5G 基站、終端對 PA 需求大增，GaAs 襯底或迎來更大市場空間

01 PA 器件及襯底

一、PA 器件：17-23 年 5G 基站、終端 PA 需求 CAGR或達 7%，性能要求提升

基帶和射頻模塊是完成 3/4/5G 蜂窩通訊功能的核心部件。典型射頻模塊（RF FEM）主要包括功率放大器（PA）、天線開關（Switch）、濾波器（SAW）等器 件構成，其中功率放大器PA占據著射頻前端晶片較大的市場份額。5G時代漸行漸 近，其高頻、高速、高功率特點將驅動功率放大器以及其半導體材料的性能較4G時代進一步提升。

1、性能：5G高頻、高速特質驅動PA高頻和功率等性能提升

3GPP (Third Generation Partnership Project，第三代合作夥伴計劃)將5G的總 體頻譜資源劃分為兩個頻段，即FR1和FR2。FR1為450MHz~6GHz，因此也被稱為 Sub6G頻段，是5G主頻段；FR2為24GHz~52GHz，又被成為毫米波頻段，是5G擴 展頻段。相較於主要頻段分布於3GHz以下的2G、3G和4G，5G頻譜向頻譜資源更 為豐富的高頻段延伸，這也就要求功率放大器等射頻組件在高頻下具有較高的工作 性能和效率。

3GPP將5G網絡特點歸納為極高的速率（eMBB場景）、極大的容量（mMTC 場景）以及極低的延時（URLLC場景）。以速率為例，5G將實現1Gbps以上的速率，為4G LTE Advanced的10倍以上。同時，從通信原理來看，無線通信最大信號帶寬約在載波頻率的5%左右，即載波頻率越高，其可實現的信號帶寬也就越大。5G的 Sub6G頻段常用載波帶寬為100Mhz、多載波聚合時可達200Mhz；而毫米波頻段常 用載波帶寬是400Mhz、多載波聚合時可到800Mhz。因此，5G高峰值速率以及寬頻帶等特點要求功率放大器等射頻組件具有更高的功率表現和工作效率。

2、數量：5G基站、終端對PA需求大增、17-23年CAGR或達7%

宏基站：（1）規模方面，5G宏基站的數量較4G時代將大幅增加。5G通信頻譜 分布在高頻段，信號衰減更快，覆蓋能力大幅減弱。相比於4G，通信信號覆蓋相同 的區域，5G基站的數量將大幅增加。於黎明等於2017年發表於《移動通信》期刊的 論文《中國聯通5G無線網演進策略研究》中對3.5GHz及1.8GHz在密集城區和普通 城區覆蓋能力的模擬測算，密集城區中3.5GHz頻段上行需要的基站數量是1.8GHz 的1.86倍，普通城區中3.5GHz頻段上行需要的基站數量則是1.8GHz的1.82倍；

（2）技術方面，大規模MIMO技術應用導致單基站所需功率放大器等射頻組件數量大幅增加。根據毛建軍等於2015年發表於《現代雷達》期刊的論文《一種用於5G的大規 模MIMO天線陣設計》，單用戶MIMO、多用戶MIMO分別是3G、4G時代常用的天線技術，而5G將引入大規模MIMO（Massive MIMO）來應對更高的數據速率要求。 大規模MIMO技術使用大型天線陣列（通常包括64個雙極化、至少16個陣列元素） 來實現空間復用，大大提升了特定空間區域內的數據流吞吐量。以5G宏基站採用的6 4T64R天線為例，相對於4G常用的4T4R天線，單個5G宏基站天線對射頻器件需求量將是4G宏基站的16倍。

終端：5G終端支持頻段增多將直接帶動射頻前端用量和單機價值量的增長。根據Skyworks數據，通信頻段數量從2G時代的4個增加至4G時代的41個，而5G將新 增50個頻段，總頻段數量將達到91個，由此將直接帶動射頻前端晶片的用量與單機價值的提升。根據Skyworks預測，射頻前端單機價值量將從4G的18美金上升至25 美金。

