金属非金属新材料行业：GaAsGaN5G_时代执掌主场-20191105-兴业证券-23页.pdf

请务必阅读正文之后的信息披露和重要声明请务必阅读正文之后的信息披露和重要声明 行行业业 研研 究究 行行业业深深度度研研究究报报告告 证券研究报告证券研究报告 金属非金属新材料金属非金属新材料 推荐推荐 (首次首次 ）重点公司重点公司 重点公司 评级 相关报告相关报告 科创板企业之嘉元科技2019-07-09 分析师：邱祖学 S0190515030003 王丽佳 S0190519080007 苏东 S0190519090002 研究助理：团队成员：投资要点投资要点 逐鹿逐鹿 5G，GaAs/GaN 稳居绝对主角稳居绝对主角。由于 5G 方案的频段相对于 4G 更高、带宽更大，路径损耗相对更大，对射频前端器件的材料性能提出了新的要求：1）禁带宽度更大；2）临界击穿电场更高；3）热导率更高；4）饱和电子速率和电子迁移率更高。从衬底材料的角度，5G 时代（Sub-6GHz）仍然是 GaAs 的主场，但中长期发展到更高频的毫米波阶段后，GaAs 热导率较低，散热性较差，其射频器件可承受的功率相对较低，大概率需要使用以 GaN 为工作层的材料。目前 GaN 可作为外延材料生长在 SiC、Si等衬底上，预计 GaN-on-SiC 将成为 5G 时代对功率要求较高的宏基站射频器件用半导体材料的主流，而微基站功耗要求相对较小，GaAs 将主导。GaAs/GaN 市场空间测算（仅考虑手机和基站射频应用）市场空间测算（仅考虑手机和基站射频应用）。手机：手机：换机潮换机潮+渗透率提升渗透率提升+PA 数量增加，数量增加，GaAs 需求迎来大放量。需求迎来大放量。我们预测，2019-2023年全球智能手机+功能手机 GaAs PA 需求量将从 61.8 亿个增长至 127 亿个，GAGR 达 19.8%。即使考虑小型化趋势，未来几年 GaAs PA 的需求量也有显著的增长。基站：基站：基站数量增加基站数量增加+单个基站上的单个基站上的 PA 数量成倍增长，数量成倍增长，带动带动 GaAs 和和 GaN 需求大幅增长，此外，宏基站的应用上，需求大幅增长，此外，宏基站的应用上，GaN 在高频、在高频、高功率性能上占据绝对优势，预计也会持续抢占高功率性能上占据绝对优势，预计也会持续抢占 LDMOS 的市场份额，的市场份额，带来带来需求进一步提升。需求进一步提升。根据 Yole 预测，GaAs 射频器件市场总额 2016-2022 GAGR 达 10.1%，其中基站领域 GAGR 超 70%。GaN 射频器件的市场规模 2017-2023 GAGR 超过 20%，最主要的增量也是来自于基站的应用。全球竞争格局：由海外主导的寡头市场全球竞争格局：由海外主导的寡头市场。GaAs：射频领域技术门槛高，市场集中度高，从材料到设计均由海外主导。2017 年衬底市场费尔伯格、住友电工、AXT 3 家公司市场份额达 94%，外延片外包领域两大巨头是IQE 和全新光电，市场份额分别为 55%和 26%，中国当前主要占据低端LED 市场。GaN：相较于 GaAs 属新兴市场，研发和生产上海外厂商包括Cree、Qorvo、MACOM、MMIC 等均走在技术发展和产品出新的前列。GaAs/GaN 材料相关材料相关 A 股上市公司股上市公司。有研新材有研新材：旗下有研光电拥有 60 万片/年的 GaAs 衬底产能，采用水平 GaAs 单晶生产线，产品均匀性优异，定位于高端 LED 应用，附加值高，是全球红外 LED 用砷化镓基片的主要供应商之一。云南锗业云南锗业：GaAs 单晶片产能为 80 万片/年（折合 4 英寸），2019 年上半年产量 4.17 万片，目前 6 英寸尚未批量生产，产品主要销往韩国、福建、台湾等地。2019 年上半年公司非锗半导体材料级产品（GaAs、InP）实现营业收入 541.78 万元，占营业收入比重还较小，仅为 2.36%。风险提示风险提示：5G 手机销量低于预期；手机销量低于预期；5G 基站建设进展缓慢；基站建设进展缓慢；GaAs 射频器件在射频器件在手机功率放大器领域渗透率的提升不及预期；手机功率放大器领域渗透率的提升不及预期；GaN 衬底及外延技术实现重大衬底及外延技术实现重大突破，加速对突破，加速对 GaAs 射频器件的替代；射频器件的替代；其他可替代材料实现技术突破导致其他可替代材料实现技术突破导致 GaAs和和 GaN 的应用市场竞争加剧。的应用市场竞争加剧。title GaAs/GaN：5G 时代，时代，执掌执掌主场主场 2019 年年 11 月月 05 日日 2 3 1 5 7 5 3 5/4 3 3 4 8/2 0 1 9 1 1 0 5 1 5:2 6 请请务必阅读务必阅读正文之后的信息披露和重要声明正文之后的信息披露和重要声明 -2-行业深度研究报告行业深度研究报告 目目 录录 1、GaAs/GaN 材料简介.-4-1.1、GaAs.-4-1.2、GaN.-5-2、逐鹿 5G，GaAs/GaN 稳居绝对主角.