材料千千萬(wàn)，化合物半導(dǎo)體的春天來(lái)了

蘋(píng)果新品發(fā)布后，雖然再次被外界詬病缺乏創(chuàng)新，但“浴霸”三攝，還是讓不少消費(fèi)者“真香”，而前兩年推出的Face ID則被稱(chēng)為蘋(píng)果最后的創(chuàng)新，帶起了手機(jī)廠(chǎng)商的學(xué)習(xí)效仿風(fēng)。也正是因?yàn)镕ace ID，蘋(píng)果拉了一把上游的VCSEL產(chǎn)業(yè)鏈，化合物半導(dǎo)體以一種全新的方式“席卷”消費(fèi)端市場(chǎng)。

同時(shí)，隨著5G商業(yè)化的快速推進(jìn)，作為5G關(guān)鍵電子元器件的一部分，化合物半導(dǎo)體也再次站到了風(fēng)口浪尖，引發(fā)了新一輪產(chǎn)業(yè)洗牌和變革。

材料千千萬(wàn)，化合物半導(dǎo)體的春天來(lái)了

硅谷之所以以硅為名，因?yàn)楣枋且环N重要的半導(dǎo)體材料，當(dāng)硅材料取代笨重的電子管，英特爾、蘋(píng)果、高通、臺(tái)積電、三星順勢(shì)而起，集成電路的突破成就了這些科技巨頭。

當(dāng)前，全球95％以上的半導(dǎo)體芯片和器件是用硅片作為基礎(chǔ)功能材料而生產(chǎn)出來(lái)的。不過(guò)，在電子半導(dǎo)體的另一面，以砷化鎵（GaAs）、氮化鎵（GaN）、碳化硅（SiC）等為代表的化合物半導(dǎo)體，正在快速崛起。

光纖通信、手機(jī)的無(wú)線(xiàn)通信系統(tǒng)、用于三維識(shí)別的VSECL泛光源、自動(dòng)駕駛的毫米波雷達(dá)、5G基站的射頻模塊……新應(yīng)用場(chǎng)景的涌現(xiàn)，是化合物半導(dǎo)體大規(guī)模應(yīng)用的催化劑。

化合物半導(dǎo)體的概念很簡(jiǎn)單，就是一類(lèi)由化合物構(gòu)成的半導(dǎo)體材料，通常由兩種以上的元素構(gòu)成，所以它的組合方式很多，帶來(lái)的想象空間也更大。

當(dāng)前，業(yè)內(nèi)將硅基半導(dǎo)體稱(chēng)為第一代半導(dǎo)體材料，化合物半導(dǎo)體則囊括了第二代和第三代材料，第二代主要以砷化鎵（GaAs）為代表，第三代半導(dǎo)體材料則囊括了碳化硅（SiC）、氮化鎵（GaN）、金剛石等，因其禁帶寬度（帶隙）大于或等于2．3電子伏特，又被稱(chēng)為寬禁帶半導(dǎo)體材料。

圖源：半導(dǎo)體行業(yè)觀察

相較于硅基半導(dǎo)體，化合物半導(dǎo)體最顯著的特性是電子遷移率高，所以適用于高頻、大功率傳輸，適合射頻器件、光電器件、功率器件的制造；硅半導(dǎo)體則多用于邏輯器件、存儲(chǔ)器等。從這個(gè)角度看，化合物半導(dǎo)體是硅器件的延伸，不是替代，兩者構(gòu)成了現(xiàn)在的電子化、智能化時(shí)代。

舉個(gè)例子，5G頻率高，傳輸距離短，對(duì)功率要求高，相應(yīng)的對(duì)基站與終端的應(yīng)用場(chǎng)景提出了全新挑戰(zhàn)，通訊組件與電子器件必須適應(yīng)更高頻、高溫、高功率的環(huán)境，氮化鎵體積小功率大的特性，就是目前最適合5G基站PA（射頻功率放大器）的材料。而前幾代通訊技術(shù)的射頻模塊材料則被砷化鎵包下，砷化鎵也是目前智能手機(jī)設(shè)PA的主要半導(dǎo)體材料?？上攵衔锇雽?dǎo)體材料的發(fā)展前景非常廣闊。

但和成熟的硅基半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)不同的是，化合物半導(dǎo)體由于材料的特殊性和生產(chǎn)制備的復(fù)雜性，其產(chǎn)業(yè)鏈的技術(shù)遠(yuǎn)沒(méi)有硅基半導(dǎo)體成熟。

當(dāng)消費(fèi)電子產(chǎn)品以數(shù)億量級(jí)鋪開(kāi)，產(chǎn)業(yè)鏈上下游早已經(jīng)做好了準(zhǔn)備，但當(dāng)化合物半導(dǎo)體的應(yīng)用量級(jí)在快速飆升時(shí)，產(chǎn)業(yè)鏈的步伐卻沒(méi)能及時(shí)跟上。

