作者：Leo Li
排版：Peter Parker
出品：SOlab
深度好文，3000字=20分钟阅读
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作者前言
作为迟到的教师节献礼，感谢 Jeff Xu （徐杰），感谢他十多年前的传道授业解惑。也感谢他们那一代人为国事而不谋其身的奉献。
当下是第三代半导体流行的时候，由III-V族元素构成的化合物半导体GaN。
九月初的时候，有小伙伴聚在一起聊天，我们几个都是做GaAs出身的（As和N同属第V族元素）。
GaAs，现在知道这个名词的人不多了，它叫砷化镓，是第二代半导体工艺，是我们当年的主攻方向。
三代半导体对比图源：google
也是GSM、3G、4G时代小功率放大器的主要材料，用在手机前端信号放大，FEM或者PA。
FEM
FEM，Front-end modules，即就是前端模块。硬件电路中的前端模块，完成射频信号的发送放大以及接收放大（with bypass）、滤波，甚至包含功率检测、控制和开关的这样一个作用。对于WiFi产品，FEM分为2.4G FEM和5G FEM，分别应用于2.4G频段和5G频段。
图源：google
PA
射频功率放大器（PA）是各种无线发射机的重要组成部分。在发射机的前级电路中，调制振荡电路所产生的射频信号功率很小，需要经过一系列的放大一缓冲级、中间放大级、末级功率放大级，获得足够的射频功率以后，才能馈送到天线上辐射出去。为了获得足够大的射频输出功率，必须采用射频功率放大器。
今天就来回顾一下作为第二代半导体主打材料的GaAs。
GaAs拥有一些较Si还要好的电子特性，使得GaAs可以用在高于250GHz的场合。如果等效的GaAs和Si元件同时都操作在高频时，GaAs会产生较少的噪音。
也因为GaAs有较高的崩溃压，所以GaAs比同样的Si元件更适合操作在高功率的场合。
因为这些特性，GaAs电路可以运用在移动电话、卫星通讯、微波点对点连线、雷达系统等地方。GaAs曾用来做成甘恩二极管、微波二极管和耿氏二极管以发射微波。
砷化镓的应用范围图源：中时新闻
GaAs的的另一个优点：它是直接能隙的材料，所以可以用来发光。
而Si是间接能隙的材料，只能发射非常微弱的光。（最近的技术已经可以用Si做成LED和运用在镭射）下表中禁带宽度跟发光的频率呈正相关。
材料指标解释图源：google
21世纪开始的那几年，以砷化镓、磷化铟为代表的第二代半导体材料崭露头角，并显示其巨大的优越性。
砷化镓和磷化铟半导体激光器成为光通信系统中的关键器件，同时砷化镓高速器件也开拓了光纤及移动通信的新产业。
砷化镓终端应用占比图源：StockFeel
砷化镓的用途
砷化镓是当前主流的化合物半导体材料之一，其应用可以分为三个阶段。
➢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，例如2017年，iPhone X首次引入了VCSEL技术用于面容识别，生产VCSEL需要使用砷化镓衬底，砷化镓衬底应用场景再次拓宽。
VCSEL
垂直腔面发射激光器（Vertical-Cavity Surface-Emitting Laser）是一种半导体，其激光垂直于顶面射出，与用切开的独立芯片制成，激光由边缘射出的边射型激光有所不同。
图源：google
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。目前，砷化镓衬底主要应用下游器件包括射频器件、LED、激光器。
砷化镓材质的射频器件应用
射频器件是实现信号发送和接收的关键器件，射频器件主要包括功率放大器、射频开关、滤波器、数模/模数转换器等器件。
其中，功率放大器是放大射频信号的器件，其直接决定移动终端和基站的无线通信距离和信号质量。
由迁移率和高饱和电子速率的显著优势，砷化镓一直是制造射频功率放大器的主流衬底材料之一。
砷化镓晶体结构图源：google
4G时代起，4G基站建设及智能手机持续普及，用于制造智能手机射频器件的砷化镓衬底需求量开始上升。进入5G时代之后，5G通信对功率、频率、传输速度提出了更高的要求，使用砷化镓衬底制造的射频器件非常适合应用于长距离、长通信时间的高频电路中。
因此，在5G时代的射频器件中，砷化镓的材料优势更加显著。
随着5G基站建设的大量铺开，将对砷化镓衬底的需求带来新的增长动力；与此同时，单部5G手机所使用的射频器件数量将较4G手机大幅增加，也将带来对砷化镓衬底需求的增长。
射频功率放大器图源：google
伴随5G通信技术的快速发展与不断推广，5G基站建设以及5G手机的推广将使砷化镓基射频器件稳步增长。手机中射频（RF）器件的成本越来越高。
一个4G全网通手机，前端RF套片的成本已达到8-10美元，含有10颗以上射频芯片，包括2-3颗PA、2-4颗开关、6-10颗滤波器。
未来随着5G的到来，RF套片的成本很可能会超过手机主芯片。再加上物联网的爆发，势必会将射频器件的需求推向高潮。
通常情况下，一部手机主板使用的射频芯片占整个线路面板的30%-40%。
据悉，一部iPhone 7仅射频芯片的成本就高达24美元，有消息称苹果今年每部手机在射频芯片上的投入将历史性地超过30美元。随着智能手机迭代加快，射频芯片也将迎来一波高峰。
