半导体周报1119-半导体材料之砷化镓

半导体周报-1119

一、行业新闻及动态：

1、半导体设计：

《科创板日报》9日讯，三星为了加强和英特尔、台积电的竞争近日介绍了下一代（2.3D）半导体封装技术，可用于封装AI芯片等高性能半导体。据介绍，这种封装技术在不牺牲性能的情况下，可使成本降低22%。

 

《科创板日报》10日讯，美光科技宣布推出32Gb单片芯片128GB DDR5 RDIMM内存，速度高达8000 MT/s ，可支持当前和未来的数据中心工作负载。这些大容量、高速内存模块旨在满足数据中心和云环境中各种关键任务应用程序的性能和数据处理需求，包括人工智能、内存数据库以及多线程、多核计数一般计算工作负载的高效处理。

 

财联社11月6日电，联发科举行天玑旗舰芯片新品发布会，正式发布新一代旗舰5G生成式AI移动芯片“天玑9300”。这是天玑首款“4（超大核）+4（大核）”全大核AI旗舰芯片。据介绍，天玑9300旗舰5G生成式AI移动芯片的CPU包含4个Cortex-X4超大核，最高频率可达3.25GHz，以及4个主频为2.0GHz的Cortex-A720大核。

 

2、半导体制造及封测：

财联社11月9日电，香港特区政府创新科技及工业局局长孙东11月9日表示，香港数码港将从明年起分阶段设立人工智能超算中心，以支撑科研及相关行业的算力需求，助力人工智能产业发展。此外，特区政府还计划于明年设立香港微电子研发院，引领和促进产学研合作，包括研究第三代半导体核心技术，充分利用粤港澳大湾区内完备的制造业产业链和庞大的市场。

 

3、其他：

【中国最大闪存芯片制造商长江存储在美起诉美光 涉专利侵权】财联社11月11日电，记者从美国加利福尼亚北区法院公布的信息了解到，长江存储已于11月9日起诉美光科技有限公司及全资子公司美光消费产品集团有限责任公司侵犯其8项美国专利。长江存储在起诉书中提到，美光使用长江存储的专利技术，以抵御来自长江存储的竞争，并获得和保护市场份额。诉讼旨在解决以下问题的一个方面：美光试图通过迫使长江存储退出3D NAND Flash（闪存）市场来阻止竞争和创新。

 

《科创板日报》9日讯，记者从产业链人士处了解到，英伟达现已开发出针对中国区的最新改良版系列芯片：HGX H20、L20 PCle和L2 PCle。知情人士称，最新三款芯片是由H100改良而来，英伟达最快或将于本月16号之后公布，国内厂商最快将在这几天拿到产品。

 

《科创板日报》8日讯，TrendForce最新报告指出，存储现货市场上，DRAM价格与合约市场价格略有背离：现货需求减少，阻碍DRAM芯片价格进一步上涨。与此同时，由于持续的晶圆短缺，NAND闪存的价格一直在上涨。然而，由于需求能见度不确定，NAND Flash封装芯片现货报价保持稳定。

 

二、本周话题——半导体材料之砷化镓

        第一代单元素半导体，以硅和锗等为代表，其中硅基半导体材料是目前产量最大、成本最低、应用最广的半导体材料。第二代III-V族化合物半导体，以砷化镓和磷化铟等为代表，具有电子迁移率高、光电性能好等特点，是当前仅次于硅之外最成熟的半导体材料，在5G通信、数据中心、新一代显示、无人驾驶、可穿戴设备、航天等方面有广阔的应用前景；第三代宽禁带半导体，以氮化镓和碳化硅等为代表，具有高禁带宽度、耐高压和大功率等特点，在通信、新能源汽车等领域前景广阔，目前成本较高。

