5G 基站、终端对 PA 需求大增，GaAs 衬底或迎来更大市场空间

01 PA 器件及衬底

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

基带和射频模块是完成 3/4/5G 蜂窝通讯功能的核心部件。典型射频模块（RF FEM）主要包括功率放大器（PA）、天线开关（Switch）、滤波器（SAW）等器 件构成，其中功率放大器PA占据着射频前端芯片较大的市场份额。5G时代渐行渐 近，其高频、高速、高功率特点将驱动功率放大器以及其半导体材料的性能较4G时代进一步提升。

1、性能：5G高频、高速特质驱动PA高频和功率等性能提升

3GPP (Third Generation Partnership Project，第三代合作伙伴计划)将5G的总 体频谱资源划分为两个频段，即FR1和FR2。FR1为450MHz~6GHz，因此也被称为 Sub6G频段，是5G主频段；FR2为24GHz~52GHz，又被成为毫米波频段，是5G扩 展频段。相较于主要频段分布于3GHz以下的2G、3G和4G，5G频谱向频谱资源更 为丰富的高频段延伸，这也就要求功率放大器等射频组件在高频下具有较高的工作 性能和效率。

3GPP将5G网络特点归纳为极高的速率（eMBB场景）、极大的容量（mMTC 场景）以及极低的延时（URLLC场景）。以速率为例，5G将实现1Gbps以上的速率，为4G LTE Advanced的10倍以上。同时，从通信原理来看，无线通信最大信号带宽约在载波频率的5%左右，即载波频率越高，其可实现的信号带宽也就越大。5G的 Sub6G频段常用载波带宽为100Mhz、多载波聚合时可达200Mhz；而毫米波频段常 用载波带宽是400Mhz、多载波聚合时可到800Mhz。因此，5G高峰值速率以及宽频带等特点要求功率放大器等射频组件具有更高的功率表现和工作效率。

2、数量：5G基站、终端对PA需求大增、17-23年CAGR或达7%

宏基站：（1）规模方面，5G宏基站的数量较4G时代将大幅增加。5G通信频谱 分布在高频段，信号衰减更快，覆盖能力大幅减弱。相比于4G，通信信号覆盖相同 的区域，5G基站的数量将大幅增加。于黎明等于2017年发表于《移动通信》期刊的 论文《中国联通5G无线网演进策略研究》中对3.5GHz及1.8GHz在密集城区和普通 城区覆盖能力的模拟测算，密集城区中3.5GHz频段上行需要的基站数量是1.8GHz 的1.86倍，普通城区中3.5GHz频段上行需要的基站数量则是1.8GHz的1.82倍；

（2）技术方面，大规模MIMO技术应用导致单基站所需功率放大器等射频组件数量大幅增加。根据毛建军等于2015年发表于《现代雷达》期刊的论文《一种用于5G的大规 模MIMO天线阵设计》，单用户MIMO、多用户MIMO分别是3G、4G时代常用的天线技术，而5G将引入大规模MIMO（Massive MIMO）来应对更高的数据速率要求。 大规模MIMO技术使用大型天线阵列（通常包括64个双极化、至少16个阵列元素） 来实现空间复用，大大提升了特定空间区域内的数据流吞吐量。以5G宏基站采用的6 4T64R天线为例，相对于4G常用的4T4R天线，单个5G宏基站天线对射频器件需求量将是4G宏基站的16倍。

终端：5G终端支持频段增多将直接带动射频前端用量和单机价值量的增长。根据Skyworks数据，通信频段数量从2G时代的4个增加至4G时代的41个，而5G将新 增50个频段，总频段数量将达到91个，由此将直接带动射频前端芯片的用量与单机价值的提升。根据Skyworks预测，射频前端单机价值量将从4G的18美金上升至25 美金。

