Si 是應用最廣泛的半導體材料，但無法突破高溫、高功率、高頻等瓶頸。二元系化合物半導體材料GaAs/GaN/SiC 具備高功率密度、低能耗、抗高溫、高發光效率等特性，能彌補 Si 材料的不足，在射頻、功率器件、光電子及國防軍工等應用領域優勢顯著。本文全面介紹了GaAs/GaN/SiC的技術優勢和在5G、新能源汽車等各個新興領域的應用。
1. 化合物半導體性能優勢顯著，有望迎來快速滲透
1.1 GaAs/GaN/SiC 優勢顯著，應用領域定位不同
常用的半導體材料分為元素半導體和化合物半導體。元素半導體是由單一元素製成的半導體材料。主要有矽、鍺、硒等，以矽、鍺應用最廣。化合物半導體分為二元系、三元系、多元系和有機化合物半導體。二元系化合物半導體有Ⅲ-Ⅴ族（如砷化鎵、磷化鎵、碳化矽等）。
矽（Si）是較早且也是應用最為廣泛的半導體材料。最早半導體電晶體採用的是鍺（Ge）基材料， 但是由於 Ge 儲量少、提純難度大等原因，逐步被 Si 所替代。Si 因為儲量豐富、技術成熟、成本 低等特點，成為應用最廣的半導體材料，目前廣泛被應用在各類分立器件和集成電路、電子信息網絡工程等領域，但是在高頻、高溫、高壓、光學等應用領域，二元系化合物半導體材料則更具優勢。
二元系化合物半導體材料 GaAs/GaN/SiC 具備高功率密度、低能耗、抗高溫、高發光效率等特性， 在射頻、功率器件、光電子及國防軍工等應用領域優勢顯著。
GaAs 是較為重要、技術成熟度最高的化合物半導體材料之一。相比 Si，GaAs 材料具備禁帶寬度 大、電子遷移率高的特性，能顯著降低射頻尺寸、降低功耗，也具備成本優勢。相比於 GaN 和 SiC 等新興的二元系化合物半導體材料，GaAs 技術成熟，具備較為明顯的成本優勢。GaAs 廣泛應用在射頻和光電子領域。
GaN 作為一種寬禁帶半導體，因具有高功率密度、能耗低、適合高頻率、支持更寬帶寬等特點， 主要用於微波射頻、電力電子和光電子等領域。微波射頻方向主要為 5G 通信和衛星通訊等應用；電力電子包括消費電子快充、新能源汽車等應用；光電子方向主要為 LED 等領域。目前 GaN 技術仍在快速發展階段，成本相對較高。
SiC 有較高的載流子遷移率，能夠提供較高的電流密度，且耐高溫、耐高壓，因此常被用來做功率器件。SiC 在電壓 600V 及以上的高功率領域具有優勢。與 GaN 類似，SiC 技術也在快速發展階段，成本相對較高。
GaAs/GaN/SiC 應用領域不同。GaAs 是當前應用最廣泛的射頻材料，被廣泛應用在射頻、無線通 信以及特種應用上。GaAs 應用的工作頻率主要在 8G Hz 以內，適合中低功率器件，例如微基站和 手機射頻材料。而高功率射頻方向，GaN 具備明顯優勢，是 5G 宏基站的必備材料，此外，GaN作為快充材料，能顯著降低充電器尺寸，並降低功耗，目前在手機快充中快速滲透。SiC 是功率器件的理想材料，尤其在耐高壓方面（＞600V），性能優勢顯著，廣泛應用於新能源汽車、電力設備等領域。
1.2 技術成熟&成本下降，SiC/GaN 有望加速滲透
SiC/GaN 技術穩步提升，產品供應迅速上量。襯底及外延方面，6 英寸 SiC 產品已實現量產，並已完成 8 英寸襯底的研發；SiC 基 GaN 外延材料 4 英寸與 6 英寸共存，Si 基 GaN 外延主流尺寸為 6 英寸，未來 6 英寸的 SiC 基 GaN 和 8 英寸的 Si 基 GaN 為主要發展趨勢。
根據 CASA 報告顯示，2019 年各廠家在售的各類 SiC/GaN 產品種類較 2017 年增加了 6 成，僅2019 年就新增了 321 款新品。SiC 電力電子器件已覆蓋大部分應用需求，功率模塊新品推出加速，2019 年推出模塊新品數量佔新品總數一半以上；GaN 功率器件性能逐步提升，射頻器件供應上量。
