深度好文：化合物半導體會不會成為市場新寵？

蘋果新品發布後，雖然再次被外界詬病缺乏創新，但「浴霸」三攝，還是讓不少消費者「真香」，而前兩年推出的Face ID則被稱為蘋果最後的創新，帶起了手機廠商的學習效仿風。

也正是因為Face ID，蘋果拉了一把上游的VCSEL產業鏈，化合物半導體以一種全新的方式「席捲」消費端市場。

同時，隨著5G商業化的快速推進，作為5G關鍵電子元器件的一部分，化合物半導體也再次站到了風口浪尖，引發了新一輪產業洗牌和變革。

材料千千萬，化合物半導體的春天來了

矽谷之所以以矽為名，因為矽是一種重要的半導體材料，當矽材料取代笨重的電子管，英特爾、蘋果、高通、台積電、三星順勢而起，集成電路的突破成就了這些科技巨頭。

當前，全球95％以上的半導體晶片和器件是用矽片作為基礎功能材料而生產出來的。

不過，在電子半導體的另一面，以砷化鎵（GaAs）、氮化鎵（GaN）、碳化矽（SiC）等為代表的化合物半導體，正在快速崛起。

光纖通信、手機的無線通信系統、用於三維識別的VSECL泛光源、自動駕駛的毫米波雷達、5G基站的射頻模塊……新應用場景的湧現，是化合物半導體大規模應用的催化劑。

化合物半導體的概念很簡單，就是一類由化合物構成的半導體材料，通常由兩種以上的元素構成，所以它的組合方式很多，帶來的想像空間也更大。

當前，業內將矽基半導體稱為第一代半導體材料，化合物半導體則囊括了第二代和第三代材料，第二代主要以砷化鎵（GaAs）為代表，第三代半導體材料則囊括了碳化矽（SiC）、氮化鎵（GaN）、金剛石等，因其禁帶寬度（帶隙）大於或等於2．3電子伏特，又被稱為寬禁帶半導體材料。

相較於矽基半導體，化合物半導體最顯著的特性是電子遷移率高，所以適用於高頻、大功率傳輸，適合射頻器件、光電器件、功率器件的製造；矽半導體則多用於邏輯器件、存儲器等。

從這個角度看，化合物半導體是矽器件的延伸，不是替代，兩者構成了現在的電子化、智能化時代。

舉個例子，5G頻率高，傳輸距離短，對功率要求高，相應的對基站與終端的應用場景提出了全新挑戰，通訊組件與電子器件必須適應更高頻、高溫、高功率的環境，氮化鎵體積小功率大的特性，就是目前最適合5G基站PA（射頻功率放大器）的材料。

而前幾代通訊技術的射頻模塊材料則被砷化鎵包下，砷化鎵也是目前智慧型手機設PA的主要半導體材料。

可想而知，化合物半導體材料的發展前景非常廣闊。

但和成熟的矽基半導體產業不同的是，化合物半導體由於材料的特殊性和生產製備的複雜性，其產業鏈的技術遠沒有矽基半導體成熟。

當消費電子產品以數億量級鋪開，產業鏈上下游早已經做好了準備，但當化合物半導體的應用量級在快速飆升時，產業鏈的步伐卻沒能及時跟上。

量級不一樣，生產製備工藝的挑戰變高，業內人士曾舉過例子，「集成電路設計圖給到台積電，後續的生產工藝完全不用擔心。

但化合物半導體代工廠完全不一樣，工程師還需要去FAB代工廠討論工藝怎麼做。

」

產業分工逐漸明朗，關鍵技術在國外巨頭手中

在理清化合物半導體產業鏈發展現狀前，首先得明確兩個概念：襯底和外延。

襯底是半導體單晶材料製成的晶圓片，它既可以直接進入晶圓製造環節生產半導體器件，也可以通過外延工藝加工生產成外延片。

外延指在單晶襯底上生長一層新單晶的過程，新單晶可以與襯底為同一材料，也可以是不同材料。

比如氮化鎵通常會在藍寶石、SiC、Si等異質襯底上進行外延。

化合物半導體與矽半導體的製備工藝類似，但是晶圓製造有所區別，矽半導體採用直拉法生長成一個圓柱型的單晶矽棒，對單晶矽棒進行切割製成晶圓；化合物半導體則是在 GaAs、InP、GaP、藍寶石、SiC 等化合物基板上形成薄膜（外延層），然後對這個外延層加工，實現特定的器件功能。

