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5G和军工双轮驱动化合物半导体业爆发

发表时间:2018-09-21

随着2020年5G 步入商用,使物联网逐渐成为现实;以及国防信息化推进加速,化合物半导体将来爆发。

5G 有望在2020 年步入商业化,将使真正的“万物互联”成为现实无线移动通讯发展至今,已经实现了 4 代(1G-2G-3G-4G),每一代革新,都实现了更快的传输率、更宽的网络频谱、更灵活的通信方式、更高的智能、更高的通信质量。第五代移动通信(5G)传输速度可达 10Gbps,比 4G 网络的传输速度快十倍到百倍,解决海量无线通信需求,将实现真正的“万物互联”。用户体验速率达到 1Gbps,连接数密度为 106/km2,空口时延时 1ms,端与端时延为 ms量级,可靠性接近 100%,可以现实连续广域覆盖、热点高容量、低功耗大连接、低时延高可靠 5G 应用场景。目前包括 ITU、IEEE、3GPP 国际组织积极推进5G标淮落地,预计最快在2018年大家可以看到5G标淮雏形, 2020年 5G 标淮将落地。5G 已经成为通信领域里的重点研究对象,5G 标淮引爆全球群英战,美国率先完成 5G 频谱分配。在 5G 标淮制定中谁掌握话语权,将会在新一代移动通信技术革命中占据先机。按计划,中国将力争在 2020 年实现 5G网络商用。

国防信息化推进加速,带动雷达、军工通信与军工电子等万亿市场需求

国防信息化是现代战争的发展方向。军队通过信息化的整合实现一体化的作战能力:将目标探测跟踪、指挥控制、火力打击、战场防护和毁伤评估等功能实现一体化,将联合指挥中心和各军种之间的作战组织实现一体化。国防信息化产业链主要包括雷达、卫星导航、信息安全、军工通信与军工电子五大领域,据行业预测,国防信息化建设到 2025 年市场总规模有望达到 1.66 万亿元。其中,军用雷达达到 3776 亿元,国防信息安全建设达到 7320亿元,军工通信达到 308亿元。

5G、军工两轮驱动,带动上游化合物半导体国产化及需求

化合物半导体三大材料,第二代 GaAs 半导体相对最成熟,其中,用在移动通讯设备中占比为 71%,当前市场容量约为 82 亿美金,主要受益通讯射频芯片尤其是 PA驱动,随着 5G+军工驱动,大家预计 2020年将形成 132亿美金的市场容量;第三代半导体 SiC 半导体市场在 2016 年正式形成,当前市场容量约为 2 亿美金,作为大功率高频半导体在电动汽车大有可为,未来 10 年市场容量有望增至 20亿美金;第三代半导体 GaN半导体目前也处于发展阶段,为高温、高频、大功率器件首选材料之一,将广泛应用通讯、军工,当前市场容量约为 3亿美金,未来 10 年市场容量有望增至 30亿美金。涉及化合物半导体 A股上市企业三安光电(GaAs/GaN)、海特高新(GaAs/GaN)、扬杰科技(SiC);涉及化合物半导体非上市企业:中国电子科技集团(13所、46所、55所)。

1.5G蓄势待发,且为推动物联网关键技术

1.1. 5G 是实现物联网关键技术

无线移动通信每一代革新,都实现了更快的传输率、更宽的网络频谱、更灵活的通信方式、更高的智能、更高的通信质量。发展至今,已经实现了 4 代(1G-2G-3G-4G) 。无线移动通信最基本和最主要的一种是利用蜂窝网方式,由美国贝尔实验室等首先提出。该实验室在 1978年底研制成功先进移动电话系统(AMPS),并于 1983 年首次在芝加哥投入商用,标志着第一代蜂窝移动通信系统的诞生。第一代移动通信技术(1G)采用模拟式通信系统,将介于 300Hz 到3400Hz的语音转换到高频的载波频率MHz上,仅实现语音无法实现手机上网,最流行手机为大块头的摩托罗拉8000X,俗称大哥大。第二代移动通信(2G) 诞生于20世纪90年代初期, 从模拟调制进入到数字调制, GSM的网速仅有9.6KB/S,开启手机上网时代,同时 2G 帮助诺基亚掘起。第三代移动通信(3G)诞生于 21 世纪初期,以多媒体通信为特征,支撑高速数据传输,3G 将有更宽的带宽,其传输速度最低为 384K,最高为 2M,带宽可达 5MHz 以上。能够实现高速数据传输和宽带多媒体服务,是移动互联网变为现实。第四代移动通信技术(4G)诞生于 2010 年,标志着进入无线宽带时代,4G 是集 3G 与 WLAN 于一体,并能够传输高质量视频图像,能够以 100Mbps 的速度下载,上传的速度也能达到 20Mbps,并能够满足几乎所有用户对于无线服务的要求。第五代移动通信(5G)已经成为通信领域里的重点研究对象,传输速度可达 10Gbps,比 4G网络的传输速度快十倍到百倍,解决海量无线通信需求,将实现真正的“万物互联”。

