宫学源
半导体是一种导电能力介于导体和绝缘体之間的物质（见图1），其按照载流子（或晶体缺陷）的不同可分为P型半导体和N型半导体，半导体的导电性能与载流子（晶体缺陷）的密度有很大关系。半导体器件的最基本组成单元为PN结，PN结具有正向导通反向绝缘的功能，因此半导体器件在逻辑计算、信号传输、电力转换等诸多方面呈现出巨大优势。自1947年第一个半导体二极管在贝尔实验室诞生以来，半导体彻底变革了人类的生产生活方式，全球社会陆续从电气时代进入信息化时代，并加速向万物互联时代和人工智能智能迈进。作为未来新型基础设施建设的物质基础，半导体产业发展的后劲依然十足，尤其是人工智能、5G通信、新能源汽车、能源互联网等行业给半导体发展带来了新的增长点。
1 化合物半导体支撑硬科技发展，战略价值凸显
按照化学组成的不同，半导体可分为元素半导体和化合物半导体2大类（如图2、图3所示）。元素半导体主要包括锗（Ge）、硅（Si）和金刚石（C）；
广义的化合物半导体包括金属间化合物半导体、有机半导体和氧化物半导体等；
狭义的化合物半导体则主要包括Ⅱ-Ⅵ族化合物硫化锌（ZnS）、硫化镉（CdS）等，Ⅲ-Ⅴ族化合物砷化镓（GaAs）、磷化铟（InP）、氮化镓（GaN）等，Ⅳ族化合物碳化硅（SiC）、锗化硅（SiGe），以及Ⅱ-Ⅵ族和Ⅲ-Ⅴ族化合物组成的多元化合物氮化铝镓（GaAlN）、砷化铝镓（AlGaAs）等。相对于最常见的元素半导体硅，采用化合物半导体制作的元器件具有高频、高速、大功率、耐高压和功耗低等特性以及独特的光电性能，在显示照明、新能源、轨道交通、新一代信息、先进制造和国防军事等领域都有着诸多应用，甚至已经成为带动这些领域技术进步和产业发展的关键因素。
1.1 化合物半导体引领半导体产业发展的新时代
在70年的发展历史中，全球半导体产业出现了3次具有代表性的进展。20世纪40年代，第1代半导体材料Ge和Si开始崭露头角，并于随后几十年奠定了计算机和自动化等技术发展的基础。目前，逻辑器件和功率器件2大类半导体器件，绝大部分均采用单晶硅材料制作而成，应用领域涉及工业、商业、交通、医疗、军事等各个方面，涵盖人类生产生活的各个环节和角落，人类社会正处在所谓的“硅材料时代”。但经过几十年的不停迭代，硅材料器件的性能潜力已被榨取殆尽，所谓的摩尔定律几近失效。相比之下，硅材料的禁带宽度窄、电子迁移率低（如表1所示），且属于间接带隙结构，在光电子器件和高频高功率器件的应用上存在较大瓶颈。
20世纪六七十年代，III-V族半导体材料的发展开辟了新的应用领域——光电和射频，以GaAs和InP为代表的第2代半导体材料出现在人们的视野中，同第1代半导体一起将人类社会带入信息时代，数据的互联互通开始加速。进入80年代，以SiC、GaN和金刚石等为代表的第3代半导体开始出现并迅猛发展，在新一代移动通信、新能源汽车、全球能源互联网、消费电子、新一代显示和高速轨道交通等领域展现出巨大优势，成为全球半导体产业竞争的战略高地。由此可见，化合物半导体已经成为未来硬科技发展的“根技术”，起到支撑、引领的作用，其战略价值不言而喻。需要特别说明的是，半导体第1、2、3代的划分是国内的惯用“断代法”，并没有特别明确的物理意义，各代半导体之间并非取代的关系，而是在不同领域、不同场景中各有优势（如图4所示）。
1.2 第2代半导体GaAs、InP：光电通信产业的基石
随着移动互联网、云计算、5G通信等技术的迅速普及推广，下游应用端不断涌现新的大带宽应用，全球数据量持续呈指数级增长。受此驱动，5G终端及基站数量迅猛增长，对射频器件的性能需求也水涨船高；
同时，互联网接入带宽速率与全球数据量保持同步增长，网络面临增长的压力，光通信成为互联网数据中心（IDC）解决方案，业界对光模块的性能提出更高要求。以GaAs、InP为代表第2代半导体，由于具有更高的电子迁移速率、更高的禁带宽度，在半导体光电通信和射频器件领域极具性能优势，因此受到了世界范围内的广泛关注。
GaAs在高功率传输领域展现出优良的、难以替代的物理性能优势，使砷化镓高速半导体器件产品更加广泛应用在手机电话、无线局域网络、卫星通讯、光纤通讯、卫星定位等领域。随着5G时代的到来，天线体积小型化、载波聚合技术、多用户多入多出技术对功率等级和线性度要求较高，具备高电子迁移率和饱和电子速率的GaAs在当前半导体材料当中具备绝对优势。GaAs材料的频率响应好、速度快、工作温度高，能满足集成光电子的需要，是目前5G中频段射频器件应用最理想的材料之一。