各代半导体材料的物理性质对比

资料来源：北京通美招股书，第三代半导体联合创新孵化中心，海通证券研究所

        砷化镓应用可分为三个阶段，第一阶段自20世纪60年代起，砷化镓衬底开始应用于LED及太阳能电池，并在随后30年里主要应用于航天领域。第二阶段自20世纪90年代起，随着移动设备的普及，砷化镓衬底开始用于生产移动设备的射频器件中。第三阶段自2010年起，随着LED以及智能手机的普及，砷化镓衬底进入了规模化应用阶段，2017年iPhone X首次引入了VCSEL用于面容识别，砷化镓衬底应用场景再次拓宽。2021年，随着Apple、Samsung、LG、TCL等厂商加入Mini LED市场，砷化镓衬底的市场需求将迎来爆发性增长。

资料来源：SEMI、国金证券研究所

产业链：

        二代半导体产业链包括上游的衬底制造、外延加工，以及中游的IC设计、制造、封测和下游应用等环节。1）砷化镓衬底材料主要由Freiberger、Sumitomo等行业龙头供应；2）外延加工市场则是由IQE、全新光电等少数寡头占据，但一些垂直整合制造（IDM）厂商自己也生产外延片；3）中游的IC设计、制造、封测等环节，行业存在IDM和代工两种主流模式，前者从芯片设计到生产都由IDM厂自身完成，后者的芯片设计公司（被称为Fabless house）仅具有设计功能，其晶圆制造和封装测试外包给外界专业厂负责。4）下游应用包括射频、光电子、LED和光伏等板块。

衬底：

        砷化镓产业链最上游为砷化镓晶体生长和衬底生产加工环节。衬底是外延层半导体材料生长的基础，在芯片中起到承载和固定的关键作用。生产砷化镓衬底的原材料包括金属镓、砷等，先通过人工合成砷化镓多晶，再利用生长技术制备砷化镓单晶，最终经过切割、磨边、研磨、抛光、清洗等工艺得到砷化镓衬底，整个过程生产设备主要涉及晶体生长炉、研磨机、抛光机、切割机、检测与测试设备等。

砷化镓衬底制备流程图

资料来源：北京通美招股书，海通证券研究所

        砷化镓衬底可分为半绝缘型和半导体型。较纯砷化镓晶体中掺入Ⅵ族元素Te、Se、S等或Ⅳ族元素Si，可获得N型半导体；掺入Ⅱ族元素Be、Zn等可制得P型半导体；掺入Cr或提高纯度可制成电阻率高达107～108Ω·cm的半绝缘材料。1）半绝缘型砷化镓衬底主要用于高频通信器件，近年以手机市场为代表的无线通讯市场快速拉动半绝缘砷化镓市场规模的增长；2）半导体型砷化镓衬底主要应用在LED和VCSEL（垂直腔面发射激光器）等光电子器件。

 

砷化镓材料类型

资料来源：海通证券研究所

衬底制备工艺流程：1）多晶合成：将高纯度的砷和镓按一定比例装入PBN坩埚中，在高温高压环境下合成砷化镓多晶。2）多晶清洗：砷化镓多晶放入氨水、双氧水及纯水配臵的混合液中，在清洗槽内用水进行清洗；用超声波平振荡机振洗，去除表面的杂质，然后用甲醇脱水；PBN坩埚清洗与多晶清洗过程相同。3）单晶生长：清洗后砷化镓多晶放入PBN坩埚内，将坩埚放入石英管内后用真空泵对石英管抽真空，密封后外部包裹石英棉（保温）装入单晶炉中，使晶体在单晶炉内完成生长，长成单晶晶棒。4）脱模：单晶生长结束后，单晶炉进行降温，降至常温后用开管锯将石英管切开，将结为一体的PBN坩埚和砷化镓晶体分离后，取出砷化镓晶体。5）晶体加工：取出的砷化镓晶棒利用带锯切除尾盖，外圆磨床磨外圆，利用内圆锯取测试样片，根据测试样片判断晶体的好坏。6）晶体切片：砷化镓晶棒在多线切割机上切成一定厚度的晶片，切割时采用水基溶液和切割粉降温处理。切割完成后将晶片冲洗，浸泡酒精后风干。7）晶体研磨：对清洗槽中晶片表面采用氨水、双氧水和纯水混合液进行预清洗，清洗晶片表面杂质颗粒，使表面更洁净；然后利用研磨机晶片进行研磨，去除晶片损伤层，保证厚度一致性。8）晶体抛光：研磨后的晶片放入抛光机，在抛光液的作用下湿法抛光，使表面达到精细的镜面，随后在清洗槽中采用氨水、双氧水和纯水混合液进行表面清洗，后用甩干机进行脱水甩干。9）晶体清洗：用氨水、双氧水和纯水混合液对晶片进行清洗，去除前道工序加工后晶片表面残留的尘埃及化学残留物，干燥后的晶片检验合格后包装为成品。

