第三代化合物半導(dǎo)體的應(yīng)用分析

隨著晶圓代工業(yè)的火爆，其細(xì)分領(lǐng)域——化合物半導(dǎo)體代工——也是水漲船高，相關(guān)廠商近期的業(yè)績(jī)都很亮眼。而且，相對(duì)于廣義上的數(shù)字和模擬芯片代工廠，化合物半導(dǎo)體晶圓代工廠商的數(shù)量較少，這就使它們?cè)诖ぎa(chǎn)能普遍稀缺的當(dāng)下，價(jià)值愈加突出。

近期，化合物半導(dǎo)體代工三強(qiáng)穩(wěn)懋、宏捷科和GCS（環(huán)宇）動(dòng)作頻頻，特別是在擴(kuò)充產(chǎn)能方面，都在花大力氣。

今年，穩(wěn)懋前10個(gè)月累計(jì)營(yíng)收同比增長(zhǎng)了23.97%，今年5000片新產(chǎn)能擴(kuò)充已在第3季度完成，單月產(chǎn)能最高可達(dá)4.1萬片，主要用于4G和5G PA，以及3D感測(cè)VCSEL芯片。為應(yīng)對(duì)市場(chǎng)需求，該公司位于中國(guó)臺(tái)灣龜山廠區(qū)滿載后，將著重在南科高雄園區(qū)投資擴(kuò)產(chǎn)，以滿足未來5-10年的生產(chǎn)規(guī)劃。

宏捷科11月營(yíng)收環(huán)比增長(zhǎng)5.42%，同比大增30.89%，創(chuàng)近58個(gè)月新高，今年前11個(gè)月累計(jì)營(yíng)收同比增長(zhǎng)64.81%。目前，該公司產(chǎn)能已達(dá)每月1.3萬片，主要生產(chǎn)4G PA、WiFi芯片， 5G產(chǎn)品、VCSEL芯片也在開發(fā)中。宏捷科二廠計(jì)劃持續(xù)進(jìn)行中，年底產(chǎn)能將提升至1.5萬片，如果客戶需求強(qiáng)烈，明年可能再擴(kuò)充5000片產(chǎn)能。宏捷科第4季度訂單仍然很滿，除了中國(guó)大陸手機(jī)客戶需求回溫外，美國(guó)客戶Skyworks也因既有產(chǎn)能受限而擴(kuò)大轉(zhuǎn)單給宏捷科，使其產(chǎn)能利用率達(dá)9成。

GCS正在與中國(guó)的射頻芯片大廠卓勝微合作建廠，今年5月，卓勝微定增募資30億元，投向研發(fā)及生產(chǎn)高端射頻濾波器芯片及模組、5G通信基站射頻器件，與代工廠合作建立生產(chǎn)線，而這家代工廠就是GCS。據(jù)悉，這兩家聯(lián)合了另外幾家半導(dǎo)體廠商及投資機(jī)構(gòu)，預(yù)計(jì)總共投資100億元，建設(shè)化合物半導(dǎo)體及MEMS生產(chǎn)線，用于高端射頻前端及光電子芯片制造。據(jù)悉，該項(xiàng)目正在對(duì)晶元光電在常州設(shè)立子公司的現(xiàn)有空置廠房進(jìn)行裝修改造，計(jì)劃今年底投產(chǎn)。

另外，在市場(chǎng)需求的強(qiáng)烈驅(qū)動(dòng)下，中國(guó)大陸本土僅有的幾家化合物半導(dǎo)體生產(chǎn)廠家產(chǎn)能也非常緊張，代表企業(yè)是三安集成和海威華芯，雖然規(guī)模和技術(shù)水平與產(chǎn)業(yè)三強(qiáng)相比有差距，但在市場(chǎng)旺盛需求的大環(huán)境下，業(yè)績(jī)也很亮眼，同時(shí)在產(chǎn)能擴(kuò)充和爭(zhēng)取大客戶方面多有布局。

以上這些亮眼的業(yè)績(jī)和產(chǎn)能擴(kuò)充需求，主要是基于5G的快速發(fā)展，使得手機(jī)和基站這兩端對(duì)相應(yīng)的5G PA、濾波器、射頻開關(guān)等需求旺盛。

據(jù)Canalys統(tǒng)計(jì)，今年全球智能手機(jī)出貨量年減10.7%，5G手機(jī)出貨量卻逆勢(shì)增長(zhǎng)達(dá)2.78億部，隨著品牌新機(jī)發(fā)布、市場(chǎng)需求回溫，預(yù)計(jì)2021年全球智能手機(jī)出貨量將超過13億部，年增超1成，5G手機(jī)將達(dá)到5.44億部，年增95%。