SiC/GaN 器件價格持續下滑。總體來看，目前 SiC/GaN 器件成本還是遠高於 Si 產品，但隨著技術的進步，產品良率的提升，規模效應的增強，SiC/GaN 器件價格持續下滑。功率產品方面，以650V SiC MOSFET 為例，其產品價格從 2018 年中的 3.44 元/A 下降到 2019 年年底的 2.24 元/A。射頻產品方面，RF GaN HEMT 近期降價更是顯著，2019 年底平均價格較 2018 年降幅近 23%。
受益於 SiC/GaN 器件技術成熟&成本下降，SiC/GaN 器件有望加速滲透。得益於 SiC/GaN 功率產品性能的提升，其有望在新能源汽車、快充等市場中獲得廣泛應用，根據 Yole 預測，2023 年 SiC、GaN 電力電子器件的市場規模將分別增長至 14 億和 3.7 億美元，市場滲透率分別達到 3.75%和1%。GaN 射頻器件在 5G 宏基站建設和國防建設的旺盛需求下，疊加 GaN 射頻器件成本下降，需求有望快速放量，根據 Yole 數據預測，2023 年 GaN 射頻器件需求量將達到 194.3 百萬個，19- 23 年 CAGR 達到 85.8%。
2 GaAs：射頻和光電子需求旺盛，有望保持高增長
GaAs 是較為成熟的二元半導體化合物材料，主要應用在射頻、LED、光電子等領域，其中射頻是 GaAs 下遊最大的應用領域，佔比為 47%。GaAs 市場總體規模較大，2018 年全球砷化鎵元件市場總產值達到 89 億美元。
受益射頻和光電子需求旺盛，GaAs 有望保持持續高增長。射頻端，5G 手機需要更多的 PA，對GaAs 需求有望保持穩定增長；手機 WIFI PA 和路由器 WIFI PA 對 GaAs 需求有望保持快速增長。光電子端，受益 3D 深度相機在手機端快速滲透，GaAs 雷射器有望保持快速增長。根據中國產業信息網的報告，全球 GaAs 產值有望從 2018 年的 89 億美元，增長到 2023 年的 143 億美元，19-23 年 CAGR 為 10%。
2.1 GaAs PA 為主流技術，受益於 5G 等行業趨勢
5G 手機滲透率快速提升。手機市場正迎來 5G 換機潮，全球 2019 年 5G 手機銷量為 1870 萬部，滲透率約為 1.4%，GSMA 預測 5G 手機 2025 年出貨量有望達到 7 億部，滲透率達到 47%。隨著國內 5G 網絡部署超預期，中國 5G 用戶快速提升，截止到 20 年 3 月底，中國移動 5G 用戶已經超過了 3 千萬，保守估計三大運營商 5G 用戶已經超過了 6 千萬。
5G 手機需要更多的功率放大器。4G 的射頻通信需要用到 5 模 13 頻，平均使用 7 顆 PA。由於 5G新增了頻段（n41 2.6GHz，n77 3.5GHz 和 n79 4.8GHz），未來還需要新增 6GHz 以上高頻段，同時需要繼續兼容 4G、3G、2G 標準，因此 5G 手機需要更多的 PA，最多可達 16 顆，平均也有望超過 10 顆。
GaAs 在手機 PA 滲透率有望持續提升。Si CMOS PA 在輸出功率、工作頻率等方面的性能明顯不足，難以適應 5G 時代的高頻、高功率。而目前 GaN PA 技術仍然不夠成熟，成本較高。GaAs PA性能優良，能滿足 5G 手機 sub-6 G Hz 頻段的需求，滲透率有望持續提升。