多晶合成和单晶生长工艺是衬底制备过程中的核心技术。多晶合成：由于自然界中不存在天然的砷化镓多晶，因此首先需要通过人工合成制备多晶。单晶生长：从20世纪50年代开始，就已经开发出多种砷化镓单晶生长方法，目前主流的工业化生长工艺包括：液封直拉法（LEC）、水平布里奇曼法（HB）、垂直布里奇曼法（VB）以及垂直梯度凝固法（VGF）等。

主流单晶生长工艺对比

资料来源：今日半导体公众号，北京通美招股书，海通证券研究所

发展趋势：砷化镓衬底材料的发展趋势是大直径、长尺寸化。砷化镓衬底的直径越大，在单片衬底上可制造的芯片数量越多，制造单位芯片的成本也越低；在圆形的衬底上制造矩形的芯片会使衬底边缘处的一些区域无法被利用，而衬底的直径越大，相对而言衬底边缘的损失会越小，有利于进一步降低芯片的成本。砷化镓衬底向大直径发展的同时，单晶体的生长长度也需要不断提升。根据北京通美招股书，目前全球砷化镓衬底以4-6英寸为主流直径，但Freiberger等龙头衬底厂商均已具备8英寸砷化镓衬底生产能力。

砷化镓衬底市场现状：全球砷化镓衬底市场集中度较高。根据北京通美招股书援引Yole数据，2019年全球砷化镓衬底市场主要生产商包括Freiberger、Sumitomo和北京通美，其中Freiberger市占率为28%、Sumitomo为21%、北京通美为13%。近几年由于半导体照明产业的拉动作用，其他国产衬底厂商发展速度有所加快，但也仅限于低端LED所用的砷化镓衬底，还无法供应高端LED（如汽车大灯LED等）所需的衬底材料；目前集成电路和功率器件用的大直径半绝缘砷化镓材料生产技术都掌握在头部衬底供应商手中，其他国产衬底厂商在大直径砷化镓生产方面与龙头企业仍存在很大技术差距。

全球砷化镓衬底市场格局

资料来源：北京通美招股书，云南锗业官网，有研新材2017年年报，今日半导体公众号，海通证券研究所

        下游应用市场的发展将持续带动砷化镓衬底市场规模扩大。根据北京通美招股书援引Yole数据，2019年全球折合二英寸砷化镓衬底市场销量约为2000万片，预计到2025年将超3500万片，2019-2025年CAGR为9.72%；2019年全球砷化镓衬底市场规模约为2亿美元，预计到2025年将达3.48亿美元，2019-2025年CAGR为9.67%。

2019-2025年砷化镓衬底销量(折合二英寸)

资料来源：北京通美招股书，海通证券研究所

        分应用来看，1）2025年全球射频器件砷化镓衬底（折合二英寸）的销量和规模将达965.70万片、9800万美元，19-25年CAGR分别为6.32%、5.03%；2）2025年全球LED器件砷化镓衬底（折合二英寸）的销量和规模将达1333.80万片、9600万美元，2019-2025年CAGR分别为7.86%、5.92%；3）2025年全球激光器砷化镓衬底（折合二英寸）的销量和规模将达330.30万片、6100万美元，2019-2025年CAGR分别为20.82%、16.82%。

2019-2015年砷化镓衬底市场规模

资料来源：北京通美招股书，海通证券研究所

 

外延：

        砷化镓外延片是砷化镓产业链的关键材料。外延生长是指在经过切、磨、抛等仔细加工的单晶衬底（基片）上生长一层有一定要求的、与衬底晶向相同的单晶层，犹如原来的晶体向外延伸一段。新单晶可以与衬底为同一材料，也可以是不同材料（即同质外延和异质外延）。外延生长的新单晶层可在导电类型、电阻率等方面与衬底不同，还可以生长不同厚度和不同要求的多层单晶，从而大大提高器件设计的灵活性和器件的性能。