5G宏基站的總量、單基站PA需求量以及5G終端單機射頻前端用量相較4G時代 將明顯提升。根據QYR Electronics Research Center的預測，2018年至2023年全球 射頻前端市場規模預計將以年復合增長率16%持續高速增長，2023年接近313.1億美 元。單就功率放大器看，Yole預計2017-2023年全球功率放大器市場將由50億美元 增加至70億美元，CAGR達7%左右。

二、PA 襯底：遷移率和禁帶寬度要求更高、GaAs 等或擠占 Si 基襯底 市場份額

根據前文所述，5G高頻、高速、高功率的特點對功率放大器（PA）的高頻、 高速以及功率性能要求進一步提升，也對製備PA器件的半導體材料的性能要求更為嚴格。常見的半導體材料以物理性能區分可劃分為三代，其中第一代半導體以Si、Ge為代表，第二代半導體以GaAs、InP為代表，第三代半導體以GaN、SiC為代表。

高工作頻段要求半導體材料具備更高的飽和速度和電子遷移率。載流子飽和速 度和電子遷移率越高，半導體器件工作速度則越快。因此5G高工作頻段對半導體材 料的飽和速度和電子遷移率要求更高。由下表可見，第二代半導體GaAs和InP的電 子遷移率分別是Si的5倍和4倍左右，而第二代、第三代半導體的飽和速度均為Si的2 倍以上，更為適合於5G射頻器件應用。

高功率要求則要求半導體材料具備更高的禁帶寬度和擊穿電場。禁帶寬度和擊 穿電場強度越大，半導體材料的耐高電壓和高溫性能越好，即可以滿足更高功率器件的要求。由下表可見，第二代半導體材料GaAs的禁帶寬度約為Si的1.3倍，而第 三代半導體材料GaN的禁帶寬度則是Si的3倍。因此，GaAs和GaN等第二代、第三 代半導體相對於Si更適合於製備高功率器件。

面向5G高頻、高功率要求，GaAs、GaN基器件將逐步擠占Si基器件的市場份額。根據前文所述，相較於主要頻段分布於3GHz以下的2G、3G和4G，5G頻譜向 頻譜資源更為豐富的高頻段延伸，這也使得Si-LDMOS製程的功率器件無法滿足超 過3.5GHz以上高頻段的工作要求；同時，對於輸出功率在3W以上的器件，HBT制 程的GaAs也無法勝任。因此，對於工作在較高頻段、輸出功率要求相對較低的功率器件，MESFET和HEMT製程的GaAs將逐步替代傳統的Si-LDMOS；而對於工作頻 段更高、輸出功率要求更高的器件，HEMT製程的GaN材料將是最優選擇。因此從 趨勢上看，面向5G高頻、高功率要求，GaAs、GaN基器件將逐步擠占Si基器件的 市場份額。根據Yole統計數據，2017年全球PA器件用半導體材料約40%採用 Si-LDMOS，35%採用GaAs，而25%採用GaN。Yole預計到2025年，Si-LDMOS市 場份額將萎縮至15%，而GaN市場份額將達50%，GaAs市場份額則基本穩定。

綜合前文論述，我們可以初步得到5G時代Si-LDMOS、GaAs以及GaN半導體 材料及器件的應用範圍。由於Si-LDMOS不再適合於5G高頻段，因此GaN將逐步取 代Si-LDMOS應用於5G宏基站以及小基站中；GaAs由於其製造成本和規格尺寸中 等，且輸出功率較小，因此將廣泛應用於終端設備前端射頻器件的製備。在下文中， 我們將首先就GaAs半導體材料的製備工藝以及市場競爭格局進行分析。

GaAs 長晶工藝：製備高純單晶為組件製造首要環節

02 GaAs長晶工藝

一、從晶體到組件：製備高純半導體單晶為組件製造的首要環節

晶胞重複的單晶半導體材料能夠提供晶片製作工藝和器件特性所要求的電學和 機械性質，而缺陷較多的多晶半導體材料則對晶片製備不利，因此製備高純的單晶半導體材料是晶片等器件製造的首要環節。單晶生長的基本工藝原理是，待多晶原 料經加熱熔化、溫度合適後，經過將籽晶浸入、熔接、引晶、放肩、轉肩、等徑、 收尾等步驟，完成一根單晶錠的拉制。