与GaAs相比，InP在半导体光通信领域应用更具优势：一是InP具有高电子峰值漂移速度、高禁带宽度、高热导率等优点；
二是InP的直接跃迁带隙为1.35eV，对应光通信中传输损耗最小的波段；
三是InP热导率高于GaAs，散热性能更好。目前，光通信器件普遍采用InP半导体材料，其优点是数码率高、波长单色性。采用InP制备的激光器、调制器、探测器及光模块已经广泛应用于光网络，近年来正推动互联网数据传输量迅猛提升，以满足社会生产生活对网络向更高速和更宽带宽方向发展的要求。
1.3 第3代半导体GaN、SiC：电力电子产业的东风
随着能源问题的日益凸显，电源、电动汽车、工业设备和家用电器等设备中功率变换器性能的提高变得尤为重要。而电力电子器件是电力电子技术的重要基础，电力电子装置中电力电子器件虽然只占装置总价值的20%～30%左右，但电力电子器件的性能对整个装置的各项技术指标和性能有着重要的影响，因而是电力电子领域中最关键的研究方向之一。基于化合物半导体材料的电力电子器件具有更优越的性能，近年来成为功率器件的研究热点，目前第3代半导体器件中SiC和GaN电力电子器件受到了业界的广泛关注（如图5所示）。
相对于传统Si材料，SiC应用于电子器件的优势主要来自3个方面。一是SiC功率模块的开关损耗显著低于Si基IGBT模块，且随着开关频率的升高两者差距更加显著，这意味着SiC模块可在实现高速开关的同时大幅度降低损耗。二是耐高温性能更好，SiC的热导率是Si的2倍以上，由此可带来更高的功率密度和更佳的散热能力，同时SiC的熔点显著高于Si，可耐受的温度更高。三是SiC模块非常便于实现小型化，SiC材料的通态电阻显著低于Si，在同样阻值的条件下SiC模块的尺寸仅为Si模块的1/10左右。
同样，相对于传统Si材料，GaN功率器件具有更高的功率输出密度、更高的能量转换效率，可有效降低电力电子装置的体积，使设备小型化、轻量化；
而相对于SiC材料，GaN拥有类似的宽禁带、电子迁移率等物理特性，但在成本控制方面却有着前者无法比拟的优势，尤其是GaN-onSi外延片能够利用成熟的硅基衬底工艺，晶圆成本能够大大降低。如图4和图6所示，Si、SiC和GaN的应用范围有所差异，并在部分范围内互有补充。此外，GaN在射频器件领域也有广泛应用，其提供的功率密度比GaAs器件高10倍，可以提供更大的带宽、更高的放大器增益，因此在5G宏基站方面具有明显优势。
2 化合物半导体供应链受制于人，国内企业开始发力
与Si半导体产业相似，化合物半导体产业链流程大致可分为衬底制备、外延生长、芯片设计制造和封装测试等环节，价值链则从上游衬底到下游元件逐渐放大。目前，化合物半导体产业链也基本形成了明确的全球分工格局，其中上游衬底、外延以及中游芯片设计、制造等关键环节基本为国外企业所垄断，国内企业则在积极追赶的进程中，而近期的中美贸易战和新冠疫情更是加速了这一进程。
2.1 GaAs产业集中度高，国产替代进程加速
从全球GaAs产业链来看，衬底和外延片市场均为少数几家海外企业所垄断。其中，GaAs衬底市场费尔伯格（Freiberger，德国）、住友电工（Sumitomo Electric，日本）、通美晶体（AXT，美国）3家公司的市场份额达到90%以上；
GaAs外延市场国际量子外延（IQE，英国）、全新光电（VPEC，中国台湾）、住友化学（Sumitomo Chemicals，日本）、英特磊（IntelliEPI，中国台湾）4家公司的市场份额亦超过90%以上。而中国GaAs衬底厂商当前主要占据低端LED市场（装饰用红外LED、信号等），仅少数GaAs衬底厂商能够供应高端LED市场（汽车和园艺照明用红外LED）用衬底。
与美日欧发达国家的企业相比，我国砷化镓产业链主要集中在LED芯片的上下游垂直整合，在整体竞争格局仍处于弱势，主要体现在：单晶衬底制造环节竞争力一般；
外延片中的射频器件竞争力较弱；
IDM环节中的射频器件竞争力缺失。近年随着中美贸易战愈演愈烈，华为、OPPO、vivo等中国品牌原采购Skyworks、Qorvo等美国供应商的功率放大器（PA）订单，开始往台系砷化镓代工厂和大陆砷化镓代工厂进行转移，以三安光电和海威华芯为代表的国内企业在技术和量产能力上正在加速缩短与美日欧的差距。