量級(jí)不一樣，生產(chǎn)制備工藝的挑戰(zhàn)變高，業(yè)內(nèi)人士曾舉過(guò)例子，“集成電路設(shè)計(jì)圖給到臺(tái)積電，后續(xù)的生產(chǎn)工藝完全不用擔(dān)心。但化合物半導(dǎo)體代工廠(chǎng)完全不一樣，工程師還需要去FAB代工廠(chǎng)討論工藝怎么做?！?/p>

產(chǎn)業(yè)分工逐漸明朗，關(guān)鍵技術(shù)在國(guó)外巨頭手中

在理清化合物半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)鏈發(fā)展現(xiàn)狀前，首先得明確兩個(gè)概念：襯底和外延。

襯底是半導(dǎo)體單晶材料制成的晶圓片，它既可以直接進(jìn)入晶圓制造環(huán)節(jié)生產(chǎn)半導(dǎo)體器件，也可以通過(guò)外延工藝加工生產(chǎn)成外延片。

外延指在單晶襯底上生長(zhǎng)一層新單晶的過(guò)程，新單晶可以與襯底為同一材料，也可以是不同材料。比如氮化鎵通常會(huì)在藍(lán)寶石、SiC、Si等異質(zhì)襯底上進(jìn)行外延。

化合物半導(dǎo)體與硅半導(dǎo)體的制備工藝類(lèi)似，但是晶圓制造有所區(qū)別，硅半導(dǎo)體采用直拉法生長(zhǎng)成一個(gè)圓柱型的單晶硅棒，對(duì)單晶硅棒進(jìn)行切割制成晶圓；化合物半導(dǎo)體則是在 GaAs、InP、GaP、藍(lán)寶石、SiC 等化合物基板上形成薄膜（外延層），然后對(duì)這個(gè)外延層加工，實(shí)現(xiàn)特定的器件功能。

當(dāng)前，外延片生長(zhǎng)主要依靠生長(zhǎng)工藝和設(shè)備，制造外延片的主流方法包括金屬有機(jī)物化學(xué)氣相沉積（MOCVD）和分子束外延，前者屬于行業(yè)市場(chǎng)“最經(jīng)濟(jì)”的外延生長(zhǎng)方法，但設(shè)備制造難度依然很大，只有少數(shù)公司可以進(jìn)行商業(yè)化生產(chǎn)。

所以化合物半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)鏈通?？梢苑譃椋涸O(shè)計(jì)、外延、晶圓制造和封測(cè)等環(huán)節(jié)，其中外延又包括襯底。

鎂客網(wǎng)將目前商業(yè)化較高的兩種化合物半導(dǎo)體材料產(chǎn)業(yè)鏈進(jìn)行了系統(tǒng)化的梳理，從襯底、外延工藝、到晶圓設(shè)計(jì)、代工以及一攬子全包的IDM，化合物半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)相較硅半導(dǎo)體顯然低調(diào)很多。

砷化鎵產(chǎn)業(yè)鏈的設(shè)計(jì)與先進(jìn)技術(shù)主要掌握在國(guó)際IDM大廠(chǎng)手中，襯底市場(chǎng)則是日本、美國(guó)等廠(chǎng)商占據(jù)主導(dǎo)地位。外延生產(chǎn)方面，英國(guó)IQE的份額高達(dá)60％，其次是***全新光電，也屬于巨頭壟斷的局面。晶圓代工依然是***企業(yè)占大頭，僅穩(wěn)懋一家，在2016年的市場(chǎng)占比就高達(dá)66％，內(nèi)地化合物晶圓代工企業(yè)三安光電處于追趕過(guò)程中。

氮化鎵產(chǎn)業(yè)面臨同樣的問(wèn)題，整個(gè)化合物半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)鏈上，國(guó)內(nèi)企業(yè)的聲音還比較小，以用于通信基站的氮化鎵器件為例，基本上都是來(lái)自國(guó)外的Qorvo、Skyworks等公司，美國(guó)廠(chǎng)商已經(jīng)基本壟斷大功率射頻器件，可見(jiàn)這對(duì)國(guó)外企業(yè)依賴(lài)程度極高。

而且已經(jīng)掌握核心工藝的大公司還在通過(guò)不斷的并購(gòu)擴(kuò)大既有市場(chǎng)規(guī)模，同時(shí)，隨著化合物半導(dǎo)體和電子通信產(chǎn)業(yè)的聯(lián)系越來(lái)越緊密，硅半導(dǎo)體行業(yè)內(nèi)的巨頭們也在“跨界”，收攏化合物半導(dǎo)體公司。高通以35億美元的價(jià)格收購(gòu)射頻濾波器廠(chǎng)商、華為全資控股的投資公司哈勃投資碳化硅企業(yè)山東天岳等等都是典型案例。

