化合物半導(dǎo)體應(yīng)用前景及最新應(yīng)用

一、化合物半導(dǎo)體應(yīng)用前景廣闊，市場規(guī)模持續(xù)擴大

化合物半導(dǎo)體是由兩種及以上元素構(gòu)成的半導(dǎo)體材料，目前最常用的材料有GaAs、GaN以及SiC等，作為第二代和第三代半導(dǎo)體的主要代表，因其在高功率、高頻率等方面特有的優(yōu)勢，在信息通信、光電應(yīng)用以及新能源汽車等產(chǎn)業(yè)中有著不可替代的地位。

多年以來，世界各國始終對化合物半導(dǎo)體保持高度重視，出臺相關(guān)政策支持本國產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，2017年美國、德國、歐盟、日本等國家和組織啟動了至少12項研發(fā)計劃，總計投入研究經(jīng)費達到6億美元。借助各國政府的大力支持，自從1965年第一支GaAs晶體管誕生以來，化合物半導(dǎo)體器件的制造技術(shù)取得了快速的進步，為化合物半導(dǎo)體的應(yīng)用提供了堅實的基礎(chǔ)。目前，隨著ALD(原子層淀積)技術(shù)的逐漸成熟，化合物半導(dǎo)體HMET結(jié)構(gòu)以及MOSFET結(jié)構(gòu)的器件質(zhì)量以及可靠性得到了極大的提升，進一步提高了化合物半導(dǎo)體材料在高頻高壓應(yīng)用領(lǐng)域的市場占有率。未來隨著化合物半導(dǎo)體制造工藝的進一步提升，在邏輯應(yīng)用方面取代傳統(tǒng)硅材料，從而等效延續(xù)摩爾定律成為了化合物半導(dǎo)體更為長遠的發(fā)展趨勢。

作為化合物半導(dǎo)體最主要的應(yīng)用市場，射頻器件市場經(jīng)歷了2015年到2016年的緩慢發(fā)展，時至今日，隨著5G基站更新?lián)Q代以及設(shè)備小型化的巨大需求，全球射頻功率器件市場在2016年到2022年間將以9.8%的復(fù)合年增長率快速增長。市場規(guī)模有望從2016年的15億美元增長到2022年25億美元1。此外，隨著通信行業(yè)對器件性能的要求逐漸提高，GaN、GaAs等化合物半導(dǎo)體器件的優(yōu)勢逐漸顯現(xiàn)，傳統(tǒng)硅工藝器件逐漸被取代，預(yù)計到2025年，化合物半導(dǎo)體將占據(jù)射頻器件市場份額的80%以上。

二、國外企業(yè)依然構(gòu)成化合物半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)主體，我國已有所突破

化合物半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)鏈可主要分為晶圓制備、芯片設(shè)計、芯片制造以及芯片封測等環(huán)節(jié)，其中晶圓制備進一步細分為襯底制備和外延片制備兩部分。當前，化合物半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)多以IDM模式為主，即單一廠商縱向覆蓋芯片設(shè)計、芯片制造、到封裝測試等多個環(huán)節(jié)。然而，隨著襯底和器件制造技術(shù)的成熟和標準化，以及器件設(shè)計價值的提升，器件設(shè)計與制造分工的趨勢日益明顯。

GaAs半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)參與者多為Skyworks、Qorvo、Avago等國外IDM廠商。襯底制備、外延片方面，日本處于領(lǐng)先地位。晶圓制備方面，全球GaAs襯底出貨量將保持較強的增長趨勢，預(yù)計2023年年出貨量將從目前的170萬片上升到400萬片2。當前，住友電工、Freiberger、日立電纜、以及ATX四家企業(yè)采用國際先進的液封直拉法(LEC)和垂直梯度凝固法(VGF)，襯底直徑最大可達6英寸，占據(jù)了90%以上的國際市場。國內(nèi)企業(yè)如中科晶電、中科鎵英等企業(yè)所制備的GaAs襯底普遍在2英寸到4英寸之間，部分企業(yè)仍采取較為落后的水平布里其曼法(HB)，晶體質(zhì)量較差。制造代工方面，目前制造產(chǎn)能主要分布在IDM廠商和代工廠中，且代工廠的市場占比正不斷提高，其中***的穩(wěn)懋占據(jù)GaAs晶圓代工市場三分之二以上。產(chǎn)品設(shè)計方面，射頻器件由國外IDM廠商壟斷，我國在光電器件領(lǐng)域具備一定競爭力，目前已占全球LED市場近20%的份額。