移动通信发展,同步推动手机革新。从 1986 年的第 1 代移动网络到 2013 年的第 4 代移动网络,这短短的 26 年间大家见证了移动通信技术的突飞猛进,从大哥大到诺基亚手机,从 苹果 的诞生到 谷歌 Glass 的推出,这些设备给大家带来更好的体验,都在依赖移动网络的支撑。而 1G、2G、3G 以及现在的 4G 逐渐从简单的通话也已经转换为清晰语音、高质量图片视频传送技术发展,运营商的业务也开始发生了转变。而更高网速的 5G 也将诞生,未来翻天覆地的移动通信将彻底改变大家的生活。

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5G网络功能升级将使“万物互联”成为现实。5G将采用包括大规模天线阵列、超密集组网、新型多址、全频谱接入和新型网络架构在内的一组关键技术,以满足各种场景的差异化需求。根据 IMT-2020(5G)推进组发布《5G 网络架构设计》白皮书,5G 关键性能指标主要包括用户体验速率、连接数密度、端到端时延、流量密度、移动性和用户峰值速率,其中,用户体验速率、连接数密度和时延为 5G 最基本的三个性能指标。从移动互联网和物联网主要应用场景、业务需求及挑战出发,可归纳出连续广域覆盖、热点高容量、低功耗大连接和低时延高可靠四个 5G 主要技术场景。 连续广域覆盖和热点高容量场景主要满足 2020年及未来的移动互联网业务需求,也是传统的 4G主要技术场景。

低功耗大连接和低时延高可靠场景主要面向物联网业务,是 5G 新拓展的场景,重点解决传统移动通信无法很好支撑地物联网及垂直行业应用。

1)连续广域覆盖:为移动通信最基本的覆盖方式,以保证用户的移动性和业务连续性为目标,为用户提供无缝的高速业务体验。该场景的主要挑战在于随时随地(包括小区 边缘、高速移动等恶劣环境)为用户提供 100Mbps 以上的用户体验速率。

2)热点高容量:场景主要面向局部热点区域,为用户提供极高的数据传输速率,满足网络极高的流量密度需求。1Gbps 用户体验速率、数十 Gbps峰值速率和数十 Tbps/km2 的流量密度需求是该场景面临的主要挑战。

3)低功耗大连接:场景主要面向智慧城市、环境监测、智能农 业、森林防火等以传感和数据采集为目标的应用场景,具 有小数据包、低功耗、海量连接等特点。这类终端分布范围广、数量众多,不仅要求网络具备超千亿连接的支撑能 力,满足 100万/km2 连接数密度指标要求,而且还要保证 终端的超低功耗和超低成本。

4)低延时高可靠:场景主要面向车联网、工业控制等垂直行业 的特殊应用需求,这类应用对时延和可靠性具有极高的指 标要求,需要为用户提供毫秒级的端到端时延和接近 100% 的业务可靠性保证。

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1.2. 物联网前景广阔,5G将有望 2020年进入商业化


移动互联网和物联网是未来移动通信发展的两大主要驱动力,将为 5G 提供广阔的前景。移动互联网颠覆传统移动通信业务模式,为用户提供前所未有的使用体验,深刻影响着人们工作生活的方方面面。面向 2020 年及未来,移动互联网将推动人类社会信息交互方式的进一步升级,为用户提供增强现实、虚拟现实、超高清(3D)视频、移动云等更加身临其境的极致业务体验。移动互联网的进一步发展将带来未来移动流量超千倍增长,推动移动通信技术和产业的新 一轮变革。 物联网扩展了移动通信的服务范围,从人与人通信延伸到物与物、人与物智能互联,使移动通信技术渗透至更加广阔的行业 和领域。面向 2020 年及未来,移动医疗、车联网、智能家居、工业控制、环境监测等将会推动物联网应用爆发式增长,数以千亿的设备将接入网络,实现真正的“万物互联”,并缔造出规模空前的新兴产业,为移动通信带来无限生机。同时,海量的设备连接和多样化的物联网业务也会给移动通信带来新的技术挑战。

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面向 2020年及未来,移动数据流量将出现爆炸式增长。预计 2010 年到 2020年全球移动数据流量增长将超过 200倍,2010 年到 2030 年将增长近 2 万倍;中国的移动数据流量增速高于全球平均水平,预计 2010 年到 2020 年将增长300倍以上,2010 年到 2030 年将增长超 4万倍。发达城市及热点地区的移动数据流量增速更快,2010 年到 2020年上海的增长率可达 600倍,北京热点区域的增长率可达 1000 倍。

未来全球移动通信网络连接的设备总量将达到千亿规模。预计到 2020 年,全球移动终端(不含物联网设备)数量将超过 100 亿,其中中国将超过 20亿。全球物联网设备连接数也将快速增长,2020年将接近全球人口规模达到 70亿,其中中国将接近 15亿。到 2030年,全球物联网设备连接数将接近 1千亿,其中中国超过 200 亿。在各类终端中,智能手机对流量贡献最大,物联网终端数量虽大但流量占比较低。