砷化镓外延片制备流程图

资料来源：中国大百科全书，SlidePlayer，海通证券研究所

        外延方法：MOCVD成长薄膜时，主要将载流气体通过有机金属反应源的容器时，将反应源的饱和蒸气带至反应腔中与其它反应气体混合，然后在被加热的衬底上面发生化学反应促成薄膜的成长；MBE成长条件则透过元素加热方式，借由超高真空环境的腔体，将所需外延元素加热升华形成分子束，当分子束接触衬底后，就可形成所需外延结构。若以量产速率分析MOCVD和MBE外延设备的优缺点，MOCVD为气相方式导入反应腔体，其速度较MBE快1.5倍（MBE需时间加热形成分子束）；但以外延质量来说，由于MBE可精准控制分子束外延成长，因此相较MOCVD有较佳结果。

        外延设备市场现状：外延设备市场集中度较高，规模持续扩张。在MOCVD设备市场，德国Aixtron、美国Veeco等国际设备厂商仍占据较大的市场份额，但随着近年来国产化的大力推进，国际设备厂商在我国市场的份额逐渐被国产设备渗透；根据英特磊2021年年报，英特磊仅剩2家MBE设备供应商，但其设备所有零组件均能在公司内自行翻修或购买。根据Yole，预计GaAs外延设备市场规模将从2020年的1.57亿美元增长至2026年的2.14亿美元。

        外延厂商多数采用MOCVD法。MOCVD技术生长速率更快，更适合产业化大规模生产，头部外延厂商中IQE、全新光电、Hitachi Cable采用该工艺；MBE技术生成的外延材料质量好，但生长的速度较慢，根据英特磊2021年年报，全球仅有IQE和英特磊两家专业外延代工厂采用此工艺（IQE掌握MOCVD和MBE两种制程技术）。

射频、传感应用多采用外包外延模式，通信、LED市场多采用IDM模式。分应用市场来看，1）GaAs射频市场约90%采用外延生产外包模式，2019年IQE和全新光电合计占据市场份额80%以上；2）GaAs LED市场几乎均由垂直整合制造的Osram、三安光电、晶元光电、乾照光电等IDM厂商占据；3）GaAs光电子市场商业模式取决于应用：数据通信市场主要由Finisar、Avago、II-VI等IDM厂商主导，智能手机的3D传感和VCSEL市场则以外延外包为主，2019年IQE在光电子市场市场份额仍达61%。

GaAs产业链示意图

资料来源：稳懋、国金证券研究所

 

行业现状：

化合物半导体行业因为整体规模较小，非标准化程度高，仍然以代工模式为主，在 GaAs 产业中，随着产业逐渐走向成熟以及市场规模增大，代工模式占比在逐渐提高。

终端应用：

目前砷化镓下游应用领域可分为射频（RF）、光电子（Photonics）、LED（包括LEDs和Displays）和光伏（PV）。根据Yole，2019年GaAs晶圆市场射频、光电子、LED和光伏应用领域份额分别为37%、12%、50%和2%，预计2025年将变为28%、18%、53%和1%。

2019年砷化镓晶圆分应用市场份额         2025E砷化镓晶圆分应用市场份额

资料来源：Yole，海通证券研究所

产业链中下游根据终端应用不同形成IDM与代工两种商业模式。在砷化镓外延片的基础上进行IC设计、加工、封装、测试后制成砷化镓芯片，可用于终端应用领域的器件制造。根据Yole，GaAs各生产环节厂商可按终端应用射频（RF）、光电子（Photonic）、LEDs、光伏（PV）划分，GaAs衬底厂商面向下游整个产业链；GaAs外延片厂商产品主要提供给射频和光电子领域，对应中下游的IC生产环节存在IDM和代工两种模式；LED和光伏领域则均为IDM模式，自外延片到芯片、器件均由IDM厂商一体化生产。