5G宏基站的总量、单基站PA需求量以及5G终端单机射频前端用量相较4G时代 将明显提升。根据QYR Electronics Research Center的预测，2018年至2023年全球 射频前端市场规模预计将以年复合增长率16%持续高速增长，2023年接近313.1亿美 元。单就功率放大器看，Yole预计2017-2023年全球功率放大器市场将由50亿美元 增加至70亿美元，CAGR达7%左右。

二、PA 衬底：迁移率和禁带宽度要求更高、GaAs 等或挤占 Si 基衬底 市场份额

根据前文所述，5G高频、高速、高功率的特点对功率放大器（PA）的高频、 高速以及功率性能要求进一步提升，也对制备PA器件的半导体材料的性能要求更为严格。常见的半导体材料以物理性能区分可划分为三代，其中第一代半导体以Si、Ge为代表，第二代半导体以GaAs、InP为代表，第三代半导体以GaN、SiC为代表。

高工作频段要求半导体材料具备更高的饱和速度和电子迁移率。载流子饱和速 度和电子迁移率越高，半导体器件工作速度则越快。因此5G高工作频段对半导体材 料的饱和速度和电子迁移率要求更高。由下表可见，第二代半导体GaAs和InP的电 子迁移率分别是Si的5倍和4倍左右，而第二代、第三代半导体的饱和速度均为Si的2 倍以上，更为适合于5G射频器件应用。

高功率要求则要求半导体材料具备更高的禁带宽度和击穿电场。禁带宽度和击 穿电场强度越大，半导体材料的耐高电压和高温性能越好，即可以满足更高功率器件的要求。由下表可见，第二代半导体材料GaAs的禁带宽度约为Si的1.3倍，而第 三代半导体材料GaN的禁带宽度则是Si的3倍。因此，GaAs和GaN等第二代、第三 代半导体相对于Si更适合于制备高功率器件。

面向5G高频、高功率要求，GaAs、GaN基器件将逐步挤占Si基器件的市场份额。根据前文所述，相较于主要频段分布于3GHz以下的2G、3G和4G，5G频谱向 频谱资源更为丰富的高频段延伸，这也使得Si-LDMOS制程的功率器件无法满足超 过3.5GHz以上高频段的工作要求；同时，对于输出功率在3W以上的器件，HBT制 程的GaAs也无法胜任。因此，对于工作在较高频段、输出功率要求相对较低的功率器件，MESFET和HEMT制程的GaAs将逐步替代传统的Si-LDMOS；而对于工作频 段更高、输出功率要求更高的器件，HEMT制程的GaN材料将是最优选择。因此从 趋势上看，面向5G高频、高功率要求，GaAs、GaN基器件将逐步挤占Si基器件的 市场份额。根据Yole统计数据，2017年全球PA器件用半导体材料约40%采用 Si-LDMOS，35%采用GaAs，而25%采用GaN。Yole预计到2025年，Si-LDMOS市 场份额将萎缩至15%，而GaN市场份额将达50%，GaAs市场份额则基本稳定。

综合前文论述，我们可以初步得到5G时代Si-LDMOS、GaAs以及GaN半导体 材料及器件的应用范围。由于Si-LDMOS不再适合于5G高频段，因此GaN将逐步取 代Si-LDMOS应用于5G宏基站以及小基站中；GaAs由于其制造成本和规格尺寸中 等，且输出功率较小，因此将广泛应用于终端设备前端射频器件的制备。在下文中， 我们将首先就GaAs半导体材料的制备工艺以及市场竞争格局进行分析。

GaAs 长晶工艺：制备高纯单晶为组件制造首要环节

02 GaAs长晶工艺

一、从晶体到组件：制备高纯半导体单晶为组件制造的首要环节

晶胞重复的单晶半导体材料能够提供芯片制作工艺和器件特性所要求的电学和 机械性质，而缺陷较多的多晶半导体材料则对芯片制备不利，因此制备高纯的单晶半导体材料是芯片等器件制造的首要环节。单晶生长的基本工艺原理是，待多晶原 料经加热熔化、温度合适后，经过将籽晶浸入、熔接、引晶、放肩、转肩、等径、 收尾等步骤，完成一根单晶锭的拉制。