單晶錠經過裁切、外徑研磨、切割、刻蝕、拋光、清洗等流程後成為晶圓片， 之後進入晶片生產加工流程。晶片製造過程可概分為晶圓處理工序（Wafer Fabrication）、晶圓針測工序（Wafer Probe）、封裝工序（Packaging）、測試工 序（Initial Test and Final Test）等幾個步驟。其中晶圓處理工序和晶圓針測工序為前道（Front End）工序，而封裝工序和測試工序為後道（Back End）工序。下文將主要就GaAs單晶生長工藝進行討論。

二、GaAs 長晶工藝：直拉法占據90%市場份額

GaAs為典型的人工晶體，單晶生長較為困難。根據周春鋒等於2015年發表於 《天津科技》期刊的論文《砷化鎵材料技術發展及需求》，GaAs晶體屬於典型的人工晶體，由於GaAs熱導率較矽更低而熱膨脹係數較矽更高，造成GaAs成晶較矽更為困難。同時，由於GaAs位錯臨近切變應力比矽位錯臨近切變應力小，造成GaAs單晶生長中不易降低位錯密度；另外，由於GaAs堆積層錯能較矽更小，造成GaAs單晶容易生產孿晶 。綜上所述，GaAs單晶生長較為困難。

隨著機械製造和電氣控制的逐步發展，GaAs單晶生長工藝也經歷了多次疊代和發展。總體看可分為水平布里奇曼法（Horizontal Bridgman, HB）、液封切克勞 斯基法（Liquid Encapsulating Czochralski, LEC）、蒸氣壓控制切克勞斯基法 （Vaporpressure Controlled Czochralski, VCZ）、垂直布里奇曼法（Vertical Bridgman，VB）或垂直梯度冷凝（Vertical Gradient Freeze, VGF）等。

1、水平布里奇曼法（HorizontalBridgman, HB）

根據R.T.Chen等於1983年發表於《Journal of Crystal Growth》期刊上的論文 《Dislocationstudies in 3-inch diameter liquid encapsulated czochralski GaAs》， HB工藝時最早用於GaAs單晶生產的技術工藝，早在20世紀60年代已實現產業化。 如圖5所示，HB法中GaAs單晶的生長可通過水平移動裝料安培瓶或加熱爐體來實現， 其裝置和操作均較為簡單，因此優點和缺點也較為鮮明：

（1）優點：HB單晶爐製作簡單、成本低，熔體化學計量比控制較好；晶體生長溫度梯度小、晶體位錯少、應力小；引晶和晶體生長可觀察，有利於提高晶體成 晶率；採用石英管和石英舟，有利於生長摻Si低阻砷化鎵單晶；

（2）缺點：晶體截面為D形，如加工為圓形則將造成浪費；存在Si沾污，不易 生長半絕緣砷化鎵單晶。

2、液封切克勞斯基法（LiquidEncapsulating Czochralski, LEC）

LEC法是生長用於製備高頻、高速器件和電路的准非摻雜半絕緣砷化鎵（SI GaAs）單晶的主要工藝之一。LEC法採用多加熱器生長爐以及可重複使用的PBN坩 堝，在2MPa氬氣氣氛下進行晶體生長。該方法的主要優缺點是：

（1）優點：可靠性高、適合規模生產；晶體引晶和生長均可見，成晶情況可控；晶體碳含量可控，適合生長半絕緣砷化鎵單晶；能較好控制晶體軸向電阻率的不均 勻性；

（2）缺點：晶體溫度梯度大，生長晶體的位錯密度高、殘留應力高；晶體等徑 控制和化學計量比控制較差；單晶爐製造成本高。

3、蒸氣壓控制切克勞斯基法（VaporpressureControlled Czochralski, VCZ）

VCZ單晶生長工藝為LEC法的改進工藝。相比於LEC法，VCZ法降低了溫度場 非線性，減少了位錯產生的幾率，並增加了晶體軸向和徑向位錯分布的均勻性。根據鄧志傑等於2000年發表於《有色金屬》期刊的論文《GaAs單晶材料發展現狀和展望》，VCZ法由日本古河電氣公司於1983年申請專利，並由日本住友電氣公司於1984 年用於生長低位錯密度的GaAs單晶。該方法的主要優缺點是：

