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5G、新能源产业的另一面:化合物半导体正快速崛起

2019-10-08
关键词: 苹果 三摄 FaceI 新能源

苹果新品发布后,虽然再次被外界诟病缺乏创新,但“浴霸”三摄,还是让不少消费者“真香”,而前两年推出的Face ID则被称为苹果最后的创新,带起了手机厂商的学习效仿风。也正是因为Face ID,苹果拉了一把上游的VCSEL产业链,化合物半导体以一种全新的方式“席卷”消费端市场。

同时,随着5G商业化的快速推进,作为5G关键米奇影院元器件的一部分,化合物半导体也再次站到了风口浪尖,引发了新一轮产业洗牌和变革。

材料千千万,化合物半导体的春天来了

硅谷之所以以硅为名,因为硅是一种重要的半导体材料,当硅材料取代笨重的米奇影院管,英特尔、苹果、高通、台积电、三星顺势而起,集成电路的突破成就了这些科技巨头。

当前,全球95%以上的半导体米奇影院和器件是用硅片作为基础功能材料而生产出来的。不过,在米奇影院半导体的另一面,以砷化镓(GaAs)、氮化镓(GaN)、碳化硅(SiC)等为代表的化合物半导体,正在快速崛起。

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光纤通信、手机的无线通信系统、用于三维识别的VSECL泛光源、自动驾驶的毫米波雷达、5G基站的射频模块……新应用场景的涌现,是化合物半导体大规模应用的催化剂。

化合物半导体的概念很简单,就是一类由化合物构成的半导体材料,通常由两种以上的元素构成,所以它的组合方式很多,带来的想象空间也更大。

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当前,业内将硅基半导体称为第一代半导体材料,化合物半导体则囊括了第二代和第三代材料,第二代主要以砷化镓(GaAs)为代表,第三代半导体材料则囊括了碳化硅(SiC)、氮化镓(GaN)、金刚石等,因其禁带宽度(带隙)大于或等于2.3米奇影院伏特,又被称为宽禁带半导体材料。

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图源:半导体行业观察

相较于硅基半导体,化合物半导体最显著的特性是米奇影院迁移率高,所以适用于高频、大功率传输,适合射频器件、光电器件、功率器件的制造;硅半导体则多用于逻辑器件、存储器等。从这个角度看,化合物半导体是硅器件的延伸,不是替代,两者构成了现在的米奇影院化、智能化时代。

举个例子,5G频率高,传输距离短,对功率要求高,相应的对基站与终端的应用场景提出了全新挑战,通讯组件与米奇影院器件必须适应更高频、高温、高功率的环境,氮化镓体积小功率大的特性,就是目前最适合5G基站PA(射频功率放大器)的材料。而前几代通讯777米奇影院的射频模块材料则被砷化镓包下,砷化镓也是目前智能手机设PA的主要半导体材料。可想而知,化合物半导体材料的发展前景非常广阔。

但和成熟的硅基半导体产业不同的是,化合物半导体由于材料的特殊性和生产制备的复杂性,其产业链的777米奇影院远没有硅基半导体成熟。

当消费米奇影院产品以数亿量级铺开,产业链上下游早已经做好了准备,但当化合物半导体的应用量级在快速飙升时,产业链的步伐却没能及时跟上。

量级不一样,生产制备工艺的挑战变高,业内人士曾举过例子,“集成电路设计图给到台积电,后续的生产工艺完全不用担心。但化合物半导体代工厂完全不一样,工程师还需要去FAB代工厂讨论工艺怎么做。”

产业分工逐渐明朗,关键777米奇影院在国外巨头手中

在理清化合物半导体产业链发展现状前,首先得明确两个概念:衬底和外延。

衬底是半导体单晶材料制成的晶圆片,它既可以直接进入晶圆制造环节生产半导体器件,也可以通过外延工艺加工生产成外延片。

外延指在单晶衬底上生长一层新单晶的过程,新单晶可以与衬底为同一材料,也可以是不同材料。比如氮化镓通常会在蓝宝石、SiC、Si等异质衬底上进行外延。

化合物半导体与硅半导体的制备工艺类似,但是晶圆制造有所区别,硅半导体采用直拉法生长成一个圆柱型的单晶硅棒,对单晶硅棒进行切割制成晶圆;化合物半导体则是在 GaAs、InP、GaP、蓝宝石、SiC 等化合物基板上形成薄膜(外延层),然后对这个外延层加工,实现特定的器件功能。