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5G标淮加速推进,2020年有望进入商业化。目前包括 ITU、IEEE、3GPP 国际组织积极推进 5G 标淮落地,预计最快在 2018 年大家可以看到 5G 标淮雏形,2020 年 5G 标淮将落地。1)ITU 于 2015 年启动 5G 国际标淮制定的淮备工作,首先开展 5G 技术性能需求和评估方法研究,明确候选技术的具体性能需求和评估指标,形成提交模板;2017年 ITU-R发出征集 IMT-2020 技术方案的正式通知及邀请函,并启动 5G候选技术征集;2018年底启动 SG 技术评估及标淮化;计划在 2020年底形成商用能力。2)作为 IEEE 3G/4G 淮的制定机构,IEEE 802 标淮委员会结合自身优势,积极推进下一代无线局域网标淮(IEEE 802.11ax)研制,并希翼将其整合至 5G 技术体系 。3)从 2015 年初开始,3GPP 已启动 5G相关议题讨论,初步确定了 5G 工作时间表3GPP 5G 研究预计将包含 3 个版本:R14、R15、R16。R14 主要开展 5G 系统框架和关键技术研究;R15 作为第一个版本的 5G 标淮,满足部分 5G 需求,例如 5G 增强移动宽带业务的标淮;R16 完成全部标淮化工作,于 2020年初向 ITU提交候选方案。

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5G标淮引爆全球群英战,美国率先完成 5G频谱分配。韩国、欧盟、日本和美国都开始启动 5G 商用机会,在 5G标淮制定中谁掌握话语权,将会在新一代移动通信技术革命中占据先机。其中,韩国将于 2018 年年初开展 5G预商用试验支撑平昌冬奥会,计划到 2020年年底实现 5G商用;欧盟 5G PPP 预计在 2018年启动 5G技术试验;日本计划在2020 年东京奥林匹克运动会之前实现 5G 商用,当前 NTT DoCoMo 正在组织 10 多家主流企业验证 5G 关键技术,进行关键技术及频段的筛选;美国运营商 Verizon 成立 5G 技术论坛,并计划于 2016 年启动 5G 外场试验。其中,美国联邦通信委员会(FCC)针对 24 GHz以上频谱用于无线宽带业务宣布了新的规则和法令,美国成为全球首个宣布将这些频谱用于5G 无线技术的国家:2016年 7 月 15日,美国联邦通信委员会(FCC)将为 5G 网络分配频率资源。FCC最新的法令开放了近 11 GHz 可灵活用于移动和固定无线宽带服务的高频段频谱,其中包括 3.85 GHz 授权频谱和 7 GHz 未授权频谱。这些被其定义为可用于 Upper Microwave Flexible Use 服务的频谱具体分布在 28 GHz(27.5-28.35 GHz)、37 GHz(37-38.6 GHz)、39 GHz(38.6-40 GHz)和一个新的 64-71 GHz 未授权频段。此外,FCC还将继续寻求关于 95 GHz以上频段的使用意见。

我国 5G试验分两步实施,建立中国在 5G产业主导权。我国 5G试验分为两步实施:从 2015 年到 2018年进行技术研发试验,由中国信息通信研究院牵头组织,运营企业、设备企业及科研机构共同参与;从 2018 年到 2020年进行产品研发试验,由国内运营企业牵头组织,设备企业及科研机构共同参与。中国这次在 5G 时代的话语权有望超越以往,在 2G 跟随、3G 突破、4G 引领发展之后,中国移动通信技术在 5G 时代将成为引领者。按计划,中国将力争在2020年实现 5G网络商用。目前正在工信部统一领导下,依托 IMT—2020(5G)推进组,开展 5G技术研发试验。HUAWEI和中兴两家企业都是中国 IMT—2020(5G)推进组的核心成员。HUAWEI积极参与欧盟主导的 5G项目,也是英国 5GIC创始成员和日本 5GMF 的重要成员。在推动全球 5G 产业进程上,HUAWEI与运营商进行了广泛对话,并与中国移动、日本 NTT DoCoMo、欧洲沃达丰、德电、西班牙电信企业等全球领先运营商就 5G展开联合创新和技术验证。中兴通讯担任了 IMT—2020 IEEE 工作组主席、IMT—2020 网络技术工作组的副主席等重要席位,并牵头了多个子工作组的研究工作,投身于 5G 无线关键技术及下一代网络架构的研究工作。去年,中兴通讯加入欧盟 H2020 计划,致力 5G 创新研究。除了被德国电信列入首批 5G创新实验室合作伙伴名单,目前中兴通讯已经与中国移动、日本软银、韩国 KT、马来西亚 U Mobile等多家高端运营商展开 5G的研发与合作。

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2. 国防信息化推进加速,带动雷达、军工通信与军工电子等万亿市场需求