受益於手機 PA 放量，射頻對 GaAs 需求有望持續增長。根據 Yole 的預測，手機 PA 對 GaAs 的 需求將從 19 年的 43.9 萬片/年（等價 6 寸片），增長到 25 年的 54.2 萬片/年。此外，手機 WIFI PA 和路由器 WIFI PA 消耗砷化鎵晶圓的數量也呈現快速增長，有望從 19 年的 10.6 萬片/年增長到 25 年 18 萬片/年。受益於手機 PA 需求穩定增長、手機 WIFI PA 和路由器 WIFI PA 快速增長，射頻對砷化鎵需求有望保持穩定增長，整個 GaAs RF 對 6 寸砷化鎵晶圓的需求將從 19 年的 74.4 萬片/年增長到 25 年 94.1 萬片/年，CAGR 約為 4%。
2.2 3D 深度相機商用全面開啟，GaAs 光電子未來可期
GaAs 具有直接躍遷型的能帶結構，導帶底和價帶頂之間的光躍遷可以垂直進行，發光效率較高。GaAs 材料主要應用於製作紅光及紅外器件。
3D 深度相機商用全面開啟。2017 年，蘋果公司推出集成人臉識別結構光前置攝像頭的 iPhone X，開啟了 3D 深度相機在手機端的商用，該結構光的發射光源採用 GaAs 雷射器（垂直腔面雷射器，VCSEL）。2020 年 3 月，蘋果推出配置後置 ToF 攝像頭的 iPad Pro，採用相似的 VCSEL 發射光源，蘋果也有望在 2020 年 9 月發布的 iPhone 上採用後置 ToF 攝像頭，形成前置結構光+後置 ToF 的雙 3D 深度攝像頭的配置，單部手機的 VCSEL 用量有望達到 2 顆。華為、OPPO、ViVO、小米、三星等手機廠商也都有望在手機上逐步配置 ToF 攝像頭，採用 VCSEL 光源。根據 Yole 的報告，2018 年 3D 攝像頭出貨量約為 7300 萬，預計到 2023 年，將增長到 8.9 億，CAGR 為 65%。
3D 攝像頭出貨量爆發性增長有望打開 GaAs 成長新空間。根據 yole 預測，光電子應用的 GaAs 晶圓出貨量在 2017 年至 2023 年期間的複合年增長率（CAGR）為 37%，到 2023 年將實現 1.5 億美元市場規模。
未來，汽車雷射雷達有望為 GaAs 貢獻新的增長空間。手機僅僅只是 VCSEL 的其中一個應用場景，隨著智能駕駛的發展，尤其到 L4 和 L5 階段，汽車對雷射雷達的需求越來越旺盛，根據麥肯錫公司的預測，到 2030 年汽車年生產量將達到 1.15 億臺，其中將有 15%的汽車實現高級自動駕駛，並有 45%實現低級自動駕駛。在 2030 年自動駕駛用的雷射雷達市場將達到 180 億美元以上，年複合增速 51%。
3. GaN：5G 關鍵器件，射頻/電力電子領域優勢顯著
3.1 GaN：適合高頻、高功率、低壓應用領域
GaN 器件 1990 年開始用於發光二極體中，開啟了其商業化大門。作為一種寬禁帶半導體，其具有禁帶寬度大、擊穿場強高、飽和電子遷移速率高、熱導率大、介電常數小、抗輻射能力強等特性，適合製作高頻、大功率、高密度集成和抗輻射的電子器件，廣泛應用智能電網、高速軌道交通等電力電子領域及 5G 基站、雷達等微波射頻領域。根據金智創新的數據，2017 年，國內 GaN 下遊中LED、微波射頻、電力電子（功率器件）應用佔比分別為 70%，17%和 11%。
在電子器件領域，GaN 更適合高頻、高功率、低壓應用領域。在射頻應用方面，相比於 GaAs 和Si，GaN 具有更高的電子飽和漂移速度和更大的禁帶寬度，導通損耗較低，適用於大功率、高頻的射頻應用。在功率半導體應用方面，由於其在高壓場景表現不如 SiC，因此主要應用在低壓領域。具體來看，目前 GaN 的優勢領域在 200-600V 的低壓領域，而 SiC 主要應用於 600V 以上的中高壓領域。
3.2 射頻需求旺盛&快充快速起量，GaN 未來前景廣闊
射頻功放需求旺盛