2.2 InP产业链上游国外垄断，我国占据产业链中游生态
由于在磷化铟单晶生长设备和技术方面存在较高壁垒，磷化铟衬底市场参与者较少，且以少数几家国外厂商为主，主要供应商包括日本住友、日本能源、美国通美晶体、法国InPact、英国WaferTech等，以上5家厂商占据了全球近80%的市场份额。其中，日本住友是行業龙头，占据着全球60%市场份额，美国通美晶体市占率15%，英法的公司市占率各10%和5%。
在中游领域，激光器欧洲和美国在激光领域起步较早，技术上具备领先优势，时至今日许多知名激光器企业已经发展壮大，如美国的IPG光电、nLight（恩耐）、II-VI（贰陆），德国的Trumpf（通快），以及丹麦的NKT Photonics等，国内企业则相对较小。相比之下，光模块产业链全球分工明确，国内厂商占据较大市场份额。欧美日等发达国家技术起步较早，在芯片和产品研发方面拥有较大技术优势。中国在技术方面起步晚，没有实现技术独立的优势，但是凭借劳动力优势、市场规模以及电信设备商的扶持，光模块在产业链中游占据较大市场份额，从OEM、ODM 发展为多个全球市占率领先的光模块品牌。
2.3 SiC产业美日欧三足鼎立，我国已布局全产业链
从产业格局看，美国是SiC产业领域内当之无愧的“霸主”，占全球SiC产量的70%～80%左右，仅科锐一家的SiC晶圆产量就占据全球60%以上；
日本、欧洲紧随美国其后，分别占据了价值链的关键部分，其中日本在SiC半导体设备和功率模块方面优势较大，比较典型的企业包括富士电机、三菱电机、昭和电工、罗姆半导体等，欧洲在SiC衬底、外延片和应用方面优势较大，典型的公司包括瑞典的Norstel、德国的英飞凌和瑞士的意法半导体。
与国外企业相比，国内企业整体竞争力较弱，但在全产业链上都有所布局，且近年来的进步十分迅速。在SiC衬底方面，山东天岳先进科技股份有限公司、北京天科合达半导体股份有限公司可以供应3～6英寸的单晶衬底，产能亦在不断提升；
在SiC外延方面，东莞天域半导体科技有限公司和厦门瀚天天成电子科技（厦门）有限公司均能够供应3～6英寸的SiC外延；
在SiC器件方面，以三安光电、中国电子科技集团公司第五十五研究所、比亚迪和中车时代为代表的国内企业在芯片设计与制造、模块封装等方面均已有深厚的积累。
2.4 GaN国内产业链布局完整，部分产品国际领先
在GaN产业链中，国际科技巨头包括科锐、Qorvo、MACOM已经积累起较高的技术优势，在产品性能和产品种类上都有明显的优势。相较之下，国内企业起步较晚，技术竞争力稍显不足，但已经具备包括单晶衬底、外延片、器件设计、封装测试、可靠性试验等的完整产业链布局，甚至部分产品达到国际领先水平。目前，国内涉足GaN产业链的企业包括GaN衬底生产商苏州纳维、东莞中镓，外延片生产商苏州晶湛半导体有限公司、苏州能讯高能半导体有限公司，以及芯片设计制造商安谱隆半导体（合肥）有限公司（收购自恩智浦）、三安光电等。
目前，化合物半导体的下游应用场景主要集中在高频率高带宽5G通讯和高功率的新能源汽车等领域。而要生产高频高带宽的5G射频芯片、高功率的电力电子器件，就必须要有高质量的化合物半导体衬底和外延。从价值分布来看，化合物半导体产业链70%以上的利润集中在衬底和外延环节。从技术壁垒来看，整个化合物半导体的技术实力，主要取决于外延层和衬底的技术水平。当前，全球能够生产化合物半导体芯片的公司不少，但是能生产高质量衬底和外延的企业却屈指可数。从竞争格局来看，全球化合物半导体企业中欧美企业在第1梯队，日韩企业在第2梯队，中国大陆地区正在积极介入，但暂时落后于人。
3 下游需求强力驱动，化合物半导体产业蓄势待发
整体而言，化合物半导体的应用领域可分为电子器件和光电器件2大部分，其中电子器件部分主要包括电力电子器件和射频器件等，光电器件部分则主要包括LED照明显示、激光器和光伏器件等。未来随着5G、互联网数据中心、新能源汽车、能源互联网、消费电子等下游产业的快速发展与革新，上游化合物半导体产业将迎来新一轮的腾飞。
3.1 5G基站建设逐步放量，GaAs、GaN迎来规模化增长
当前，世界主要国家如美日中韩等国都已开启5G商用，基站建设正处于逐步放量階段。5G给基站建设带来诸多挑战，将会对化合物半导体市场产生深远影响：一是更高频率和更大带宽，4G频率范围为1.88～2.635GHz，而5G的Sub-6GHz频段和毫米波频段的频率高达0.45～6GHz和24.25～52.6GHz，分量载波带宽可达100MHz；