當前，外延片生長主要依靠生長工藝和設備，製造外延片的主流方法包括金屬有機物化學氣相沉積（MOCVD）和分子束外延，前者屬於行業市場「最經濟」的外延生長方法，但設備製造難度依然很大，只有少數公司可以進行商業化生產。

所以化合物半導體產業鏈通常可以分為：設計、外延、晶圓製造和封測等環節，其中外延又包括襯底。

鎂客網將目前商業化較高的兩種化合物半導體材料產業鏈進行了系統化的梳理，從襯底、外延工藝、到晶圓設計、代工以及一攬子全包的IDM，化合物半導體產業相較矽半導體顯然低調很多。

砷化鎵產業鏈的設計與先進技術主要掌握在國際IDM大廠手中，襯底市場則是日本、美國等廠商占據主導地位。

外延生產方面，英國IQE的份額高達60％，其次是台灣全新光電，也屬於巨頭壟斷的局面。

晶圓代工依然是台灣企業占大頭，僅穩懋一家，在2016年的市場占比就高達66％，內地化合物晶圓代工企業三安光電處於追趕過程中。

氮化鎵產業面臨同樣的問題，整個化合物半導體產業鏈上，國內企業的聲音還比較小，以用於通信基站的氮化鎵器件為例，基本上都是來自國外的Qorvo、Skyworks等公司，美國廠商已經基本壟斷大功率射頻器件，可見這對國外企業依賴程度極高。

而且已經掌握核心工藝的大公司還在通過不斷的併購擴大既有市場規模，同時，隨著化合物半導體和電子通信產業的聯繫越來越緊密，矽半導體行業內的巨頭們也在「跨界」，收攏化合物半導體公司。

高通以35億美元的價格收購射頻濾波器廠商、華為全資控股的投資公司哈勃投資碳化矽企業山東天岳等等都是典型案例。

另一方面，和矽半導體的發展類似，化合物半導體的產業發展模式正在由IDM轉為設計＋代工生產。

兩年前，博通選擇剝離砷化鎵製造業務，將其賣給代工廠穩懋公司，專注砷化鎵射頻器件的設計環節。

再往前，avago也將自己在科羅拉多的工廠出售給穩懋。

除此之外，矽半導體代工巨頭也看了新的機會，比如在氮化鎵電子器件市場，台積電也加入了代工隊伍，瞄準龐大的5G市場。

潘多拉魔盒打開，國內廠商追趕中

從化合物半導體的產業鏈來看，國外巨頭壟斷了核心工藝生產，主要的IDM企業也以美國公司為主。

比如傳統消費電子市場基本上已經被博通、Skyworks等公司壟斷，大部分手機廠商的砷化鎵功率放大器都是他們的囊中之物。

不過，蘋果Face ID帶起的VCSEL熱潮，讓不少國內初創公司看到了突圍的機會。

而在行業應用市場，5G通信基站和新能源汽車都是香餑餑，當前日本住友電工的氮化鎵功率放大器已在華為新建的基站上批量應用，考慮到5G基站較之前幾代通信基站，數量級會成倍提高，根據賽迪顧問預測，5G宏基站總數量將會是4G宏基站1．1到1．5倍，這部分市場勢必會帶動化合物半導體材料的新一輪爆發。

相較之下，國內的化合物半導體產業還處於中下游，一方面國內開展碳化矽、氮化鎵材料和器件方面的研究工作晚於國外，其次就是國內半導體產業的材料創新以及原始創新問題，浮躁的市場環境難以忍受「只投入，不產出」的現狀，讓化合物半導體為代表的新材料原始創新愈加艱難。

但從某種程度上來說，化合物半導體也是我國半導體產業的關鍵咽喉，作為通信器件的關鍵一環，一旦被人扼住命脈，很多下游的終端應用企業的發展都會受到桎梏。

新場景的出現，打開了化合物半導體的潘多拉魔盒，也觸發了國內半導體產業的另一面變革。

目前，國內已經出台相關政策促進化合物半導體產業的發展，地區政府也在積極推動化合物半導體產業，蘇州正在打造第三代半導體產業基地，吸納了不少氮化鎵產業鏈上的企業，包括英諾賽科、華功半導體、能訊高能、能華半導體等一批企業。

在5G、新能源產業的風口下， 新應用的規模化應用意味著化合物半導體將打開億級市場，誰能在產能規模和產品可靠穩定性上做到完美，可能就是下一個台積電、英特爾。

化合物半導體市場正在快速崛起，新一輪的比拼開始了。