另一方面，和硅半導(dǎo)體的發(fā)展類(lèi)似，化合物半導(dǎo)體的產(chǎn)業(yè)發(fā)展模式正在由IDM轉(zhuǎn)為設(shè)計(jì)＋代工生產(chǎn)。兩年前，博通選擇剝離砷化鎵制造業(yè)務(wù)，將其賣(mài)給代工廠(chǎng)穩(wěn)懋公司，專(zhuān)注砷化鎵射頻器件的設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)。再往前，avago也將自己在科羅拉多的工廠(chǎng)出售給穩(wěn)懋。除此之外，硅半導(dǎo)體代工巨頭也看了新的機(jī)會(huì)，比如在氮化鎵電子器件市場(chǎng)，臺(tái)積電也加入了代工隊(duì)伍，瞄準(zhǔn)龐大的5G市場(chǎng)。

潘多拉魔盒打開(kāi)，國(guó)內(nèi)廠(chǎng)商追趕中

從化合物半導(dǎo)體的產(chǎn)業(yè)鏈來(lái)看，國(guó)外巨頭壟斷了核心工藝生產(chǎn)，主要的IDM企業(yè)也以美國(guó)公司為主。比如傳統(tǒng)消費(fèi)電子市場(chǎng)基本上已經(jīng)被博通、Skyworks等公司壟斷，大部分手機(jī)廠(chǎng)商的砷化鎵功率放大器都是他們的囊中之物。

不過(guò)，蘋(píng)果Face ID帶起的VCSEL熱潮，讓不少?lài)?guó)內(nèi)初創(chuàng)公司看到了突圍的機(jī)會(huì)。

而在行業(yè)應(yīng)用市場(chǎng)，5G通信基站和新能源汽車(chē)都是香餑餑，當(dāng)前日本住友電工的氮化鎵功率放大器已在華為新建的基站上批量應(yīng)用，考慮到5G基站較之前幾代通信基站，數(shù)量級(jí)會(huì)成倍提高，根據(jù)賽迪顧問(wèn)預(yù)測(cè)，5G宏基站總數(shù)量將會(huì)是4G宏基站1．1到1．5倍，這部分市場(chǎng)勢(shì)必會(huì)帶動(dòng)化合物半導(dǎo)體材料的新一輪爆發(fā)。

相較之下，國(guó)內(nèi)的化合物半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)還處于中下游，一方面國(guó)內(nèi)開(kāi)展碳化硅、氮化鎵材料和器件方面的研究工作晚于國(guó)外，其次就是國(guó)內(nèi)半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)的材料創(chuàng)新以及原始創(chuàng)新問(wèn)題，浮躁的市場(chǎng)環(huán)境難以忍受“只投入，不產(chǎn)出”的現(xiàn)狀，讓化合物半導(dǎo)體為代表的新材料原始創(chuàng)新愈加艱難。但從某種程度上來(lái)說(shuō)，化合物半導(dǎo)體也是我國(guó)半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)的關(guān)鍵咽喉，作為通信器件的關(guān)鍵一環(huán)，一旦被人扼住命脈，很多下游的終端應(yīng)用企業(yè)的發(fā)展都會(huì)受到桎梏。

新場(chǎng)景的出現(xiàn)，打開(kāi)了化合物半導(dǎo)體的潘多拉魔盒，也觸發(fā)了國(guó)內(nèi)半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)的另一面變革。

目前，國(guó)內(nèi)已經(jīng)出臺(tái)相關(guān)政策促進(jìn)化合物半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，地區(qū)政府也在積極推動(dòng)化合物半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)，蘇州正在打造第三代半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)基地，吸納了不少氮化鎵產(chǎn)業(yè)鏈上的企業(yè)，包括英諾賽科、華功半導(dǎo)體、能訊高能、能華半導(dǎo)體等一批企業(yè)。

國(guó)家“大基金”也在出手，其投資了三安光電，推動(dòng)三安光電下屬三安集成電路公司圍繞砷化鎵和氮化鎵代工制造，開(kāi)展境內(nèi)外并購(gòu)、新技術(shù)研發(fā)、新建生產(chǎn)線(xiàn)等業(yè)務(wù)。同時(shí)，國(guó)家開(kāi)發(fā)銀行也以最優(yōu)惠利率向三安提供200億元貸款。

在5G、新能源產(chǎn)業(yè)的風(fēng)口下， 新應(yīng)用的規(guī)模化應(yīng)用意味著化合物半導(dǎo)體將打開(kāi)億級(jí)市場(chǎng)，誰(shuí)能在產(chǎn)能規(guī)模和產(chǎn)品可靠穩(wěn)定性上做到完美，可能就是下一個(gè)臺(tái)積電、英特爾。

化合物半導(dǎo)體市場(chǎng)正在快速崛起，新一輪的比拼開(kāi)始了。