第二代化合物半導(dǎo)體代工

目前，手機(jī)射頻前端芯片主要采用的工藝依然是第二代化合物半導(dǎo)體材料砷化鎵（GaAs）和磷化銦（InP）。隨著5G建設(shè)大規(guī)模進(jìn)行，GaAs器件市場(chǎng)需求愈加旺盛。據(jù)Technavio統(tǒng)計(jì)，2018年全球GaAs晶圓市場(chǎng)規(guī)模達(dá)到9.4億美元，2019年約為10.49億美元，預(yù)計(jì)2021年該市場(chǎng)將達(dá)到12.69億美元的規(guī)模。

由于化合物半導(dǎo)體在結(jié)構(gòu)、成分、缺陷等方面難于硅晶圓制造，目前，全球能提供高水平代工的企業(yè)并不多，僅穩(wěn)懋、宏捷科，以及GCS，Qorvo等少數(shù)企業(yè)能提供較大規(guī)模的代工服務(wù)。

目前，GaAs制造龍頭企業(yè)包括美國(guó)的Skyworks、Qorvo、Broadcom以及Cree，還有德國(guó)的Infineon。Broadcom和Skyworks除芯片設(shè)計(jì)業(yè)務(wù)外，也有自己的工廠，當(dāng)自身產(chǎn)能不足時(shí)，會(huì)將部分訂單交給中國(guó)臺(tái)灣代工廠，Broadcom的代工廠商是穩(wěn)懋，Skyworks的代工廠商是宏捷科，Qorvo的產(chǎn)能充足，主要自產(chǎn)，而且還會(huì)向外提供代工服務(wù)。

化合物半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)的代工在不斷加強(qiáng)，相對(duì)于IDM，代工比例持續(xù)提升。2018年，Broadcom將其位于科羅拉多的工廠出售給了GaAs代工龍頭企業(yè)穩(wěn)懋，Broadcom以1.85億美元入股穩(wěn)懋，成為后者第三大股東，Broadcom的HBT產(chǎn)品將全部由穩(wěn)懋代工。目前，穩(wěn)懋的主要客戶為Avago、Murata、Skyworks、紫光展銳和Anadgics等。

今年，5G開始進(jìn)入量產(chǎn)階段，相應(yīng)的高性能射頻和功率器件訂單明顯增加，訂單的超預(yù)期使得行業(yè)龍頭穩(wěn)懋產(chǎn)能吃緊。據(jù)Strategy Analytics統(tǒng)計(jì)，在全球GaAs晶圓代工領(lǐng)域，穩(wěn)懋 以71%的市占率獨(dú)占鰲頭。而隨著2020年5G的大規(guī)模應(yīng)用，該市場(chǎng)的需求量還將進(jìn)一步提升，而龍頭廠商產(chǎn)能進(jìn)入滿載周期，給我國(guó)大陸化合物半導(dǎo)體生產(chǎn)廠商帶來了商機(jī)，在國(guó)內(nèi)的GaAs代工領(lǐng)域，玩家總體數(shù)量不多，能提供高水平代工業(yè)務(wù)的更是鳳毛麟角，主要有三安光電、海特高新等少數(shù)企業(yè)，其中，三安光電作為國(guó)產(chǎn)化合物半導(dǎo)體領(lǐng)域的龍頭企業(yè)，已經(jīng)建成國(guó)內(nèi)首條6英寸GaAs外延芯片產(chǎn)線并投入量產(chǎn)。

代工業(yè)務(wù)的發(fā)展，在很大程度上是因?yàn)镚aAs技術(shù)和市場(chǎng)已經(jīng)發(fā)展到了非常成熟的階段，特別是其襯底和器件技術(shù)不斷實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)化，產(chǎn)品多樣化，相應(yīng)的設(shè)計(jì)企業(yè)增加，使得代工的業(yè)務(wù)需求不斷增加。這與邏輯器件代工業(yè)的發(fā)展軌跡類似。

而在制程工藝方面，化合物半導(dǎo)體與存儲(chǔ)器和邏輯器件有很大區(qū)別，并不追求很先進(jìn)的工藝節(jié)點(diǎn)，基本不需要60nm以下的制程工藝。這主要是因?yàn)榛衔锇雽?dǎo)體面向射頻、高電壓、大功率、光電子等應(yīng)用領(lǐng)域，無需先進(jìn)制程。目前，GaAs器件以0.13μm、0.18μm以上制程工藝為主，Qorvo正在進(jìn)行90nm工藝研發(fā)。此外，由于受GaAs和SiC襯底尺寸限制，目前的生產(chǎn)線以4英寸和6英寸晶圓為主，部分企業(yè)也開始導(dǎo)入8英寸產(chǎn)線，但還沒有形成主流。