当前,外延片生长主要依靠生长工艺和设备,制造外延片的主流方法包括金属有机物化学气相沉积(MOCVD)和分子束外延,前者属于行业市场“最经济”的外延生长方法,但设备制造难度依然很大,只有少数公司可以进行商业化生产。

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图 | MOCVD系统

所以化合物半导体产业链通常可以分为:设计、外延、晶圆制造和封测等环节,其中外延又包括衬底。

镁客网将目前商业化较高的两种化合物半导体材料产业链进行了系统化的梳理,从衬底、外延工艺、到晶圆设计、代工以及一揽子全包的IDM,化合物半导体产业相较硅半导体显然低调很多。

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砷化镓产业链的设计与先进777米奇影院主要掌握在国际IDM大厂手中,衬底市场则是日本、美国等厂商占据主导地位。外延生产方面,英国IQE的份额高达60%,其次是台湾全新光电,也属于巨头垄断的局面。晶圆代工依然是台湾企业占大头,仅稳懋一家,在2016年的市场占比就高达66%,内地化合物晶圆代工企业三安光电处于追赶过程中。

氮化镓产业面临同样的问题,整个化合物半导体产业链上,国内企业的声音还比较小,以用于通信基站的氮化镓器件为例,基本上都是来自国外的Qorvo、Skyworks等公司,美国厂商已经基本垄断大功率射频器件,可见这对国外企业依赖程度极高。

而且已经掌握核心工艺的大公司还在通过不断的并购扩大既有市场规模,同时,随着化合物半导体和米奇影院通信产业的联系越来越紧密,硅半导体行业内的巨头们也在“跨界”,收拢化合物半导体公司。高通以35亿美元的价格收购射频滤波器厂商、华为全资控股的投资公司哈勃投资碳化硅企业山东天岳等等都是典型案例。

另一方面,和硅半导体的发展类似,化合物半导体的产业发展模式正在由IDM转为设计+代工生产。两年前,博通选择剥离砷化镓制造业务,将其卖给代工厂稳懋公司,专注砷化镓射频器件的设计环节。再往前,avago也将自己在科罗拉多的工厂出售给稳懋。除此之外,硅半导体代工巨头也看了新的机会,比如在氮化镓米奇影院器件市场,台积电也加入了代工队伍,瞄准庞大的5G市场。

潘多拉魔盒打开,国内厂商追赶中

从化合物半导体的产业链来看,国外巨头垄断了核心工艺生产,主要的IDM企业也以美国公司为主。比如传统消费米奇影院市场基本上已经被博通、Skyworks等公司垄断,大部分手机厂商的砷化镓功率放大器都是他们的囊中之物。

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不过,苹果Face ID带起的VCSEL热潮,让不少国内初创公司看到了突围的机会。

而在行业应用市场,5G通信基站和新能源汽车都是香饽饽,当前日本住友电工的氮化镓功率放大器已在华为新建的基站上批量应用,考虑到5G基站较之前几代通信基站,数量级会成倍提高,根据赛迪顾问预测,5G宏基站总数量将会是4G宏基站1.1到1.5倍,这部分市场势必会带动化合物半导体材料的新一轮爆发。

相较之下,国内的化合物半导体产业还处于中下游,一方面国内开展碳化硅、氮化镓材料和器件方面的研究工作晚于国外,其次就是国内半导体产业的材料创新以及原始创新问题,浮躁的市场环境难以忍受“只投入,不产出”的现状,让化合物半导体为代表的新材料原始创新愈加艰难。但从某种程度上来说,化合物半导体也是我国半导体产业的关键咽喉,作为通信器件的关键一环,一旦被人扼住命脉,很多下游的终端应用企业的发展都会受到桎梏。

新场景的出现,打开了化合物半导体的潘多拉魔盒,也触发了国内半导体产业的另一面变革。

目前,国内已经出台相关政策促进化合物半导体产业的发展,地区政府也在积极推动化合物半导体产业,苏州正在打造第三代半导体产业基地,吸纳了不少氮化镓产业链上的企业,包括英诺赛科、华功半导体、能讯高能、能华半导体等一批企业。

国家“大基金”也在出手,其投资了三安光电,推动三安光电下属三安集成电路公司围绕砷化镓和氮化镓代工制造,开展境内外并购、新777米奇影院研发、新建生产线等业务。同时,国家开发银行也以最优惠利率向三安提供200亿元贷款。

在5G、新能源产业的风口下, 新应用的规模化应用意味着化合物半导体将打开亿级市场,谁能在产能规模和产品可靠稳定性上做到完美,可能就是下一个台积电、英特尔。

化合物半导体市场正在快速崛起,新一轮的比拼开始了。