国防信息化是现代战争的发展方向。所谓国防信息化,是为了适应现代战争特别是信息化战争发展的需要而建设的国防信息体系。最终目标为实现军队的全面信息化,提高军队的核心战斗力。军队通过信息化的整合实现一体化的作战能力:将目标探测跟踪、指挥控制、火力打击、战场防护和毁伤评估等功能实现一体化,将联合指挥中心和各军种之间的作战组织实现一体化。国防信息化产业链主要包括雷达、卫星导航、信息安全、军工通信与军工电子五大领域。

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中国国防信息化建设持续加速,未来 10年市场总规模有望达到 1.66 万亿元。2014年中国国防装备领域投入约 2586 亿元,其中国防信息化开支约 750 亿元,;2015 年国防装备总支出约 2927 亿元,其中国防信息化开支约 878 亿元,同比增长17%,占比为 30%。据预测,2025年中国国防信息化开支将增长至 2513 亿元,年复合增长率 11.6%,占 2025年国防装备费用(6284 亿元)比例达到 40%。未来 10年国防信息化总规模有望达到 1.66万亿元。


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军民两大体系助推国防信息化产业发展。中国军工体系分为国防科工体系和社会经济体系,两大体系相互融合助推国防信息化产业发展。国防科工体系主要由十大军工集团组成,负责重点军工型号的总体研发和整机制造,构成产业链的下游;社会经济体系由装备制造企业、原材料供应商、基础件制造商、高校/科研院所、信息化硬件厂商、信息化App厂商组成,构成产业链的上游。两大体系共同实现了对雷达、卫星导航、军工通信、军工电子及信息安全五大细分领域的全面覆盖,助推国防信息化产业加速发展。

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中国军用雷达市场高速增长, 2025 年市场总规模有望达到 3776亿元。 我国军用雷达市场已迈入高速增长阶段,预计 2014年国内军用雷达市场空间达 173 亿元,2015 年增长到 200 亿元,同比增长 15.7%。据预测,2025 年军用雷达市场规模有望达到 573 亿元,年复合增长率高达 11.5%,未来十年军用雷达市场总规模将达到 3776亿元。

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中国正大幅加速国防信息安全建设,2025年市场总规模达到 7320亿元。面对国防信息安全的严峻局势,本世纪伊始中国决策层已对信息安全问题有所察觉,并开始从需求和供给两方面出台系列政策以加强信息安全建设。

2014年 2月 27日,中央网络安全和信息化领导小组宣告成立,标志着信息安全已经上升至国家战略高度,国防信息安全建设有望大幅提速。大家预测,中国信息安全市场规模将由 2015 年的 2367亿元增长至 2025年的 7320亿元,十年增长两倍,复合增长率达 11%。

中国军工通信差距较大,系统建设步入快车道,2025 年市场总规模达 308 亿元。中国军工通信系统与发达国家存在较大差距。以卫星通信为例,美国及北约军事卫星承担军用通信近 85%的通信量,我军则不足 5%。相较于发达国家对军工通信系统建设高达国防开支 5%的投入,我国军工通信系统建设开支仅占国防经费 2%以下。受益于国防信息化战略的推进,军工通信系统必将步入快速建设阶段。据预测,中国军工通信市场将由 2015 年的 100 亿元增至 2025 年的 308亿元,复合增长率达到 11.9%,10年增长 2倍。

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大家根据中国军工研究院所主营业务,重点梳理了雷达、军工通信、军工电子三大领域涉及到的军工研究所院所。其中,雷达无线电类涉及集团和院所为中国电子科技集团(14所、20所、22所、27所、29 所、38 所、39所、51所、41所),中国行业工业集团(607 所、612 所),中国航天科技集团(802 所),中国船舶重工集团(707 所、724 所),中国电子信息产业集团(206所);军工通信涉及集团和院所为中国电子科技集团(7所、8所、16所、23所、28所、30 所、34所、36所、50所、54所),中国航天科技集团(13 所),中国航天科工集团(23所、203所、35所),中国船舶重工集团(715 所、722所),中国电子信息产业集团(205集团);军工电子涉及集团和院所为中国电子科技集团(2所、9所、10 所、13所、15 所、24所、26所、32 所、43所、44所、45 所、46 所、47所、48所、55所、58 所),中国航天科技集团(503所、513所、771所、772 所),中国电子信息产业集团(214 所),中国兵器装备集团(208所)。

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3.5G、军工两轮驱动,带动上游化合物半导体国产化及需求

半导体材料是制作半导体器件和集成电路的电子材料,是半导体工业的基础。随着新的半导体材料出现、电力电子技术进步与制作工艺的提高,半导体在过去经历了三代变化。第一代半导体为硅(Si) ,第二代为砷化镓(GaAs) ,第三代半导体为碳化硅(SiC)、氮化镓(GaN)。由于硅基功率器件的性能已逼近甚至达到了其材料的本征极限,宽禁带功率半导体器件与传统 Si 基功率半导体器件相比较,其材料特性主要表现在:宽能带、高饱和速度、高导热性和高击穿电场等,使得其在未来 5G、军工等相关领域应用广泛。同时随着 5G、军工双轮驱动,将带动上游化合物半导体国产化及需求。