當前射頻功率放大器主要有三種工藝：GaAs、GaN 和基於 Si 的 LDMOS。前文所述的 GaAs 輸出功率較低（一般低於 50W），主要應用於終端射頻前端和微蜂窩基站建設。而 GaN 和 LDMOS 輸出功率較高，主要應用於宏基站射頻單元中。在 4G 基站建設中，LDMOS 器件是市場的主流。預計在 5G 建設中，GaN 器件將逐步成為宏基站應用的主流，此外，軍事領域 GaN 射頻市場也將維持高景氣，預計 GaN 在射頻功率器件應用中的佔比將持續顯著提升。
5G 宏基站對射頻器件提出了更高的要求。5G 給基站建設帶來的挑戰主要有：1）更高頻率和更大帶寬：4G 的頻率範圍為 1.88GHz-2.635GHz，而 5G 的 Sub-6GHz 頻段和毫米波頻段的頻率分別可達到 0.45GHz-6GHz 和 24.25GHz-52.6GHz，分量載波帶寬可達 100MHz。2）更高功率效率的需求；3）更高功率密度的需求：根據華為，5G 基站的功率將超過 11Kw，相比於 4G 基站功率提高 68%，運營商需要大幅提高功率密度以在相同大小的空間內提供更高的功率。4）更小體積：5G Massive MIMO 和波束成形技術採用陣列天線，器件數量的大幅增加，設備小型化的需求驅動內部器件小型化。
GaN 射頻器件更適用於 5G 宏基站。GaN 射頻器件能很好的適應 5G 宏基站的高要求：1）傳統的 LDMOS 僅在 3.5GHz 及以下表現良好，無法適應 5G 的高頻率，而 GaN 適應的頻率範圍拓展了40Hz 甚至更高，適應了 5G 高頻的需求。另外，GaN 器件更高效率、更高輸出阻抗和更低寄生電容能夠更容易實現帶寬匹配。2）GaN 具有軟壓縮特性，更容易預失真和線性化，實現更高的效率。3）GaN 可以做到更高的功率密度，達到 LDMOS 器件功率密度的 4 倍左右。4）體積方面，GaN封裝尺寸僅 LDMOS 的 1/4-1/7。
受益於 5G 宏基站快速放量，GaN 器件用量有望快速提升。全球主要國家如美日中韓等國都已開啟 5G 商用，基站建設正處於逐步放量階段。5G 宏基站將以 64 通道的大規模陣列天線為主，按三個扇區計算，單基站 PA 需求量將高達 192 個。根據拓墣產業研究院的預測，國內 5G 宏基站建設將於 2023 年左右達到高峰，年新增 115 萬個以上，對應 PA 需求高達 2.21 億個。隨著 GaN 器件成本的下降和工藝的成熟，GaN PA 滲透率將不斷提升，拓墣產業研究院估計 2019 年 5G 宏基站PA 中 GaN 佔比在 50%左右，預計到 2023 年 GaN 佔比將達到 80%，對應 112.6 億元國內市場需求。
軍用雷達升級驅動 GaN 射頻市場快速起量。軍用雷達升級體現在兩個方面：一是基於 GaN 的有源電子掃描陣列（AESA）雷達系統替換原有的基於 GaAs 的 AESA 雷達系統和基於行波管（TWT）的系統。這主要是因為兩個方面的原因：一方面 GaN 的高功率提高了抗幹擾能力，擴大了作用距離或搜索範圍；另一方面，採用 GaN 後，較小的孔徑就能夠形成與不採用 GaN 的較大孔徑相同的作用距離和搜索範圍。因此向基於 GaN 的 AESA 雷達系統升級成為趨勢，各國的軍隊正在同時升級至 AESA 雷達和 GaN 晶片。二是 AESA 天線架構的升級，下一代 AESA 天線將在同一個射頻前端組合產生不同工作模式，包括雷達、通信和電子戰，這將產生更高的單片微波集成電路（MMIC）的需求，對應 GaN 的需求也將相應提升。在上述兩種因素的驅動下，軍用射頻市場持續景氣。
5G 宏基站和軍事應用爆發有望推動 GaN 射頻市場高速增長。根據 Qorvo 預測，全球基站和軍事GaN 射頻器件市場將分別從 2018 年的 2.1 億美元和 2.0 億美元增長到 2022 年的 13.6 億美元和5.2 億美元，CAGR 分別為 60%和 27%，全球 GaN 射頻器件市場規模將從 2018 年的 4.3 億美元達到 2022 年的 19.1 億美元，CAGR 約 45%。
