器件|半导体行业深度研究报告

文章大纲

下游应用驱动，GaAs、GaN和SiC各领风骚
产业化正循环，“奇点时刻”加速到来
GaAs代工比例提高，打造本土产业链闭环
Cree引领SiC产业，全球供需即将失衡

半导体

下游应用驱动
GaAs、GaN和SiC各领风骚

化合物半导体具有物理特性优势

化合物半导体物理特性具有独特优势。半导体材料领域共经历三个发展阶段：第一阶段是以硅、锗为代表的IV族半导体；第二阶段是以GaAs和InP为代表的III-V族化合物半导体，其中GaAs技术发展成熟，主要用于通讯领域；第三阶段主要是以SiC、GaN为代表的宽禁带半导体材料。硅材料技术成熟，成本低，但是物理性质限制了其在光电子、高频高功率器件和耐高温器件上的应用。相比硅材料，化合物半导体材料在电子迁移速率、临界击穿电场、导热能力等特性上具有独特优势。

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硅材料主导，化合物半导体在射频、功率等领域需求快速增长。目前全球95%以上的芯片和器件是以硅作为基底材料，由于硅材料极大的成本优势，未来在各类分立器件和集成电路领域硅仍将占据主导地位。但是化合物半导体材料独特的物理特性优势，赋予其在射频、光电子、功率器件等领域的独特性能优势。

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GaAs主导sub-6G 5G手机射频

具体而言，GaAs在5G手机射频和光电子领域占据主导地位。GaAs是最为成熟的化合物半导体，具有较高的饱和电子速率及电子迁移率，使得其适合应用于高频场景，在高频操作时具有较低的噪声；同时因为GaAs有比Si更高的击穿电压，所以砷化镓更适合应用在高功率场合。因为这些特性，砷化镓在sub-6G的5G时代，仍然将是功率放大器及射频开关等手机射频器件的主要材料。根据Qorvo报告，5G手机中射频开关从4G手机的10个增加至30个、功率放大器平均单机价值从4G手机的3.25美元增加至7.5美元，这些都带动砷化镓器件市场规模的增长。GaAs的另一个优点是直接能隙材料，所以可以制作VCSEL激光器等光电子器件，在数据中心光模块、手机前置VCSEL3D感应、后置LiDAR激光雷达等应用带动下，光电子器件是砷化镓器件增长的另外一个重要驱动因素。

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GaN在5G宏基站射频PA的大发展

相较于Si和GaAs的前两代半导体材料，GaN和SiC同属于宽禁带半导体材料，具有击穿电场强度高、饱和电子漂移速度高、热导率大、介电常数小等特点，具有低损耗和高开关频率的特点，适合于制作高频、大功率和小体积高密度集成的电子器件。GaN的市场应用偏向微波器件领域、高频小电力领域（小于1000V）和激光器领域。相比硅LDMOS（横向双扩散金属氧化物半导体技术）和GaAs解决方案，GaN器件能够提供更高的功率和带宽，并且GaN芯片每年在功率密度和封装方面都会取得飞跃，能比较好的适用于大规模MIMO技术，GaNHEMT（高电子迁移率场效晶体管）已经成为5G宏基站功率放大器的重要技术。目前在宏基站上GaN主要采用使用SiC衬底（GaN on SiC），由于SiC作为衬底材料和GaN的晶格失配率和热失配率较小，同时热导率高，更容易生长高质量的GaN外延层，能满足宏基站高功率的应用。