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3.1. GaAs:受益 5G通讯/军工发展及国产替代必要性,国内机会应运而生

砷化镓(Ga As)是由元素周期表中 III 族元素镓与 V 族元素砷人工合成的半导体化合物,与半导体材料硅相比,它具有高禁带宽度、高电子迁移率、能带结构为直接跃迁型、耐高温以及抗辐射性强等优势,具有十分广泛的应用。目前较为成熟的砷化镓晶体生长方法有水平布里支曼法(HB)、砷泡控制砷压注入合成法及直接高温高压合成法等。制备得到的砷化镓单晶经过切割、打磨及抛光等工序就可进一步通过微纳加工方法制造各种发光器件、光探测器、集成电路。

砷化镓主要用于微波功率器件,即工作在微波波段(频率 300-300000MHz 之间)的半导体器件。由于 Si 在物理特性上的先天限制,仅能应用在 1GHz 以下的频率。然而近年来由于无线高频通讯产品迅速发展,使得具备高工作频率、电子迁移速率、抗天然辐射及耗电量小等特性的砷化镓脱颖而出,在微波通讯领域大规模应用。

3.1.1. 砷化镓半导体为射频通讯核心,无线通讯推动砷化镓半导体市场快速发展

由于砷化镓高频传输的特性,可以应用在移动设备、网络基础设备、国防与航空航天。其中移动设备占比为 71%,智能手机增长迅速。除了在手机应用中飞速成长外,平板电脑、笔记本电脑中搭载的 WiFi模组、固定网络无线传输,以及光纤通讯、卫星通讯、点对点微波通讯、有线电视、汽车导航系统、汽车防撞系统等,也分别采用 1-4 颗数量不等的功率放大器,这都是推动砷化镓成长的强大动力。

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根据 Strategy Analytics 调查数据,2014年全球 GaAs 元器件市场总产值为 74.3 亿美金,较 2013年 64.7亿美金成长 14.8%。随着通讯 4G/5G推动,大家按照每年 10%的增长,预计 2020 年砷化镓微波功率半导体实现规模将达到 132亿美金。

智能手机内部的芯片主要由基带、AP、射频芯片、连接芯片和存储芯片构成,其中,基带和射频是实现 2/3/4G蜂窝通讯功能核心的两大芯片。手机前端由功率放大器、滤波器、双工器及天线开关组成。在手机无线网络中,系中的无线射频模组必定含有两个关键的砷化镓半导体零组件:以 HBT 设计的射频功率放大器(RF PA)和以 PHEMT设计的射频开关器传统的 2G 手机中,一般需要 2 个功率放大器(PA),另外 2G手机只有一个频段,噪声要求低,使用 1个射频开关器。到了 3G 时代,一部手机平均使用 4 颗 PA。3.5G手机平均使用 6颗 PA,使用 2个射频开关器。

4G/5G 通讯成砷化镓微波芯片重要成长动能。2014年,智能手机正式进入 4G 时代,平均使用 7颗 PA,4 个射频开关器。4G 的射频通信需要用到 5 模 13 频,多模多频的砷化镓前端放大器模块及在“频”和“模”之间切换的射频开关器不可或缺。目前,单部 4G 智能手机仅达到标淮的通信效果,就至少需要 5 颗以上的砷化镓功率放大器,此外智能手机中的卫星定位功能也需要用到 1颗功率放大器,4G 智能手机支撑的无线局域网通信(WLAN)也需要至少 1颗功率放大器。下一代 5G技术,其传输速度将是现行 4G LTE 的 100倍,目前只有砷化镓功率放大器可以实现如此快速的资料传输。

频段数量增加,推动前端射频数量增长。射频前端与移动设备支撑的频段数量成正比关系:伴随手机支撑的频段越来越多,射频前端数量也随手机支撑频段数量的增加线性增加。

2015 年,平均每台手机应用到的频段数量为 9.15 个,相对 2011 年的 4.18 个翻了一倍多。大家预计到 2020 年,平均每台手机应用到频段数将达到 16.44 个。同时,对应智能手机射频前端总价格在 9 美金左右,到 2020 年射频前端价值将增至 16 美金。

2G-3G-4G 手机单机 PA 价值量增长迅速。 一个 2G 手机单机 PA 价值量为 0.3 美金;3G 手机单价价值量为 1.25美金,普通 4G手机单机 PA价值量为 2美金,而全频 4G 手机单价价值量高达 3.25 美金,手机更新换代带动 PA价值量迅速增长。

在 PA领域,一直存在硅基 CMOS PA与砷化镓 PA之争。2013年上半年高通推出 CMOS 功率放大器解决方案开始打入低端智能手机供应链,但是由于硅材料物理性能限制,无法应用于高频领域。因此,虽然硅材料较砷化镓有成本优势,但是,高端市场并不会受到影响,砷化镓材料在功率放大器市场仍有 85%的市占率。