快充快速起量
GaN 功率器件技術優勢明顯：GaN 功率器件開關頻率高、導通電阻小、電容小、禁帶寬度大、耐高溫、能量密度高、功率密度大，可在高頻情況下保持高效率水平，實現更高效的快充，適合於高功率電子產品。相比較而言，傳統矽器件開關速度越快，效率越低，在實現高功率充電上存在技術障礙。
GaN 可集成外圍驅動，減小整體體積：傳統的矽器件是垂直結構，不能集成外圍驅動；GaN 功率器件是平面架構，可以集成外圍驅動和控制電路，將 IC 體積做小，顯著降低成本。
多款 GaN 充電器問世，產品趨勢明顯。OPPO 在去年 11 月成為全球首家推出 GaN 充電器的手機廠商，但其 65W 快充僅支持其自有的 SuperVOOC 快充協議，且接口為 USB-A，無法兼容大部分筆記本電腦，僅適合OPPO產品。目前已有多家充電器廠商推出了GaN充電產品。在今年CES2020展上，30 家廠商展出了 66 款 GaN 快充充電器，體積均小於傳統充電器，且大部分產品均支持 PD、QC 等快充協議，配置 USB-C 接口。即將發布的 Realme X50 Pro 有望採用 65W SuperDart 超級閃充 GaN 充電器。5G 手機功耗的提高帶來更強烈的快充需求，65W、甚至 100W 以上充電器有望快速普及，GaN 快充充電器有望成為市場主流。
GaN 功率半導體市場高速增長。根據 Yole，全球 GaN 功率半導體市場規模在 2018 年僅為 873 萬美元，保守預測到 2024 年將超過 3.5 億美元，18-24 年的年均複合增長率達到 85%。若按樂觀的情況估計，蘋果、三星、華為等手機廠商同樣採用 GaN 電源適配器，預計 2024 年全球 GaN 功率半導體市場規模將超過 7.5 億美元。我們推測，如果筆記本電腦、平板電腦、輕混電動汽車等都採用 GaN 快充，市場空間有望更大。
4. SiC：高壓功率半導體關鍵器件，受益於新能源汽車快速增長
4.1 SiC：主要應用於高電壓功率半導體領域
SiC 是一種新型半導體材料，SiC 功率器件的研發自 1970 年代便已開始，2001 年英飛凌推出了第一款 SiC 器件——300V~600V(16A)的 SiC 肖特基二極體，隨後，SiC 功率器件開始了迅速的商業化發展，2007 年 SiC JFET、BJT 上市，2011 年首款 1.2kV SiC MOSFET 上市，2015 年 SiC Trench MOSFET 開始導入市場，2016 及 2017 年，3.3kV 和 6.4kV SiC 功率 MOSFET 試樣出現，SiC 功率器件不斷向更高壓拓展。2018 年，特斯拉 Model3 首次採用 SiC 功率器件。伴隨電動汽車的發展，SiC 市場來到了一個新的快速發展的階段。
SiC 更適合高壓功率器件應用，未來前景廣闊。SiC 與傳統的 Si 半導體相比，具有寬禁帶（Si 的3 倍左右）、高擊穿場強（Si 的 9 倍以上）、高熱導率（Si 的 2.5 倍以上）、高工作溫度（Si 的 2 倍）、高電子遷移率（Si 的 2 倍以上）的性能特徵，在應用中具有電荷損失少、耐高壓、高溫高頻性能好的特點，能夠降低器件功耗、節約散熱成本、小型化器件，並可用於大型高壓設備。未來在汽車、工業、IT 及消費電子等多個領域的應用中有替代 Si 基器件的潛力，未來前景廣闊。
4.2 新能源汽車及充電樁數量快速增長，SiC 器件需求旺盛