（1）優點：位錯密度和殘留應力較LEC法低；砷蒸氣壓保護，晶體的化學計量比可控；

（2）缺點：單晶爐構造複雜，製造成本高；工藝操作難度大、運行費用高；晶 體碳含量不可控；晶體長度短，不適合規模化生產。

4、垂直布里奇曼法（VerticalBridgman，VB）或垂直梯度冷凝（VerticalGradient Freeze, VGF）

根據蔣榮華等於2003年發表於《材料科學與技術》期刊的論文《GaAs單晶生長 工藝的發展狀況》，VGF/VB法是20世紀80年代末開發並逐步發展起來的、能生長 大直徑、低位錯、低熱應力、高質量砷化鎵等III-V族半導體單晶的生長方法。其生 長原理是將砷化鎵多晶、B2O3及籽晶真空封入石英管中，爐體和裝料的石英管垂直放置，熔融砷化鎵接觸位於下方的籽晶後，緩慢冷卻，按<100>方向進行單晶生長。 該方法的主要優缺點是：

（1）優點：位錯密度和殘留應力較LEC法低；晶體等徑好、材料利用率高；減少了籽晶杆升降和轉動裝置，單晶爐製造成本低；既易於生長摻矽、碲的砷化鎵單 晶材料，也易於生長半絕緣砷化鎵單晶材料；對操作人員要求低，適合規模生產。

（2）缺點：易產生雙晶和花晶；晶體生長不可見，依賴於單晶生長系統的一致 性和穩定性；晶體尾部易被液封的氧化硼粘裂。

上文我們就HB、LEC、VCZ和VGF/VB法等典型的GaAs單晶生長工藝進行了簡要介紹。總結起來，HB法由於晶體直徑和晶圓形狀受到限制、且很難生長半絕緣 的GaAs單晶，因此已經不適用於製備用於高頻、高速功率器件的單晶襯底；VCZ 法儘管位錯密度低、晶體直徑擴展性好，但由於晶體長度受限制、疊加工藝成本較高，因此也不適合於規模生產。VGF/VB法則既規避了LEC和VCZ等工藝的缺點， 又能夠實現高質量GaAs單晶生長，因此發展前景較好。

VGF法生長GaAs單晶的市場份額達63%，是當前主流的GaAs單晶生長工藝。 根據Pioneer Reports2018年發布的《Global GalliumMarket Growth 2019-2024》 報告，截止至2016年，VGF法生長GaAs單晶的市場份額達63%，LEC法生長GaAs 單晶的市場份額為27%。可見VGF法是當前主流的GaAs單晶生長工藝。

海外廠商壟斷PA和 GaAs 襯底市場，國產替代空間廣闊

03 GaAs市場格局

一、全球：PA 及 GaAs 單晶襯底均被少數廠商壟斷，CR3 分別為 93% 和 95%

全球功率放大器（PA）市場方面，根據Yole和ittbank數據，截止至2018年底， 全球功率放大器（PA）市場集中度較高，美國Skyworks、Qorvo和博通（Avago） 市場份額分別達43%、25%和25%，CR3達93%。

全球半絕緣GaAs單晶襯底市場方面，根據Semiconductor TODAY數據，目前全球半絕緣單晶GaAs襯底市場集中度CR3高達95%，日本的住友電氣（SumitomoElectric）、德國費里伯格（Freiberger Compound Materials）以及美國的AXT公司 占據了95%以上的市場份額。

全球GaAs單晶襯底龍頭均以VGF/VB/LEC工藝為主，水平布里奇曼法（HB） 已被淘汰。根據住友電氣、費里博格和AXT官網及公司財報，日本住友電氣GaAs單 晶生產以VB法和LEC法為主，德國費里博格以VGF和LEC法為主，而美國AXT則以 VGF法為主。由此可見，水平布里奇曼法（HB）已被全球GaAs單晶襯底龍頭淘汰。