根据全球市场研究机构 TrendForce 报告显示,2015 年全球智能手机出货量为 12.93 亿部,年增长 10.3%,其中来自中国地区的手机品牌合计出货量高达 5.39 亿部,占全球比重超过四成;对应的 2015 年全球射频前端市场为 116 亿美金,大家按照 2020 年全球手机出货量 20亿台计算,对应的全球射频前端市场为 320亿美金。2015 年度全球手机砷化镓元件需求接近 135 亿颗,国内手机砷化镓元件市场需求量超过 49亿颗。未来随着 4G 手机渗透率不断提升,手机用砷化镓元件还将不断增长;而随着 2020年之后 5G 的普及,手机用砷化镓元件市场需求还将继续提升。

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3.1.2. 国外 IDM 厂商抢占砷化镓半导体市场先机

砷化镓半导体的制造流程与硅相似,从上游材料、IC 设计、晶圆代工到封装测试,完成砷化镓半导体制造的全部产业链。与硅材料大规模集成电路制造不同,砷化镓微波功率半导体多为分立器件,制造工艺相对简单。另一方面,由于材料性能差异大,晶圆制造的设备及工艺与硅有极大的不同,主要难点在外延片的生产,通过拉单晶形成GaAs晶棒,然后通过复杂工艺形成 GaAs晶圆,在MOCVD 设备中长成GaAs外延片晶圆。

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砷化镓半导体产业参与者多为国外 IDM厂商。据 Strategy Analytics 统计,2014 年全球 GaAs 元器件市场总产值为 74.3 亿美金,其中 Skyworks、 Qorvo (2014 年由 RFMD 和 TriQuint 合并而来)、 Avago 三大 IDM 厂商占据 GaAs 元器件市场达到 63.50%。而占据总市场规模 4.4%的纯代工企业稳懋即占据了 GaAs 元器件市场代工市场近 60%的份额。砷化镓材料现在正处于发展阶段,目前全球砷化镓微波功率半导体领域参与者数量远远小于硅,市场分布较为均衡。IDM厂商毛利率达40%,RFMD(Qorvo)为原诺基亚PA 供货商,毛利率低于同行业平均水平。

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3.2. SiC:市场已正式形成,未来在电动汽车中将大有可为

由于硅基功率器件的性能已逼近甚至达到了其材料的本征极限,研究人员早在 19 世纪 80 年代就把目光转向宽禁带半导体器件,如碳化硅(SiC) 、氮化镓(GaN)等。宽禁带功率半导体器件与传统 Si 基功率半导体器件相比较,其材料特性主要表现在:宽能带、高饱和速度、高导热性和高击穿电场等。使 SiC 功率半导体器件具有如下 Si 基器件无可比拟的电气性能。

1)耐压高。临界击穿电场高达 2 MV/cm(4H-SiC),因此具有更高的耐压能力(10 倍于 Si)。SiC器件的阻断电压可达几千伏,这为其在电气化铁路、电力系统等方面的应用创造了条件。目前商业化的阻断电压己达到 1700V。

2)散热容易。由于 SiC 材料的热导率较高(3倍于 Si),散热更容易,器件可工作在更高的环境温度下。有报导,SiC 肖特基二极管在 361 ℃的工作结温下正常工作超过 1 小时。

3)导通损耗和开关损耗低。SiC 材料具有两倍于 Si 的电子饱和速度,使得 SiC 器件具有极低的导通电阻(1/100 于 Si),导通损耗低;SiC 材料具有 3 倍于 Si 的禁带宽度,泄漏电流比 Si 器件减少了几个数量级,从而可以减少功率器件的功率损耗;关断过程中不存在电流拖尾现象,开关损耗低,可大大提高实际应用的开关频率(10 倍于 Si)。

SiC 功率器件这些性能,可以满足电力电子技术对高温、高功率、高压、高频及抗辐射等恶劣工作条件的新要求,其在电动汽车、空间探测、军工设备及电力系统等领域有着十分光明的应用前景。迄今为止,SiC 功率开关器件主要类型有 SiC SBDs(肖特基二极管)、SiC BJTs(双极型晶体管)、SiC JFETs(结型场效应管)、SiC MOSFETs(绝缘栅型场效应管)和 SiC IGBTs(绝缘栅双极晶体管)。其中, SiC SBDs、 SiC MOSFETs 和 SiC JFETs 最具市场竞争力, SiC SBDs 由于具有较小的反向恢复电流和成本适中,已经在部分电动汽车变换器中得到了应用。

