2017年:新一代半導體材料應用與需求分析

來源:北京科技情報所

半導體材料升級換代作為集成電路發展基礎,半導體材料逐步更新換代,第一代半導體材料以硅(Si)為主導,目前,95%的半導體器件和 99%以上的集成電路都是硅材料制作。20 世紀 90 年代以來,光纖通訊和互聯網的高速發展,促進了以砷化鎵(GaAs)、磷化銦(InP)為代表的第二代半導體材料的需求,其是制造高性能微波、毫米波器件及發光器件的優良材料,廣泛應用于通訊、光通信、GPS 導航等領域。第三代半導體材料主要包括碳化硅(SiC)、氮化鎵(GaN)、金剛石等,因其禁帶寬度(Eg)大于或等于2.3 電子伏特(eV),又被稱為寬禁帶半導體材料。

國內半導體材料市場高速增長。半導體材料市場會根據半導體行業的變化而變化。目前,2015 年全球半導體材料市場產值已達到 434 億美元,約占據整體產業的 13%,其規模巨大。國內半導體材料市場近年來受產業鏈增長拉動,半導體材料銷售額保持較高增速,2006-2015 年保持平均 14%的增長率。2015 年已經達到 61.2 億美元的規模,且占有率有持續增長的趨勢。預計隨著全球半導體產業向大陸轉移,日本、臺灣等占有率將有所下降,而大陸半導體材料市場將會進一步擴大。

主攻新一代半導體材料及集成電路。我國第一代、第二代半導體材料及集成電路產業與國際水平差距較大,而在第三代半導體領域的研究工作一直緊跟世界前沿,工程技術水平和國際先進水平差距不大,已經發展到了從跟蹤模仿到并駕齊驅、進而可能在部分領域獲得領先和比較優勢的階段,并且有機會實現超越。

新一代半導體應用領域廣泛 ,潛在市場空間大。第二\三代半導體材料正在引起清潔能源和新一代電子信息技術的革命,無論是通信、照明、消費電子設備、新能源汽車、智能電網、還是軍工用品,都對這種高性能的半導體材料有著極大的需求。未來第三代半導體技術的應用將催生我國多個領域的潛在市場,屆時將產生巨大的市場應用空間。

通信應用 :5G技術引領通信革命,推動砷化鎵半導體市場 

通信技術更新換代,傳輸速度呈數量級增長 從上世紀 80 年代至今,每一代移動通信標準都有著其標志性的能力指標和核心關鍵技術。1G 只能提供模擬語音業務;2G的 GSM 網絡可提供數字語音和低速數據業務;3G 以 CDMA 為技術特征,用戶峰值速率達到 2Mbps 至數十 Mbps,可以支持多媒體數據業務;4G LTE 網絡用戶峰值速率可達 100Mbps 以上,能夠支持各種移動寬帶數據業務。

5G 技術將引領新革命。相比前四代通訊技術,5G 網絡的變革將更加全面,在進一步提高通訊傳輸速度的同時,更加強調連續廣域覆蓋、熱點高容量、低時延高可靠和低功耗大連接等場景下的技術需求,為進一步升級的移動互聯網市場,和新興的物聯網、智能汽車、智能制造、虛擬現實等市場提供多元化的技術方案。目前國際主流的行業組織、運營商、設備廠商和芯片廠商都在積極投入 5G 標準的制定,預計到 2020 年前后,5G 網絡將實現商用。

5G 技術需要海量新型半導體產品支撐 。每一代通訊標準的升級都伴隨著通訊芯片廠商的起起落落,如 3G 網絡直接帶來了高通的崛起,同時也伴隨著摩托羅拉通訊芯片業務(后拆分為 Freescale)的衰落;4G 時代,高通、聯發科、海思、展訊等茁壯成長。

未來,5G 網絡的商用必然將催生移動通信芯片升級換代的海量市場,同時也將帶來通訊芯片市場版圖的巨大變化。5G 技術高速率和低延遲的要求,對化合物半導體提出了新的需求。比如功率、線性度、工作頻率、效率、可靠性等都需要達到極高的標準。由于 5G 通信全頻帶通信的特性,5G 手機中射頻前端芯片數量將進一步增加,帶動以 GaAs 為代表的第二/三代化合物半導體產業鏈發展。具體到實踐當中,可以從設備端和基站端兩分析。基站端需求 。5G 實際應用中,帶相控陣天線的手機將發射信號給基站和微蜂窩基站,基站和微蜂窩基站將與相控陣天線對接以實現信號連接。基站使用的射頻功率管一般采用 LDMOS 工藝,但現在 LDMOS 工藝正在被氮化鎵(GaN)工藝取代。GaN 是寬禁帶材料,意味著 GaN 能夠耐受更高的電壓,有更高的功率密度和可工作溫度更高,能夠滿足 5G 通信基站的要求。

同時,5G 采用高頻頻譜雖然能提供更高的數據傳輸速率,但這一頻段的電磁波傳輸距離很短,且容易被障礙物阻擋。因而移動運營商可能需要建設數百萬個小型基站,將其部署至每根電線桿、每棟大樓,每戶房屋,甚至每個房間,這也就意味著基于 GaN的 PA 芯片需求將出現飛躍增長。根據市場調查機構 Yole 的估計,GaN 功率器件需求有望在今后 5 年內爆發,復合增長率可達 90%以上。

手機端需求 。4G 手機中數字電路部分包括應用處理器和調制解調器,射頻前端則包括功率放大器(PA)、射頻信號源和模擬開關。功率放大器通常采用砷化鎵(GaAs)材料的異質結型晶體管(HBT)技術制造。未來的 5G 手機也要有應用處理器和調制解調器。不過與 4G 系統不同,5G 手機還需要相控陣天線,每根天線都有獨立的 PA 和移相器,并與一個覆蓋整個工作頻率的信號收發器相連,相應的半導體器件需求將會更大。

2015 年全球智能手機銷量達 14.3 億部, 中國智能手機出貨量達 5.39 億部。根據估算,2016 年度全球智能手機出貨量預計達到 15 部,手機砷化鎵功率元件需求量超過 160 億只,國內手機市場砷化鎵元件需求量接近 60 億只。未來隨著 4G 手機滲透率的不斷提升和 5G 技術的商用化,手機用砷化鎵元件還將不斷增長。

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