第三代化合物半導(dǎo)體應(yīng)用

5G對(duì)于設(shè)備性能和功率效率提出了更高的要求，特別是在基站端，基站數(shù)量和單個(gè)基站成本雙雙上漲，這將會(huì)帶來市場(chǎng)空間的巨大增長(zhǎng)。依據(jù)蜂窩通信理論計(jì)算，要達(dá)到相同的覆蓋率，估計(jì)中國(guó)5G宏基站數(shù)量要達(dá)到約500萬個(gè)。2021年全球5G宏基站PA和濾波器市場(chǎng)將達(dá)到243.1億元人民幣，年均復(fù)合增長(zhǎng)率CAGR為162.31%，2021年全球4G和5G小基站射頻器件市場(chǎng)將達(dá)到21.54億元人民幣，CAGR為140.61%。

由于基站越來越多地用到了多天線MIMO技術(shù)，這對(duì)PA提出了更多需求。預(yù)計(jì)到2022年，4G/ 5G基礎(chǔ)用的射頻半導(dǎo)體市場(chǎng)規(guī)模將達(dá)到16億美元，其中，MIMO PA的年復(fù)合增長(zhǎng)率將達(dá)到135%，射頻前端模塊的年復(fù)合增長(zhǎng)率將達(dá)到 119%。

相對(duì)于4G，5G基站用到的PA數(shù)會(huì)加倍增長(zhǎng)。4G基站采用4T4R方案，按照三個(gè)扇區(qū)，對(duì)應(yīng)的射頻PA需求量為12個(gè)，5G基站中，預(yù)計(jì)64T64R將成為主流方案，對(duì)應(yīng)的PA需求量高達(dá)192個(gè)。

基站用PA市場(chǎng)空間巨大，但其性能和功率效率問題亟待解決。在這樣的背景下，新工藝技術(shù)替代傳統(tǒng)工藝早已被提上了議事日程。

目前的PA市場(chǎng)，包括基站和手機(jī)端用的，制造工藝主要包括傳統(tǒng)的LDMOS、GaAs，以及新興的GaN。而在基站端，傳統(tǒng)LDMOS工藝用的更多，但是，LDMOS 技術(shù)適用于低頻段，在高頻應(yīng)用領(lǐng)域存在局限性。而為了適應(yīng)5G網(wǎng)絡(luò)對(duì)性能和功率效率的需求，越來越多地應(yīng)用到了GaN，它能較好地適用于大規(guī)模MIMO。

GaN具有優(yōu)異的高功率密度和高頻特性。GaAs擁有微波頻率和5V至7V的工作電壓，多年來一直廣泛應(yīng)用于PA。硅基LDMOS技術(shù)的工作電壓為28V，已經(jīng)在電信領(lǐng)域使用了許多年，但其主要在4GHz以下頻率發(fā)揮作用，在寬帶應(yīng)用中的使用并不廣泛。相比之下，GaN的工作電壓為28V至50V，具有更高的功率密度和截止頻率，在MIMO應(yīng)用中，可實(shí)現(xiàn)高整合性解決方案。

在宏基站PA應(yīng)用中，GaN憑借高頻、高輸出功率的優(yōu)勢(shì)，正在逐漸取代LDMOS；在小基站中，未來一段時(shí)間內(nèi)仍然以GaAs工藝為主，這是因?yàn)樗邆淇煽啃院透咝詢r(jià)比的優(yōu)勢(shì)，但隨著GaN器件成本的降低和技術(shù)的提高，GaN PA有望在小基站應(yīng)用中逐步拓展。

在手機(jī)端，射頻前端PA還是以GaAs工藝為主，短期內(nèi)還看不到GaN的機(jī)會(huì)，主要原因是成本和高電壓特性，這在手機(jī)內(nèi)難以接受。

由于GaN制程工藝壁壘較高，具備相應(yīng)生產(chǎn)技術(shù)的廠商很少，代工廠方面，也就是穩(wěn)懋和GCS了。IDM則有Qorvo、英飛凌和Cree。

結(jié)語

當(dāng)下，化合物半導(dǎo)體工藝芯片在手機(jī)和基站當(dāng)中的應(yīng)用最為廣泛，而第二代化合物半導(dǎo)體制造產(chǎn)能在當(dāng)下非常緊張，而第三代化合物半導(dǎo)體代表著明天，目前技術(shù)尚未成熟，大規(guī)模量產(chǎn)還需時(shí)日，不過，其光明的前景已成為相關(guān)IDM和晶圓代工廠的共識(shí)，在進(jìn)一步拓展GaAs產(chǎn)能的同時(shí)，也在抓緊布局以GaN為代表的第三代化合物半導(dǎo)體。
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