碳化硅器件的发展历史:从 SiC 器件出现至今,这种宽禁带半导体器件已经发展了 20 年,开始逐步进入市场并被工程技术人员认可。 1992 年,美国北卡州立大学就在全世界首次成功研制阻断电压 400 V 的 6H-SiC SBDs, 2001 年 Infineon 生产出全球第一款 SiC SBDs,现已开始商业化还有 Cree、Microsemi、Rohm 等企业产品。1993 年,首次出现了 SiC MOSFETs 的报导,到 2010 年,已经陆续有 SiC 功率开关管器件的系列产品成功量产。 2011 年初 Cree 企业终于将 4H-SiC MOSFETs 器件(1 200 V/80 m欧姆)推向市场,耐压等级分别为 600 V/1 200 V/1 700 V。接着, 2012 年 3 月 Rohm 企业正式推出了备受期待的全碳化硅功率模组,继而又正式将适用于工业装臵的变流器的 SiC MOSFETs 模组(SiC MOSFETs+SiC SBDs,额定规格 1 200 V/180 A)投入量产。

碳化硅功率元件市场在 2016 年正式形成,当前市场约为 2 亿美金,未来 10 年将有望超 20 亿美金。国际市场调研机构 IMS Research 报告显示,2015 年会是 SiC 发展的一个拐点,SiC 在功率器件上的应用会起到主导作用。未来的 10 年,这一市场份额将增长 20 倍,其中混合电动汽车、纯电动汽车是主要的驱动力,此外马达驱动、风能、太阳能等对 SiC 需求都会快速增长。SiC功率元件市场在 2016年正式形成, 2015 年全球 SiC 功率半导体市场仅为约 2 亿美金,规模尚小,其应用领域也主要在电力供应、太阳能逆变器等领域。而未来,随着新能源汽车和工业电机不断采用 SiC 材料,在未来 10 年的维度内,SiC 半导体市场容量有望超过 20 亿美金。目前全球 SiC 半导体市场处于绝对领先的企业是 Cree,占据了 85%以上的市场份额。

SiC 半导体潜在应用领域较为广泛,对新能源汽车、轨道交通、智能电网和电压转换等领域都具有重大意义。随着下游行业对半导体功率器件轻量化、高转换效率、低发热特性需求的持续增加,SiC在功率器件中取代 Si 成为行业发展的必然。据 Yole Developpement 估计,2013~2022 年间 SiC功率半导体市场规模的年均复合增速预计将达到 38%。随着 SiC 产量的快速提升,其生产成本将不断下降, 优异的性能将使得 SiC 在功率器件领域逐步实现对 Si 半导体的替代。

碳化硅器件在电动汽车中应用显著。SiC 器件可以显著减小电力电子驱动系统的体积、重量和成本,提高功率密度,使其成为 HEV电力驱动装臵中的理想器件,也必将为电动汽车的动力驱动系统带来革命性的改变。

1)可显著减小散热器的体积和成本。理论上,SiC 功率器件可在 175℃结温下工作,因此散热器的体积可以显著减小。SiC 功率器件的高导热性也使风冷在未来的中、大功率电动汽车中成为可能。

2) 可以减小功率模块的体积。由于器件电流密度高(如 Infineon 产品可达 700 A/cm2),在相同功率等级下,全 SiC 功率模块 的封装尺寸显著小于 Si IGBT 功率模块。

3)可以提高系统效率。与传统硅 IGBT 相比,SiC 器件的导通电阻较小导通损耗下降;特别是 SiC SBDs,具有较小的反向恢复电流,开关损耗大幅降低提高。

在国家政策支撑下,国内新能源汽车销量快速增长。根据工信部数据显示, 2015 年累计生产新能源汽车 37.90 万辆同比增长 4 倍,销售 33.11 万辆,同比增长 3.4 倍,在全球新能源汽车超过 50 万辆的年销量中,中国市场的贡献超过一半。政策规划 2020 年累计销量达 500 万辆,复合增速 50% 以上:《节能与新能源汽车产业发展规划(2012-2020 年)》指出 2020 年新能源汽车累计销量达到 500 万辆;同时,2015 年国务院下发《中国制造 2025》明确提出到 2020 年我国自主品牌新能源汽车年销量突破 100 万辆,在国内市场占 70%以上,新能源汽车销量达到145 万辆以上。

依据产业调研情况,在新能源汽车领域,充电桩需要 SiC 功率器件 6 只,单价在 40-80 元,总价值量为 200-500元;新能源汽车大约需要 SiC功率器件 6只,单价在 40-80,总价值量在 500-1000元。按照 2020年,中国新能源汽车年保有量 500 万量计算,分散式充电桩保有量 480 万个。到 2020 年仅新能源汽车贡献的 SIC 潜在市场空间就超过百亿元。

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3.3. GaN:性能更强,半导体材料中的新贵

Ga N 是新一代的宽禁带半导体材料,其禁带宽度几乎是 Si 的 3 倍、Ga As和的 2倍,临界击穿电场比 Si、Ga As大一个数量级,并具有更高的饱和电子迁移率和良好的耐温特性。它具有和 Ga As 几乎相近的频率特性。由于其特有的压电效应与自发极化的存在,它的二维电子气浓度比 Ga As 要高出一个数量级,所以具有很高的电流密度。由于氮化镓具有禁带宽度大、击穿电场高、饱和电子速度大、热导率高、介电常数小、化学性质稳定和抗辐射能力强等优点,成为高温、高频、大功率微波器件的首选材料之一。