苹果公司图源：google
根据Yole预测，2025年全球射频器件砷化镓衬底（折合二英寸）市场销量将超过965.70万片，2019-2025年年均复合增长率为6.32%。2025年全球射频器件砷化镓衬底市场规模将超过9,800万美元，2019-2025年年均复合增长率为5.03%。
Yole
Yole是一家咨询公司，专门从事与半导体行业和相邻行业相关的市场、供应链和技术发展的战略分析。
砷化镓材质的LED应用
LED是由化合物半导体（砷化镓、氮化镓等）组成的固体发光器件，可将电能转化为光能。
不同材料制成的LED会发出不同波长、不同颜色的光，LED按照发光颜色可分为单色LED、全彩LED和白光LED等类型。
LED根据芯片尺寸可以区分为常规LED、Mini LED、Micro LED等类型，其中常规LED主要应用于通用照明、户外大显示屏等，Mini LED、Micro LED应用于新一代显示。
使用Mini LED屏幕的电脑图源：google
随着LED照明普及率的不断提高，常规LED芯片及器件的价格不断走低。
常规LED芯片尺寸为毫米级别，对砷化镓衬底的技术要求相对较低，属于砷化镓衬底的低端需求市场，产品附加值较低，该等市场主要被境内砷化镓衬底企业占据，市场竞争激烈。
而新一代显示所使用的Mini LED和Micro LED芯片尺寸为亚毫米和微米级别，对砷化镓衬底的技术要求很高，市场主要被全球第一梯队厂商所占据。
LED芯片图源：google
砷化镓材质的激光器应用
激光器是使用受激辐射方式产生可见光或不可见光的一种器件，构造复杂，技术壁垒较高，是由大量光学材料和元器件组成的综合系统。
利用砷化镓电子迁移率高、光电性能好的特点，使用砷化镓衬底制造的红外激光器、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，可用于人工智能、无人驾驶等应用领域。
砷化镓激光器图源：google
根据 Yole 预测，激光器是砷化镓衬底未来五年最大的应用增长点之一。
预计到2025年，全球激光器砷化镓衬底（折合二英寸）的市场销量将从2019年的106.2万片增长至330.3万片，年复合增长率为20.82%；预计到2025年，全球激光器砷化镓衬底市场容量将达到6,100万美元，年复合增长率为 16.82%。
说说GaAs RF PA
（砷化镓工艺的射频功率放大器）
先看一下基站 PA 领域用的砷化镓。
根据Yole Development的数据，LDMOS与氮化镓将呈现出此消彼长的关系，砷化镓则保持相对稳定的市场占有率。2025年，LDMOS占比将下降到 15%，氮化镓占比将上升到45%，而砷化镓占比约为40%。
手机领域的PA主要以硅（CMOS 工艺）和砷化镓为主。其中CMOS工艺 PA，具有成本优势，但是受限于产品性能和设计复杂性，一般主要应用于2G的手机终端。而3G、4G、5G的智能终端，目前还是以砷化镓PA为主。
随着移动通信向5G演进，2G面临退网，CMOS工艺PA市场空间会越来越压缩，将主要应用于低功耗物联网为代表的领域。
智能手机PA材料占比图源：google
手机前端砷化镓（GaAs）分为三类：HBT、pHEMT、MESFET。频谱范围：1GHz到100GHz，满足低频到高频应用。射频前端芯片产品中，射频PA采用HBT工艺，RF switch和LNA采用pHEMT工艺。
RF switch和LNA已转向SOI工艺，这是大势所趋。据悉，SONY关闭了pHEMT工艺线。SiGe抢食了一部分GaAs HBT份额，而且有扩大趋势。
手机射频前端架构及功能图源：国金证券研究所
CMOS已经抢走了低频GaAs HBT市场。随着5G的到来，Qorvo预测，8GHz以下砷化镓仍是主流，8GHz以上氮化镓替代趋势明显。氮化镓（GaN）作为一种宽禁带半导体，因具有高功率密度、能耗低、适合高频率、支持更宽带宽等特点，国际射频PA巨头已经在GaN上投入了巨额资金研究。
GaAs HBT工艺基于其稳定性与不错的性价比，未来将维持一定比重。作为射频PA的主流工艺，其研发工作仍在不断的进行中，必将拓展GaAs HBT的应用空间。GaAs pHEMT也是很好的工艺，如果能持续加以开发和利用，也会有不错的市场前景。
我们关心的国产化
砷化镓三大产业链环节，晶圆、晶圆制造代工、核心元器件环节，都以欧美、日本和台湾厂商为主导，中国企业起步晚，在产业链中话语权不强。
从竞争格局来看，GaAs器件市场参与者较多，多为美国、日本与台系厂商，其中美国厂商占据前三地位，Skyworks以30.7%的市占率成为行业领导者，其次为Qorvo（28%）与Avago（7.4%）。中国企业起步晚，在产业链中话语权较弱。
GaAs器件龙头公司Skyworks 图源：google
从全球GaAs晶圆代工角度看，据Strategy Analytics数据，全球GaAs器件市场主要参与者中，美国企业占全球市场份额的75%，占有明显优势。从 GaAs晶圆代工格局来看，台系厂商稳懋占龙头地位，市场份额达72.7%，GCS以约8.4%的市占率居于第二。
不过从晶圆、代加工、应用研发三个方面来看，已经有突破的迹象。
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