二是对功率密度的需求更高，5G基站的功率比4G基站功率提高70%左右，运营商需要在相同大小空间内提供更高功率；
三是更小体积，5G MassiveMIMO和波束成形技术采用阵列天线，器件数量大幅增加，设备小型化的需求驱动内部器件小型化。
未来，5G宏基站将以64通道的大规模阵列天线为主，单基站PA需求量接近200个，目前基站用功率放大器主要为Si基的LDMOS（横向扩散金属氧化物半导体）技术，但是LDMOS技术适用于低频段，在高频领域存在局限性。未来，5G基站GaN、GaAs射频PA将成为主流技术，其中GaN能较好的适用于大规模多输入多输出（Multi Input Multi Output，MIMO）通道，更高更好地适应器件小型化的需求。根据Yole的预计，2023年GaN-RF在基站中的市场规模将达到5.2亿美元，年复合增长率达到22.8%。
3.2 电信+数通驱动光模块迅速增长，InP材料蓄势待发
现代通信主要通过光纤光缆进行远距离传输，但终端发送和接收都是通过电信号实现的，因此两端都需要有光电信号的转换装置——光模块。现如今，光模块已经大量应用于通信行业和数据中心行业。2011—2019年，全球及中国光模块市场规模持续增长，从2011年的全球、中国光模块市场规模30.5亿、9.5亿美元，到2019年的全球、中国光模块市场规模59.4亿元和24.6亿美元。据Yole预测，2019—2025年光模块的复合增长率为15%，2025年光模块市场将增长至177亿美元。
受此驱动，全球InP市场将迎来持续快速增长。据Semiconductor Today预测，全球磷化铟应用市场规模将从2018年的0.77亿美元，提高到2024的1.7亿美元。其中，电信光模块应用在5G基建的驱动下，预计从2018年0.35亿美元增长至2024年0.53亿美元；
数通光模块在IDC高速增长下市场规模增量有望升级，从2018年0.22亿美元增长至2024年0.96亿美元。
3.3 新能源汽车销量快速增长，SiC半导体需求旺盛
据国际能源署预测，在全球可持续经济发展的大背景下，全球电动汽车保有量将从2019年的720万辆增长至2030年的2.45亿辆。受益于未来新能源汽车销售量迅速增长，车用SiC功率器件有望迎来爆发性增长。据英飞凌统计，传统燃油车向新能源汽车升级大幅增加了半导体器件的价值，约从平均355美元增加至695美元，其中半导体功率器件增幅更为显著，约从原17美元增长至265美元。另据英飞凌预测，SiC器件在新能源车中的渗透率有望不断提升，将从2020年的3%提升至2025年的20%。在上述因素的共同作用下，车用SiC功率器件预计将维持快速增长态势。
与此同时，新能源汽车充电桩的加速建设，为SiC半导体产业打开了一个巨大的增量市场。据国家发改委数据，截至2019年底我国充电设施数量120多万个，与380多万量的新能源车保有量相比仍是短板，未来建设将持续加速，仅2020年就预计新建充电桩60万个以上。一个直流充电桩大约需要170个MOS，SiC器件用在充电桩中具有高功率密度、超小体积的优势，并且支持快速充电，成为未来的发展趋势。随着SiC器件在充电桩渗透率的不断提升，对上游SiC衬底和外延片的需求量也将保持快速增长态势。
4 结语
目前，化合物半导体在产业界一般指的是砷化镓、磷化铟、氮化镓、碳化硅4类半导体，应用领域主要包括通信（光电器件、射频器件）、新能源（电力电子器件）等领域。化合物半导体产业可以算得上是新生事物，但其实“新生”不仅是对中国而言，美日科技巨头在该领域的发展史也并不长。例如，美国科锐从20世纪70年代开始做碳化硅半导体，而同时期硅基半导体公司已经遍地开花结果，形成产业集群了。与硅基半导体晶圆厂动辄数百亿规模的投资相比，化合物半导体对先进制程的要求不高，在成本上对投资者比较友好。未来，随着5G通信、大数据、无人驾驶、新能源汽车、能源互联网等产业的爆发，化合物半导体产业将迎来大规模放量。目前，中国企业与美欧日科技巨头在起跑线上并没有差距太远，中国凭借国内强大的市场需求和产业配套能力，未来仍有许多赶超的机会。
10.19599/j.issn.1008-892x.2020.06.010
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