Al Ga N/Ga N HEMT 具有显著的电子迁移速度。通常 Al Ga N 作为势垒层,Ga N 作为沟道层,Al Ga N 层向 2DEG 层提供电子。因为 Ga N 能量相对要低一些,Al Ga N 层多余的电子会向邻近的禁带较低的 Ga N 层扩散。扩散的电子在它们扩散的反方向上产生一个电场,扩散电子和漂移电子趋于动态平衡,最终产生了类似于 PN 结的一个结构,落在没有掺杂的 Ga N 层上的电子,形成了二维电子气。2DEG 在垂直于异质结方向上会被紧紧限制住,只能在与之平行的方向上自由运动。在 HEMT 中的 2DEG 相比于 MOSFET 和 MESFET 场效应管,最显著的优势是具备更高的电子迁移速度。 Al Ga N/Ga N 这种结构不仅得益于高的电子迁移速度(~2000cm2/V? s),还有高的 2DEG 密度(~1013/cm2)。

GaN 器件发展历史:在氮化镓器件研究初期,晶体合成困难。1986 年,日本的赤崎勇开发了“低温堆积缓冲层技术”可以获得用于半导体元件的高品质氮化镓。由于带隙覆盖了更广的光谱范围,用氮化镓制造的高亮度 LED、绿色 LED、蓝光光盘产品应用与商业领域。从 1993 年开始,利用二维电子气氮化镓能达到更高的迁移率,适合砷化镓所不能达到的高频动作。采用氮化镓的高频晶体管开始用在移动通信站、通信卫星、雷达等领域。到了 2000年前后,硅制功率元件已经普及,之前利用蓝宝石基板的氮化镓类功率元件价格高,很难进入商业领域。这时开始采用硅基板,但制造成本依然很高。主要是应用于 ICT 设备、工业设备和汽车电子等领域的小型电源组件。未来有望采用氮化镓基板,获得高品质化、具有较高价格竞争力的氮化镓功率器件。自 2013 年开始,随着技术积累逐渐完成,氮化镓民用市场开始起步。

各国政策的大力推进下,国际半导体大厂纷纷将目光投向氮化镓功率半导体领域。随着 Si材料达到物理极限,在摩尔定律驱动下寻求下一个替代者刻不容缓,氮化镓因各方面优异的电学性能被认为是未来半导体材料的首选。传统半导体厂商关于氮化镓器件的收购和合作、许可协议不断发生,氮化镓功率半导体已经成了各家必争之地。美国和欧洲分别于 2002年和 2007年启动了氮化镓功率半导体推动计划,并且在 2007年首次在 6寸硅衬底上长出了氮化镓,自此从应用角度开始了氮化镓功率半导体推进。2013 年出现通过了 JEDEC 质量标淮的硅基氮化镓功率器件,同年中国科技部推出了第三代半导体 863计划。

GaN 应用领域包括军事和宇航、无线基础设施、卫星通信、有线宽带,以及其它 ISM 频段应用。GaN 最初是为支撑政府军事和太空项目而开发,但已得到商业市场的完全认可和应用,在无线基础设施领域的应用已超越国防应用,市场占比超过 GaN 市场总量的一半以上。随着对数据传输及更高工作频率和带宽需求的增长,2016~2022 年无线基础设施领域的 CAGR将达到 16%。在未来的网络设计中,如载波聚合和大规模 MIMO 等新技术的发展应用,将使 GaN比现有横向扩散金属氧化物半导体(LDMOS)更具优势。 但与此同时,国防领域仍将是 GaN 不可忽视的重要应用市场,并保持稳定增长。GaN 在国防领域的应用主要包括 IED干扰器、军事通讯、雷达、电子对抗等。GaN 将在越来越多的国防产品中得到应用,充分体现其在提高功率、缩小体积和简化设计方面的巨大优势。 GaN 领域的企业包括美国的美高森美(Microsemi)、M-A/COM、Qorvo、雷声、诺格、Wolfspeed、Anadigics,荷兰 Ampleon 和恩智浦(NXP),德国 UMS,韩国 RFHIC,日本的三菱(Mitsubishi)和住友(Sumitomo)。(注:科锐Cree2015 年 9月 3 日宣布将把旗下的功率和射频部门更名Wolfspeed)。

据 Yole预测,2016~2020年 GaN 射频器件市场将扩大至目前的 2倍,市场复合年增长率(CAGR)将达到 4%;2020年末,市场规模将扩大至目前的 2.5 倍。2015年,受益于中国 LTE 网络的大规模应用,带来无线基础设施市场的大幅增长,有力地刺激了 GaN 射频产业。2015年末,整个 GaN射频市场规模接近 3亿美金。2017~2018 年,在无线基础设施及国防应用市场需求增长的推动下,GaN 市场会进一步放大,但增速会较 2015年有所放缓。2019~2020 年,5G 网络的实施将接棒推动氮化镓市场增长。大家预计到未来 10年,氮化镓市场将有望超过 30亿美金。



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