智芯研報 | 化合物半導體之氮化鎵&碳化硅
本文內容由第三代半導體聯合創新孵化中心
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化合物半導體主要指砷化鎵 （GaAs）、氮化鎵（GaN）和碳化硅（SiC）等第二、第三代半導體，相比第一代單質半導體，在高頻性能、高溫性能方面優異很多。
砷化鎵：具有高頻、抗輻射、耐高溫的特性，大規模應用于無線通訊領域，目前已經成為 PA 和Switch 的主流材料；
氮化鎵：主要被應用于通訊基站、功率器件等領域，功放效率高、功率密度大，因而能節省大量電能，同時減少基站體積和質量；
碳化硅：主要用于大功率高頻功率器件，IHS 預測到 2025 年 SiC 功率半導體的市場規模有望達到 30 億美元，在未來的 10 年內，SiC 器件將開 始大范圍地應用于工業及電動汽車領域，近期碳化硅產業化進度開始加速， 意法、英飛凌等中游廠商開始鎖定上游晶圓貨源。
第三代半導體適應更多應用場景。硅基半導體具有耐高溫、抗輻射性能好、制作方便、 穩定性好。可靠度高等特點，使得 99%以上集成電路都是以硅為材料制作的。但是硅基 半導體不適合在高頻、高功率領域使用。
2G、3G 和 4G 等時代 PA 主要材料是 GaAs，但是進入 5G 時代以后，主要材料是 GaN。5G 的頻率較高，其跳躍式的反射特性使其傳 輸距離較短。
由于毫米波對于功率的要求非常高，而 GaN 具有體積小功率大的特性，是 目前最適合5G時代的PA材料。SiC和GaN等第三代半導體將更能適應未來的應用需求。
模擬 IC 關注電壓電流控制、失真率、功耗、可靠性和穩定性，設計者需要考慮各種元器件對模擬電路性能的影響，設計難度較高。數字電路追求運算速度與成本，多采用 CMOS 工藝，多年來一直沿著摩爾定律發展，不斷采用地更高效率的算法來處理數字信號，或者利用新工藝提高集成度降低成本。
而過高的工藝節點技術往往不利于實現模擬 IC 實現低失真和高信噪比或者輸出高電壓或者大電流來驅動其他元件的要求，因此模擬 IC 對節點演進需求相對較低遠大于數字 IC。
模擬芯片的生命周期也較長，一般長達 10 年及以上，如仙童公司在 1968 年推出的運放μA741 賣了近五十年還有客戶在用。
目前數字 IC 多采用 CMOS 工藝，而模擬 IC 采用的工藝種類較多，不受摩爾定律束縛。 模擬 IC 的制造工藝有 Bipolar 工藝、CMOS 工藝和BiCMOS 工藝。
在高頻領域，SiGe 工 藝、GaAs 工藝和 SOI 工藝還可以與 Bipolar 和 BiCMOS 工藝結合，實現更優異的性能。
而在功率領域，SOI 工藝和 BCD（BiCMOS 基礎上集成DMOS 等功率器件）工藝也有更 好的表現。模擬 IC 應用廣泛，使用環節也各不相同，因此制造工藝也會相應變化。
砷化鎵（GaAs）：無線通信核心材料，受益 5G 大趨勢
相較于第一代硅半導體，砷化鎵具有高頻、抗輻射、耐高溫的特性，因此廣泛應用在主 流的商用無線通信、光通訊以及國防軍工用途上。
無線通信的普及與硅在高頻特性上的限制共同催生砷化鎵材料脫穎而出，在無線通訊領域得到大規模應用。
基帶和射頻模塊是完成 3/4/5G 蜂窩通訊功能的核心部件。射頻模塊一般由收發器和前端模組（PA、Switch、Filter）組成。其中砷化鎵目前已經成為 PA 和 Switch 的主流材料。
4G/5G 頻段持續提升，驅動 PA 用量增長。由于單顆 PA 芯片僅能處理固定頻段的信號， 所以蜂窩通訊頻段的增加會顯著提升智能手機單機 PA消耗量。
隨著 4G 通訊的普及，移 動通訊的頻段由 2010 年的 6 個急速擴張到 43 個，5G 時代更有有望提升至 60 以上。目 前主流 4G 通信采用5 頻 13 模，平均使用 7 顆 PA，4 個射頻開關器。
目前砷化鎵龍頭企業仍以 IDM 模式為主，包括美國 Skyworks、Qorvo、Broadcom/Avago、Cree、德國 Infineon等。同時我們也注意到產業發展模式開始 逐漸由 IDM 模式轉為設計+代工生產，典型事件為代工比例持續提升、avago 去年將科 羅拉多廠出售給穩懋等。我們認為 GaAs 襯底和器件技術不斷成熟和標準化，產品多樣 化、器件設計的價值顯著，設計+制造的分工模式開始增加。
從 Yole Development 等第三方研究機構估算來看， 2017 年全球用于 PA 的GaAs 器 件市場規模達到 80-90 億美元，大部分的市場份額集中于 Skyworks、Qorvo、Avago三 大巨頭。預計隨著通信升級未來兩年有望正式超過 100 億美元。