单晶锭经过裁切、外径研磨、切割、刻蚀、抛光、清洗等流程后成为晶圆片， 之后进入芯片生产加工流程。芯片制造过程可概分为晶圆处理工序（Wafer Fabrication）、晶圆针测工序（Wafer Probe）、封装工序（Packaging）、测试工 序（Initial Test and Final Test）等几个步骤。其中晶圆处理工序和晶圆针测工序为前道（Front End）工序，而封装工序和测试工序为后道（Back End）工序。下文将主要就GaAs单晶生长工艺进行讨论。

二、GaAs 长晶工艺：直拉法占据90%市场份额

GaAs为典型的人工晶体，单晶生长较为困难。根据周春锋等于2015年发表于 《天津科技》期刊的论文《砷化镓材料技术发展及需求》，GaAs晶体属于典型的人工晶体，由于GaAs热导率较硅更低而热膨胀系数较硅更高，造成GaAs成晶较硅更为困难。同时，由于GaAs位错临近切变应力比硅位错临近切变应力小，造成GaAs单晶生长中不易降低位错密度；另外，由于GaAs堆积层错能较硅更小，造成GaAs单晶容易生产孪晶 。综上所述，GaAs单晶生长较为困难。

随着机械制造和电气控制的逐步发展，GaAs单晶生长工艺也经历了多次迭代和发展。总体看可分为水平布里奇曼法（Horizontal Bridgman, HB）、液封切克劳 斯基法（Liquid Encapsulating Czochralski, LEC）、蒸气压控制切克劳斯基法 （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）

根据R.T.Chen等于1983年发表于《Journal of Crystal Growth》期刊上的论文 《Dislocationstudies in 3-inch diameter liquid encapsulated czochralski GaAs》， HB工艺时最早用于GaAs单晶生产的技术工艺，早在20世纪60年代已实现产业化。 如图5所示，HB法中GaAs单晶的生长可通过水平移动装料安培瓶或加热炉体来实现， 其装置和操作均较为简单，因此优点和缺点也较为鲜明：

（1）优点：HB单晶炉制作简单、成本低，熔体化学计量比控制较好；晶体生长温度梯度小、晶体位错少、应力小；引晶和晶体生长可观察，有利于提高晶体成 晶率；采用石英管和石英舟，有利于生长掺Si低阻砷化镓单晶；

（2）缺点：晶体截面为D形，如加工为圆形则将造成浪费；存在Si沾污，不易 生长半绝缘砷化镓单晶。

2、液封切克劳斯基法（LiquidEncapsulating Czochralski, LEC）

LEC法是生长用于制备高频、高速器件和电路的准非掺杂半绝缘砷化镓（SI GaAs）单晶的主要工艺之一。LEC法采用多加热器生长炉以及可重复使用的PBN坩 埚，在2MPa氩气气氛下进行晶体生长。该方法的主要优缺点是：

（1）优点：可靠性高、适合规模生产；晶体引晶和生长均可见，成晶情况可控；晶体碳含量可控，适合生长半绝缘砷化镓单晶；能较好控制晶体轴向电阻率的不均 匀性；

（2）缺点：晶体温度梯度大，生长晶体的位错密度高、残留应力高；晶体等径 控制和化学计量比控制较差；单晶炉制造成本高。

3、蒸气压控制切克劳斯基法（VaporpressureControlled Czochralski, VCZ）

VCZ单晶生长工艺为LEC法的改进工艺。相比于LEC法，VCZ法降低了温度场 非线性，减少了位错产生的几率，并增加了晶体轴向和径向位错分布的均匀性。根据邓志杰等于2000年发表于《有色金属》期刊的论文《GaAs单晶材料发展现状和展望》，VCZ法由日本古河电气公司于1983年申请专利，并由日本住友电气公司于1984 年用于生长低位错密度的GaAs单晶。该方法的主要优缺点是：

