2017年:新一代半导体材料应用与需求分析

来源:北京科技情报所

半导体材料升级换代作为集成电路发展基础,半导体材料逐步更新换代,第一代半导体材料以硅(Si)为主导,目前,95%的半导体器件和 99%以上的集成电路都是硅材料制作。20 世纪 90 年代以来,光纤通讯和互联网的高速发展,促进了以砷化镓(GaAs)、磷化铟(InP)为代表的第二代半导体材料的需求,其是制造高性能微波、毫米波器件及发光器件的优良材料,广泛应用于通讯、光通信、GPS 导航等领域。第三代半导体材料主要包括碳化硅(SiC)、氮化镓(GaN)、金刚石等,因其禁带宽度(Eg)大于或等于2.3 888真人注册伏特(eV),又被称为宽禁带半导体材料。

国内半导体材料市场高速增长。半导体材料市场会根据半导体行业的变化而变化。目前,2015 年全球半导体材料市场产值已达到 434 亿美元,约占据整体产业的 13%,其规模巨大。国内半导体材料市场近年来受产业链增长拉动,半导体材料销售额保持较高增速,2006-2015 年保持平均 14%的增长率。2015 年已经达到 61.2 亿美元的规模,且占有率有持续增长的趋势。预计随着全球半导体产业向大陆转移,日本、台湾等占有率将有所下降,而大陆半导体材料市场将会进一步扩大。

主攻新一代半导体材料及集成电路。我国第一代、第二代半导体材料及集成电路产业与国际水平差距较大,而在第三代半导体领域的研究工作一直紧跟世界前沿,工程技术水平和国际先进水平差距不大,已经发展到了从跟踪模仿到并驾齐驱、进而可能在部分领域获得领先和比较优势的阶段,并且有机会实现超越。

新一代半导体应用领域广泛 ,潜在市场空间大。第二\三代半导体材料正在引起清洁能源和新一代888真人注册信息技术的革命,无论是通信、照明、消费888真人注册设备、新能源汽车、智能电网、还是军工用品,都对这种高性能的半导体材料有着极大的需求。未来第三代半导体技术的应用将催生我国多个领域的潜在市场,届时将产生巨大的市场应用空间。

通信应用 :5G技术引领通信革命,推动砷化镓半导体市场 

通信技术更新换代,传输速度呈数量级增长 从上世纪 80 年代至今,每一代移动通信标准都有着其标志性的能力指标和核心关键技术。1G 只能提供模拟语音业务;2G的 GSM 网络可提供数字语音和低速数据业务;3G 以 CDMA 为技术特征,用户峰值速率达到 2Mbps 至数十 Mbps,可以支持多媒体数据业务;4G LTE 网络用户峰值速率可达 100Mbps 以上,能够支持各种移动宽带数据业务。

5G 技术将引领新革命。相比前四代通讯技术,5G 网络的变革将更加全面,在进一步提高通讯传输速度的同时,更加强调连续广域覆盖、热点高容量、低时延高可靠和低功耗大连接等场景下的技术需求,为进一步升级的移动互联网市场,和新兴的物联网、智能汽车、智能制造、虚拟现实等市场提供多元化的技术方案。目前国际主流的行业组织、运营商、设备厂商和芯片厂商都在积极投入 5G 标准的制定,预计到 2020 年前后,5G 网络将实现商用。

5G 技术需要海量新型半导体产品支撑 。每一代通讯标准的升级都伴随着通讯芯片厂商的起起落落,如 3G 网络直接带来了高通的崛起,同时也伴随着摩托罗拉通讯芯片业务(后拆分为 Freescale)的衰落;4G 时代,高通、联发科、海思、展讯等茁壮成长。

未来,5G 网络的商用必然将催生移动通信芯片升级换代的海量市场,同时也将带来通讯芯片市场版图的巨大变化。5G 技术高速率和低延迟的要求,对化合物半导体提出了新的需求。比如功率、线性度、工作频率、效率、可靠性等都需要达到极高的标准。由于 5G 通信全频带通信的特性,5G 手机中射频前端芯片数量将进一步增加,带动以 GaAs 为代表的第二/三代化合物半导体产业链发展。具体到实践当中,可以从设备端和基站端两分析。基站端需求 。5G 实际应用中,带相控阵天线的手机将发射信号给基站和微蜂窝基站,基站和微蜂窝基站将与相控阵天线对接以实现信号连接。基站使用的射频功率管一般采用 LDMOS 工艺,但现在 LDMOS 工艺正在被氮化镓(GaN)工艺取代。GaN 是宽禁带材料,意味着 GaN 能够耐受更高的电压,有更高的功率密度和可工作温度更高,能够满足 5G 通信基站的要求。

同时,5G 采用高频频谱虽然能提供更高的数据传输速率,但这一频段的电磁波传输距离很短,且容易被障碍物阻挡。因而移动运营商可能需要建设数百万个小型基站,将其部署至每根电线杆、每栋大楼,每户房屋,甚至每个房间,这也就意味着基于 GaN的 PA 芯片需求将出现飞跃增长。根据市场调查机构 Yole 的估计,GaN 功率器件需求有望在今后 5 年内爆发,复合增长率可达 90%以上。

手机端需求 。4G 手机中数字电路部分包括应用处理器和调制解调器,射频前端则包括功率放大器(PA)、射频信号源和模拟开关。功率放大器通常采用砷化镓(GaAs)材料的异质结型晶体管(HBT)技术制造。未来的 5G 手机也要有应用处理器和调制解调器。不过与 4G 系统不同,5G 手机还需要相控阵天线,每根天线都有独立的 PA 和移相器,并与一个覆盖整个工作频率的信号收发器相连,相应的半导体器件需求将会更大。

2015 年全球智能手机销量达 14.3 亿部, 中国智能手机出货量达 5.39 亿部。根据估算,2016 年度全球智能手机出货量预计达到 15 部,手机砷化镓功率元件需求量超过 160 亿只,国内手机市场砷化镓元件需求量接近 60 亿只。未来随着 4G 手机渗透率的不断提升和 5G 技术的商用化,手机用砷化镓元件还将不断增长。