1）垂直整合制造商IDM厂，是指拥有晶圆制造厂以制造自己所设计产品来销售的厂商，有些甚至会含括到模组测试或自行磊晶制造，封装部份则大多外包给其他封装厂。2）仅具有IC设计功能的厂商称为Fabless house或Design house，其晶圆制造、封装、测试需寻求外界专业厂的协助服务，在这种商业模式下，晶圆代工公司即提供晶圆制造服务的专业厂商。代工厂商致力于开发更先进的制程技术、提供更完整的解决方案，成本具备优势。

与外延片市场类似，各终端应用对应的GaAs晶圆制造市场，IDM和代工模式占比存在差异。根据稳懋2021年年报，目前GaAs晶圆制造市场中IDM公司占有超过50%的生产规模。

随着射频、光电子等应用带动砷化镓器件等下游需求快速增长，GaAs 代工比例逐步提升。过去几年砷化镓器件代工比例保持稳定。从 2013 年-2019年，砷化镓器件代工比例逐渐小幅提升，从 2014 年的 7.5%提升至 2019 年的10.3%。代工比例的波动取决于 IDM 厂的盈利情况带来的释放订单意愿的强弱和代工厂自身扩产的节奏。

砷化镓器件代工比例变化（2013-2019 年）

资料来源：Strategy Analytics、国金证券研究所

光电子：未来砷化镓光电子市场规模的增长主要由VCSEL的需求拉动。砷化镓制造的红外激光器、传感器具备高功率密度、低能耗、抗高温、高发光效率、高击穿电压等特点。GaAs光电子是一个相对较小的市场，主要集中在数据通信应用上，但自2017年Apple在iPhone X中引入3D感应功能和Android平台采用GaAs垂直腔表面发射激光器（VCSEL）以来，VCSEL市场带动了GaAs晶圆和外延片生产规模激增。随着3D传感技术发展，VCSEL和边缘发射激光器（EEL）在汽车激光雷达（LiDAR）技术应用中具有较大潜力。目前VCSEL已进入手机和汽车等大型消费市场，有利于GaAs市场未来持续增长。

射频：5G下基站PA和手机PA将带动砷化镓射频器件应用。砷化镓具有高频、抗辐射、耐高电压等特性，因此广泛应用在主流的商用无线通讯、光通讯以及先进的国防、航空及卫星用途上。以手机与无线网路（Wi-Fi）为例，系统中的无线射频模组必定含有的关键零组件是功率放大器（Power Amplifier）、射频开关器（RF Switch）及低杂讯放大器（Low Noise Amplifier）等，功率放大器是将无线通信信号放大的器件，经过放大的信号最终从手机或者基站发射出去，该器件属于通信设备高能耗环节，目前射频PA极大部分是以砷化镓半导体制作。

 基站PA以LDMOS（Si材料）、砷化镓（GaAs）和氮化镓（GaN）为主，相较GaAs和LDMOS，GaN具备高频、高输出功率的优势，但GaAs凭借可靠性和高性价比，未来一段时间仍会是小基站的主流工艺。手机PA多采用GaAs和CMOS（Si材料）工艺，因Si材料存在高频损耗、噪声大和低输出功率密度等特点，RF CMOS难以满足5G时代手机PA的需求。

GaAs、GaN与LDMOS技术对比       GaAs与标准CMOS性能成本对比

资料来源：Qorvo半导体公众号，高速射频百花潭公众号，海通证券研究所

 

竞争格局：

        砷化镓产业链上游材料端以欧美日为主。半绝缘型衬底主要由日本的住友、德国的 Freiberger、和美国的 AXT 垄断，三家公司合计约占全球 90%的市场份额。住友是全球半绝缘型砷化镓单晶片水平最高的公司，以 VB 法生产砷化镓为主，能够量产 4 寸和 6 寸单晶片；德国 Freiberger 主要以 VGF、LEC 法生产2 到 6 英寸砷化镓衬底，产品全部用于微电子领域；美国 AXT 产品中一半用于LED，一半用作微电子衬底。国内供应商砷化镓衬底主要用于 LED 芯片，少数公司如云南锗业用于射频的砷化镓衬底逐渐放量。

