shù)量增長(zhǎng)。射頻前端與移動(dòng)設(shè)備支持的頻段數(shù)量成正比關(guān)系：伴隨手機(jī)支持的頻段越來(lái)越多，射頻前端數(shù)量也隨手機(jī)支持頻段數(shù)量的增加線性增加。