（1）优点：位错密度和残留应力较LEC法低；砷蒸气压保护，晶体的化学计量比可控；

（2）缺点：单晶炉构造复杂，制造成本高；工艺操作难度大、运行费用高；晶 体碳含量不可控；晶体长度短，不适合规模化生产。

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

根据蒋荣华等于2003年发表于《材料科学与技术》期刊的论文《GaAs单晶生长 工艺的发展状况》，VGF/VB法是20世纪80年代末开发并逐步发展起来的、能生长 大直径、低位错、低热应力、高质量砷化镓等III-V族半导体单晶的生长方法。其生 长原理是将砷化镓多晶、B2O3及籽晶真空封入石英管中，炉体和装料的石英管垂直放置，熔融砷化镓接触位于下方的籽晶后，缓慢冷却，按<100>方向进行单晶生长。 该方法的主要优缺点是：

（1）优点：位错密度和残留应力较LEC法低；晶体等径好、材料利用率高；减少了籽晶杆升降和转动装置，单晶炉制造成本低；既易于生长掺硅、碲的砷化镓单 晶材料，也易于生长半绝缘砷化镓单晶材料；对操作人员要求低，适合规模生产。

（2）缺点：易产生双晶和花晶；晶体生长不可见，依赖于单晶生长系统的一致 性和稳定性；晶体尾部易被液封的氧化硼粘裂。

上文我们就HB、LEC、VCZ和VGF/VB法等典型的GaAs单晶生长工艺进行了简要介绍。总结起来，HB法由于晶体直径和晶圆形状受到限制、且很难生长半绝缘 的GaAs单晶，因此已经不适用于制备用于高频、高速功率器件的单晶衬底；VCZ 法尽管位错密度低、晶体直径扩展性好，但由于晶体长度受限制、叠加工艺成本较高，因此也不适合于规模生产。VGF/VB法则既规避了LEC和VCZ等工艺的缺点， 又能够实现高质量GaAs单晶生长，因此发展前景较好。

VGF法生长GaAs单晶的市场份额达63%，是当前主流的GaAs单晶生长工艺。 根据Pioneer Reports2018年发布的《Global GalliumMarket Growth 2019-2024》 报告，截止至2016年，VGF法生长GaAs单晶的市场份额达63%，LEC法生长GaAs 单晶的市场份额为27%。可见VGF法是当前主流的GaAs单晶生长工艺。

海外厂商垄断PA和 GaAs 衬底市场，国产替代空间广阔

03 GaAs市场格局

一、全球：PA 及 GaAs 单晶衬底均被少数厂商垄断，CR3 分别为 93% 和 95%

全球功率放大器（PA）市场方面，根据Yole和ittbank数据，截止至2018年底， 全球功率放大器（PA）市场集中度较高，美国Skyworks、Qorvo和博通（Avago） 市场份额分别达43%、25%和25%，CR3达93%。

全球半绝缘GaAs单晶衬底市场方面，根据Semiconductor TODAY数据，目前全球半绝缘单晶GaAs衬底市场集中度CR3高达95%，日本的住友电气（SumitomoElectric）、德国费里伯格（Freiberger Compound Materials）以及美国的AXT公司 占据了95%以上的市场份额。

全球GaAs单晶衬底龙头均以VGF/VB/LEC工艺为主，水平布里奇曼法（HB） 已被淘汰。根据住友电气、费里博格和AXT官网及公司财报，日本住友电气GaAs单 晶生产以VB法和LEC法为主，德国费里博格以VGF和LEC法为主，而美国AXT则以 VGF法为主。由此可见，水平布里奇曼法（HB）已被全球GaAs单晶衬底龙头淘汰。