同時應用市場決定無需 60 nm 線寬以下先進制程工藝，不追求最先進制程工藝是另外一個特點。化合物半導體面向射頻、高電壓大功率、光電子等領域，無需先進工藝。GaAs 和 GaN 器件以 0.13、0.18μm以上工藝為主。
Qorvo 正在進行 90nm 工藝研發。此外由于受 GaAs 和 SiC 襯底尺寸限制，目前生產線基本全為 4 英寸和 6 英寸。以 Qorvo 為例，我們統計下來氮化鎵制程基本線寬在 0.25-0.50um，生產線以 4 英寸為主。
氮化鎵&碳化硅：高壓高頻優勢顯著
氮化鎵(GaN)和碳化硅(SiC)并稱為第三代半導體材料的雙雄，由于性能不同，二者的應用領域也不相同。由于氮化鎵具有禁帶寬度大、擊穿電場高、飽和電子速率大、熱導 率高、化學性質穩定和抗輻射能力強等優點，成為高溫、高頻、大功率微波器件的首選 材料之一。
氮化鎵：5G 時代來臨，射頻應用前景廣闊
目前氮化鎵器件有三分之二應用于軍工電子，如軍事通訊、電子干擾、雷達等領域；在 民用領域，氮化鎵主要被應用于通訊基站、功率器件等領域。氮化鎵基站 PA 的功放效 率較其他材料更高，因而能節省大量電能，且其可以幾乎覆蓋無線通訊的所有頻段，功 率密度大，能夠減少基站體積和質量。
特色工藝代工廠崛起，分工大勢所趨。全球半導體分為 IDM(IntegratedDevice Manufacture，集成電路制造)模式和垂直分工模式兩種商業模式，老牌大廠由于歷史原因，多為 IDM 模式。
隨著集成電路技術演進，摩爾定律逼近極限，各環節技術、資金壁 壘日漸提高，傳統 IDM 模式弊端凸顯，新銳廠商多選擇 Fabless（無晶圓廠）模式，輕裝追趕。同時英飛凌、TI、AMD 等老牌大廠也逐漸將全部或部分制造、封測環節外包，轉向 Fab-Lite（輕晶圓廠）甚至 Fabless 模式。
氮化鎵射頻器件高速成長，復合增速 23%，下游市場結構整體保持穩定。研究機構 Yole Development 數據顯示，2017 年氮化鎵射頻市場規模為 3.8 億美元，將于 2023 年增長 至 13 億美元，復合增速為 22.9%。下游應用結構整體保持穩定，以通訊與軍工為主，二者合計占比約為 80%。
碳化硅：功率器件核心材料，新能源汽車驅動成長
SiC 主要用于大功率高頻功率器件。以SiC 為材料的二極管、MOSFET、IGBT 等器件未來有望在汽車電子領域取代 Si。
目前 SiC 半導體仍處于發展初期，晶圓生長過程中易出現材料的基面位錯，以致 SiC 器件可靠性下降。另一方面，晶圓生長難度導致 SiC 材料 價格昂貴，預計想要大規模得到應用仍需一段時期的技術改進。
Die Size 和成本是碳化硅技術產業化的核心變量。我們比較目前市場主流 1200V 硅基 IGBT 及碳化硅基MOSFET，可以發現 SiC 基 MOSFET 產品較 Si 基產品能夠大幅減少 Die Size，且表現性能更好。但是目前最大阻礙仍在于 Wafer Cost，根據 yole development 測算，單片成本 SiC 比 Si 基產品高出 7-8 倍。
研究機構 IHS 預測到 2025 年 SiC 功率半導體的市場規模有望達到 30 億美元。在未來 的 10 年內，SiC 器件將開始大范圍地應用于工業及電動汽車領域。
縱觀全球 SiC 主要市 場，電力電子占據了 2016-2017 年最大的市場份額。該市場增長的主要驅動因素是由于電源供應和逆變器應用越來越多地使用 SiC 器件。
SiC 近期產業化進度加速，上游產業鏈開始擴大規模和鎖定貨源。我們根據整理 CREE 公告，可以發現近期碳化硅產業化進度開始加速，ST、英飛凌等中游廠商開始鎖定上游晶圓貨源：
2019 年 1 月公告：CREE 與 ST 簽署一項為期多年的2.5 億美元規模的生產供應協 議，Wolfspeed 將會向ST 供應 150 ㎜ SiC 晶圓。
2018 年 10 月公告：CREE 宣布了一項價值 8,500 萬美元的長期協議，將為一家未 公布名稱的“領先電力設備公司”生產和供應 SiC 晶圓。
2018 年 2 月公告：Cree 與英飛凌簽訂了 1 億美元的長期供應協議，為其光伏逆變 器、機器人、充電基礎設施、工業電源、牽引和變速驅動器等產品提供 SiC 晶圓。
| 來源：國盛證券
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