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5G和军工双轮驱动化合物半导体业爆发

2016-10-11 09:03
小鱼时代
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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。

  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。

  根据 Strategy Analytics 调查数据,2014年全球 GaAs 元器件市场总产值为 74.3 亿美元,较 2013年 64.7亿美元成长 14.8%。随着通讯 4G/5G推动,我们按照每年 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 132亿美元。

  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 智能手机支持的无线局域网通信(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持的频段数量成正比关系:伴随手机支持的频段越来越多,射频前端数量也随手机支持频段数量的增加线性增加。

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