        英国 IQE 占据外延片市场 53%的市场份额。具体而言，约 90%射频客户采购外部外延片，射频市场被 IQE 垄断，IQE 和 VPEC 合计占据射频外延片市场约 80%的份额。而光电子外延片，不同下游应用有所区别：应用于数据中心的光模块器件主要由 Finisar 和 Avago 这些垂直供应商提供，而应用于消费电子 VCSEL 等 3D 感应的外延片主要由外部供应商 IQE 提供。

GaAs 射频器件市场主要由 IDM 厂商 Skyworks、Qorvo、博通和日本村田等垄断，其中 Skyworks、Qorvo 和博通市场份额合计约 70%。而这些大型IDM 厂扩产趋于谨慎，会选择将毛利率较低的 4G 产品外包给砷化镓代工厂商使产能优先满足高毛利产品，在需求旺盛自身产能满载的时候也会外包部分5G 订单。

稳懋是砷化镓代工市场绝对龙头。砷化镓代工市场规模占全球砷化镓器件市场规模 10%左右，其中稳懋、环宇和宏捷科约占这其中 90%的市场份额，而稳懋占据其中超过 70%市场份额。截至 2020 年三季度，稳懋月产能达到 4.1万片。砷化镓代工厂主要生产功率放大器，稳懋和环宇超过 90%营收来自于功率放大器。

 

大陆相关企业：

云南锗业：

云南锗业是目前国内最大的锗系列产品生产商和供应商，主要产品包括材料级锗产品、红外级锗产品、光伏级锗产品、光纤级锗产品、化合物半导体材料（主要为砷化镓晶片、磷化铟晶片）等。公司资源丰富，产品多样，覆盖锗产业链中上游。公司锗产品销量全国第一，是目前国内最大的锗系列产品生产商和供应商。主要产品包括锗材料级产品：区熔锗锭与二氧化锗；光伏级锗产品：太阳能锗衬底片；红外锗系列产品：锗单晶（光学元件）、锗镜片、镜头与红外热像仪。光纤级锗产品：光纤用四氯化锗。公司产品主要运用包括红外光学、太阳能电池、光纤通讯、聚酯纤维生产，红外成像仪等领域。布局半导体材料业务。2013 年公司设立鑫耀半导体材料有限公司，并分别于 2015，2018年完工“砷化镓单晶材料产业化建设项目”、“磷化铟单晶生产项目”，其中砷化镓单晶片产品 2016 年起投产，产能为 80 万片/年。主要应用领域为：红外光学、太阳能电池、光纤通讯、垂直腔面发射激光器（VCSEL）、大功率激光器、光通信用激光器和探测器等领域。

 

三安光电：

三安光电为国内射频代工龙头。三安光电主要从事化合物半导体材料与器件的研发、生产及销售，以氮化镓、砷化镓、碳化硅、磷化铟、氮化铝、蓝宝石等化合物半导体新材料所涉及的外延片、芯片为核心主业。公司射频产品应用于手机终端客户包含三星、荣耀、传音、VIVO、MOTO及通讯模块大厂移远、广和通。公司已推出具有国际竞争力的砷化镓HBT、pHEMT等面向射频应用的先进制程工艺，已建成专业化、规模化6英寸化合物晶圆制造产线；公司还涉及2、3、4英寸磷化铟晶片产品。

 

有研新材：

有研新材料股份有限公司于 99 年由北京有色金属研究总院独家发起，以募集方式成立，同年在上交所挂牌上市。成立之初，公司从事半导体材料的生产和销售；14 年完成资产重组，实现业务转型，切入稀土材料、光电材料、高纯金属材料、医用材料等多个领域。有研新材是我国有色金属新材料行业的骨干企业，在先进半导体材料和红外光学材料领域，拥有国内技术水平最高的红外锗单晶、水平GaAs单晶、CVD硫化锌生产线。下游客户包括中芯国际、长江存储、华虹、华力、歌尔、瑞声等。

 

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参考资料：

海通证券：光电国产化推动第二代半导体景气上行

国金证券：砷化镓本土闭环，碳化硅等待“奇点时刻”