未來幾年中，新能源汽車及充電樁將成為 SiC 功率半導體市場快速增長的主要驅動力量。新能源汽車應用中，SiC 功率半導體相比於 Si 基器件可實現輕量化和高效率。新能源汽車系統中，應用功率半導體的組件主要包括：DC/AC 逆變器、DC/DC 轉換器、電機驅動器和車載充電器（OBC）。目前，電動汽車中的功率半導體器件主要為 Si 基器件，但新興 SiC 功率器件在性能上更具優勢。在 DC/AC 逆變器的設計中，SiC 模組代替 Si 模組能夠顯著降低逆變器的重量和尺寸，同時做到節能，在相近的功率等級下，SiC 模組逆變器重量可降低 6kg，尺寸可降低 43%，同時開關損耗降低75%。在 DC/DC 轉換器的設計中，SiC-MOSFET 替代 Si-IGBT 能夠提高輸入、輸出電壓，並且可以提高開關頻率（開關頻率越高，輸出電容和電感越小，從而節省電路板面積）和功率密度，實現組件的小型化。此外，根據 Aachen University 的數據，在相同的輸入功率下，三相 SiC DC/DC 轉換器的效率要平均高出對應的單相 Si DC/DC 轉換器的效率 1 個百分點左右。
SiC 功率器件輕量化、高效率、耐高溫的特性有助於有效降低新能源汽車系統成本。以 2018 年特斯拉 Model 3 中首次搭載的 SiC 功率器件為例，其輕量化的特性節省了電動汽車內部空間，高效率的特性有效降低了電動汽車電池成本，耐高溫（200 度也能正常工作）的特性降低了對冷卻系統的要求，節約了冷卻成本。雖然應用 SiC 功率器件增加了 300 美元左右的前期成本，但是以上方面的改觀可節約近 2000 美元的系統成本，總體來看，採用 SiC 功率器件帶來了 1700 美元以上的正收益。
受益於新能源汽車中功率半導體價值大幅提升和新能源汽車銷售放量增長，車用 SiC 功率器件有望充分受益。根據英飛凌的統計，傳統燃油車向新能源汽車升級大幅增加了半導體器件的價值，約從平均 355 美元增加至 695 美元，而其中半導體功率器件增幅更為顯著，約從原 17 美元增長 15倍至 265 美元，為功率半導體尤其是 SiC 功率半導體帶來了更大的機遇。根據英飛凌的預測，SiC器件在新能源車中的滲透率有望不斷提升，將從 2020 年的 3%提升至 2025 年的 20%。根據國際能源署（IEA）的預測，在可持續發展情境下，全球電動汽車保有量將從 2019 年的 720 萬輛以年均超過 36%的增速增長至 2030 年的 2.45 億輛。在上述兩種因素的作用下，預計車用 SiC 功率器件將維持旺盛的需求。
充電樁建設加速，為 SiC 功率器件市場打開了一個新的增量市場。根據國家發改委的數據，截至2019 年底，我國充電設施數量 120 多萬個，與 380 多萬量的新能源車保有量相比仍是短板，未來建設將持續加速，僅 2020 年就預計新建充電樁 60 萬個以上。一個直流充電樁大約需要 170 個MOS，SiC 器件用在充電樁中具有高功率密度、超小體積的優勢，並且支持快速充電，成為未來的發展趨勢。根據 CASA 測算，2018 年充電樁中 SiC 功率器件的滲透率僅有 10%左右。未來 SiC 在充電樁中滲透率提升疊加充電樁建設加速，充電樁市場有望為 SiC 功率器件帶來顯著市場增量。
受益於新能源汽車及充電樁建設的推動，SiC 功率器件市場將持續高速增長。根據 Yole 的預測，全球電動汽車和充電樁 SiC 功率器件市場規模將從 2018 年的 0.65 億美元增長至 2023 年的 4.4 億美元以上，CAGR 約 46%。除此之外，軌道交通、供電、電機驅動等領域也將保持較快的增速。總體來看，全球 SiC 功率器件市場規模將從 2018 年的 3.7 億美元增長至 2023 年的近 14 億美元，CAGR 超過 30%。
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