GaN技術(shù)的難點在于晶圓制備工藝，歐美日在此方面優(yōu)勢明顯，我國則以軍工應(yīng)用為主，產(chǎn)能略有不足。由于將GaN晶體熔融所需氣壓極高，因此無法通過從熔融液中結(jié)晶的方法生長單晶，須采用外延技術(shù)生長GaN晶體來制備晶圓。目前最為主流的方法是氫化物氣沉積法，住友電工、三菱化學(xué)等企業(yè)均采用此法，其中日本住友電工是全球最大GaN晶圓生產(chǎn)商，占據(jù)了90%以上的市場份額。我國在GaN晶圓制造方面已經(jīng)有所突破，蘇州納維公司的2英寸襯底片年產(chǎn)能已達到1500片，4英寸襯底已推出產(chǎn)品，目前正在開展6英寸襯底片研發(fā)。GaN外延片根據(jù)襯底材料的不同，可分為基于藍寶石、Si襯底、SiC以及GaN四種，分別用于LED、電力電子、射頻以及激光器，其晶體質(zhì)量依次提升，成本依次升高。

SiC產(chǎn)業(yè)格局呈現(xiàn)美歐日三足鼎立態(tài)勢，美國產(chǎn)業(yè)優(yōu)勢顯著，歐洲產(chǎn)業(yè)鏈完備，日本在設(shè)備和模塊技術(shù)方面領(lǐng)先。SiC外延片需要根據(jù)耐壓程度進行定制，因此目前仍然以IDM企業(yè)內(nèi)部供應(yīng)為主，占據(jù)外延市場的80%左右，主流技術(shù)為低壓化學(xué)氣相沉積(LPCVD)技術(shù)，未來隨著器件加工技術(shù)的不斷成熟，產(chǎn)品將趨于標準化，將有更多企業(yè)使用外部供應(yīng)商產(chǎn)品，預(yù)計2020年其份額將超過50%。

三、光電器件、微波射頻、電力電子是目前主要應(yīng)用領(lǐng)域

光電器件方面，主要應(yīng)用包括太陽電池、半導(dǎo)體照明、激光器和探測器等?；贕aAs的化合物半導(dǎo)體光伏電池有著比Si基光伏電池更高的效率和更好的耐溫性；紫色激光器用于制造大容量光盤制造、醫(yī)療消毒、熒光激勵光源等；藍光、綠光、紅光激光器實現(xiàn)激光電視顯示；普通非增益GaN紫外探測器涉及導(dǎo)彈預(yù)警、衛(wèi)星秘密通信、環(huán)境監(jiān)測、化學(xué)生物探測等領(lǐng)域。

在微波射頻方面，化合物半導(dǎo)體最主要的應(yīng)用場景是射頻功率放大器，在移動通信、導(dǎo)航設(shè)備、雷達電子對抗以及空間通信等系統(tǒng)中是最為核心的組成部分，其性能直接決定了手機等無線終端的通訊質(zhì)量。在全球5G通信發(fā)展迅速的背景下，移動通訊功率放大器的需求量將呈現(xiàn)爆發(fā)式增長，其中，終端側(cè)功率放大器將延續(xù)GaAs工藝，而在基站側(cè)，傳統(tǒng)的Si基LDMOS工藝將被有著更高承載功率、效率更具優(yōu)勢的GaN工藝所取代，以滿足基站小型化的需求。

在功率器件方面，化合物半導(dǎo)體主要應(yīng)用于高壓開關(guān)器件，與傳統(tǒng)的Si工藝器件相比，化合物半導(dǎo)體器件具有更高的功率密度、更低的能量損耗和更好的高溫穩(wěn)定性。目前600V以上的高端功率器件解決方案均采用SiC材料，相比傳統(tǒng)Si基IGBT，能量損失可以降低50%。

四、總結(jié)

化合物半導(dǎo)體因其良好的高頻高壓特性，在固態(tài)光源、微波射頻以及電力電子等方面有著不可替代的作用，未來隨著化合物半導(dǎo)體技術(shù)的進一步成熟，其核心地位將愈發(fā)凸顯，在摩爾定律即將走向終結(jié)的背景下，化合物半導(dǎo)體技術(shù)無疑為集成電路的發(fā)展開辟出一條全新的路徑。