二、國內：射頻器件用半絕緣 GaAs 襯底尚未規模化、國產替代空間廣闊

1、行業：國內GaAs單晶片年產量117萬片（以4吋計）、以LED晶片用低阻拋光片為主，半絕緣GaAs襯底國產替代空間較大

總量：目前國內砷化鎵單晶片年產量約為117萬片（以4吋計）。根據忻州市委 宣傳部官網2018年11月8日發布的《全球最大的半導體新材料單晶片加工車間落戶 忻州》一文，落戶忻州的砷化鎵項目建成後，砷化鎵單晶片年產量將達200萬片（以 4吋計，下同），在國內將占有80%份額（目前中科晶電集團下轄的廠區總供貨量已 占國內46%份額）。以此計算，目前國內砷化鎵單晶片年產量約為117萬片，其中 中科晶電砷化鎵單晶片年產量約為54萬片。

備註：估算方法為：假設目前中科晶電砷化鎵單晶片年產量為A萬片，則目前國 內砷化鎵單晶片年產量為A÷46%（萬片）。則在忻州砷化鎵項目建成後，中科晶電 砷化鎵單晶片年產量將達A＋200（萬片），進而可列出等式：

A＋200＝80%×（A÷46%＋200）

求解可得到目前中科晶電砷化鎵單晶片年產量為54萬片，國內砷化鎵單晶片年 產量為117萬片（均以4吋計）。

結構：仍以LED晶片用低阻拋光片為主，射頻元器件用半絕緣GaAs襯底國產替 代空間較大。國內GaAs單晶襯底產品以低阻GaAs拋光片為主，主要用於LED晶片 的製造，而用於射頻元器件的半絕緣GaAs襯底尚未形成規模。因此在5G時代，用 於射頻元器件的半絕緣GaAs單晶襯底國產替代空間較大。

2、公司：中科晶電、雲南鍺業等為國內砷化鎵單晶襯底龍頭供應商

根據Pioneer Reports2018 年 發 布 的 《 Global Gallium Market Growth 2019-2024》報告，國內主要GaAs單晶襯底生產廠商有中科晶電、雲南鍺業、有研 新材、神舟晶體以及美國AXT全資子公司北京通美等。

中科晶電：根據公司官網，中科晶電成立於2004年，定位於砷化鎵襯底綜合供應商，產品基地分布於北京市、江蘇張家港和山西運城。公司採用VGF法生產2-6英寸的GaAs單晶襯底。根據前文所述，目前公司砷化鎵單晶片年產量約為54萬片，占國內46%的市場份額。

雲南鍺業 ：根據公司官網及2018年年報，雲南鍺業是集鍺礦開 采、精深加工和研發為一體的、鍺產業鏈較為完整的高新技術企業，其非鍺半導體 材料級產品主要為砷化鎵單晶片，目前具備砷化鎵單晶片產能80萬片/年（以4吋計）， 2018年生產砷化鎵單晶片26.52萬片（以2吋計）即6.63萬片（以4吋計）。分業務看，根據其2018年年報，公司非鍺半導體產品營收為1065萬元，占其總營收的2.3%， 2018年營收占比較低。

有研新材：根據公司官網及2018年年報，公司主要從事微電子 光電子用薄膜材料、超高純金屬及稀貴金屬材料、高端稀土功能材料、紅外光學及 光纖材料、生物醫用材料等新材料的研發與製備。其中，在先進半導體材料和紅外光學材料領域，擁有紅外鍺單晶、水平GaAs單晶、CVD硫化鋅生產線。分業務看，根據其2018年年報，公司高純/超高純金屬材料和稀土材料營收占比分別為52.1%、 38.1%，是公司主要產品領域，2018年GaAs單晶營收占比較低。

新鄉神舟晶體：根據公司官網，公司成立於於2005年，由軍工企業改制而成，主要以生產水平砷化鎵單晶材料產品為主，大量用于軍事領域和民用市場。

北京通美：根據公司官網及公司《2018年年度監測報告》，北京通美創建於1998 年，是美國AXT集團全資子公司，產品99%以上出口。目前公司晶片年加工能力為 186萬片（以4吋計），2018年砷化鎵單晶片加工量為56萬片（以4吋計）。

《5G通信用GaN射頻產業發展報告》

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