二、国内：射频器件用半绝缘 GaAs 衬底尚未规模化、国产替代空间广阔

1、行业：国内GaAs单芯片年产量117万片（以4吋计）、以LED芯片用低阻抛光片为主，半绝缘GaAs衬底国产替代空间较大

总量：目前国内砷化镓单芯片年产量约为117万片（以4吋计）。根据忻州市委 宣传部官网2018年11月8日发布的《全球最大的半导体新材料单芯片加工车间落户 忻州》一文，落户忻州的砷化镓项目建成后，砷化镓单芯片年产量将达200万片（以 4吋计，下同），在国内将占有80%份额（目前中科晶电集团下辖的厂区总供货量已 占国内46%份额）。以此计算，目前国内砷化镓单芯片年产量约为117万片，其中 中科晶电砷化镓单芯片年产量约为54万片。

备注：估算方法为：假设目前中科晶电砷化镓单芯片年产量为A万片，则目前国 内砷化镓单芯片年产量为A÷46%（万片）。则在忻州砷化镓项目建成后，中科晶电 砷化镓单芯片年产量将达A＋200（万片），进而可列出等式：

A＋200＝80%×（A÷46%＋200）

求解可得到目前中科晶电砷化镓单芯片年产量为54万片，国内砷化镓单芯片年 产量为117万片（均以4吋计）。

结构：仍以LED芯片用低阻抛光片为主，射频元器件用半绝缘GaAs衬底国产替 代空间较大。国内GaAs单晶衬底产品以低阻GaAs抛光片为主，主要用于LED芯片 的制造，而用于射频元器件的半绝缘GaAs衬底尚未形成规模。因此在5G时代，用 于射频元器件的半绝缘GaAs单晶衬底国产替代空间较大。

2、公司：中科晶电、云南锗业等为国内砷化镓单晶衬底龙头供应商

根据Pioneer Reports2018 年 发 布 的 《 Global Gallium Market Growth 2019-2024》报告，国内主要GaAs单晶衬底生产厂商有中科晶电、云南锗业、有研 新材、神舟晶体以及美国AXT全资子公司北京通美等。

中科晶电：根据公司官网，中科晶电成立于2004年，定位于砷化镓衬底综合供应商，产品基地分布于北京市、江苏张家港和山西运城。公司采用VGF法生产2-6英寸的GaAs单晶衬底。根据前文所述，目前公司砷化镓单芯片年产量约为54万片，占国内46%的市场份额。

云南锗业 ：根据公司官网及2018年年报，云南锗业是集锗矿开 采、精深加工和研发为一体的、锗产业链较为完整的高新技术企业，其非锗半导体 材料级产品主要为砷化镓单芯片，目前具备砷化镓单芯片产能80万片/年（以4吋计）， 2018年生产砷化镓单芯片26.52万片（以2吋计）即6.63万片（以4吋计）。分业务看，根据其2018年年报，公司非锗半导体产品营收为1065万元，占其总营收的2.3%， 2018年营收占比较低。

有研新材：根据公司官网及2018年年报，公司主要从事微电子 光电子用薄膜材料、超高纯金属及稀贵金属材料、高端稀土功能材料、红外光学及 光纤材料、生物医用材料等新材料的研发与制备。其中，在先进半导体材料和红外光学材料领域，拥有红外锗单晶、水平GaAs单晶、CVD硫化锌生产线。分业务看，根据其2018年年报，公司高纯/超高纯金属材料和稀土材料营收占比分别为52.1%、 38.1%，是公司主要产品领域，2018年GaAs单晶营收占比较低。

新乡神舟晶体：根据公司官网，公司成立于于2005年，由军工企业改制而成，主要以生产水平砷化镓单晶材料产品为主，大量用于军事领域和民用市场。

北京通美：根据公司官网及公司《2018年年度监测报告》，北京通美创建于1998 年，是美国AXT集团全资子公司，产品99%以上出口。目前公司芯片年加工能力为 186万片（以4吋计），2018年砷化镓单芯片加工量为56万片（以4吋计）。

《5G通信用GaN射频产业发展报告》

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