-7-2.1、5G 对射频材料提出了哪些新的要求？.-7-2.2、为什么衬底材料非 GaAs 莫属？.-8-2.2.1、从性能来看，GaAs/GaN 无疑是最优选项.-8-2.2.2、从技术成熟度来看，GaN 衬底要替代 GaAs 还任重道远.-10-2.3、GaN 作为双主角，地位体现在哪里？.-11-3、GaAs/GaN 市场空间测算（仅考虑手机和基站射频应用）.-13-3.1、手机：换机潮+渗透率提升+PA 数量增加，GaAs 需求大放量.-13-3.2、基站：数量快速增长，GaAs、GaN 各领风骚.-15-4、GaAs 在光电领域的应用.-17-4.1、LED：体量大，预计仍有稳健增长.-17-4.2、激光：从无到有，VCSEL 有望实现高增速.-18-4.3、光伏：小众市场，预计增速较低.-19-5、由海外主导的寡头市场，自主可控拉开国产化替代序幕.-19-5.1、全球竞争格局：由海外主导的寡头市场.-19-5.2、自主可控拉开国产化替代序幕.-21-6、GaAs/GaN 材料相关 A 股上市公司.-22-6.1、有研新材：定位高端 LED 市场.-22-6.2、云南锗业：布局 GaAs 和 InP 材料.-22-7、风险提示.-22-图 1、GaAs 当前主要应用市场.-4-图 2、2017 年 GaAs 衬底出货量（等效 6 英寸，片）.-5-图 3、2017 年 GaAs 外延片出货量（射频&激光领域，等效 6 英寸，片）.-5-图 4、GaN 主要应用于光电子、电力电子和微波射频领域.-6-图 5、GaN 射频器件市场分布.-6-图 6、移动设备通信细分领域市场增速.-6-图 7、5G 主要使用 2 类频段：Sub-6GHz 和毫米波.-7-图 8、射频器件不同材料.-8-图 9、GaAs HBT 基本结构示意图.-9-图 10、GaAs pHEMT 基本结构示意图.-9-图 11、Si、GaAs 及 GaN 材料参数比较.-9-图 12、不同材料适用的工作频率和输出功率.-10-图 13、GaN 微波功率器件的主要应用领域.-12-图 14、通信基站的发展趋势.-13-图 15、国内手机出货量构成.-13-图 16、国内 2G、3G、4G 手机出货量（万部）.-13-图 17、全球智能手机出货量.-14-图 18、全球智能手机出货量预测.-14-2 3 1 5 7 5 3 5/4 3 3 4 8/2 0 1 9 1 1 0 5 1 5:2 6 请请务必阅读务必阅读正文之后的信息披露和重要声明正文之后的信息披露和重要声明 -3-行业深度研究报告行业深度研究报告 图 19、手机 PA 材料市场份额（2017-2023）.-14-图 20、5G 的宏基站+微基站.-15-图 21、Massive MIMO 技术.-16-图 22、2016-2022 年射频器件市场总额预测（十亿美元）.-16-图 23、2016-2022 年 GaAs 射频器件市场总额预测（百万美元）.-16-图 24、GaN 射频器件市场规模预测.-17-图 25、2017-2023 年 LED 领域用 GaAs 衬底出货量预测（等效 6 英寸,片）.-18-图 26、2017-2023 年 LED 领域用 GaAs 衬底市场总额预测（百万美元）.-18-图 27、2017 年不同应用的 GaAs 衬底平均售价比较.-18-图 28、2017-2023 年激光领域用 GaAs 衬底出货量及市场总额预测.-19-图 29、2017-2023 年激光领域用 GaAs 外延片出货量及市场总额预测.-19-图 30、2017-2023 年光伏领域用 GaAs 衬底出货量预测（等效 6 英寸，片）-19-图 31、2017-2023 年光伏领域用 GaAs 衬底市场总额预测（百万美元）.-19-图 32、全球 GaAs 产业链.-20-图 33、GaAs 衬底厂商市场占有率（2017 年）.-20-图 34、GaAs 外延片厂商市场占有率（2017 年，射频领域）.-20-图 35、全球 GaN 射频材料生产企业版图.-21-图 36、大陆 GaN 电力电子和射频器件产业链.-21-表 1、典型半导体材料特性参数对比.-5-表 2、智能手机用功率放大器从 2G 到 5G 的演进.-10-表 3、不同衬底的物理特性.-12-表 4、全球手机 GaAs PA 需求量预测.-15-2 3 1 5 7 5 3 5/4 3 3 4 8/2 0 1 9 1 1 0 5 1 5:2 6 请请务必阅读务必阅读正文之后的信息披露和重要声明正文之后的信息披露和重要声明 -4-行业深度研究报告行业深度研究报告 报告正文报告正文 1、GaAs/GaN 材料材料简介简介 1.1、GaAs 砷化镓（砷化镓（GaAs）是是当前当前最重要、最重要、技术成熟度技术成熟度最高最高的的化合物化合物半导体半导体材料材料之一。之一。GaAs 材料具备禁带宽度大、电子迁移率高的特性，且为直接带隙，发光效率高，是当前光电子领域应用的最主要材料，同时也是重要的微电子材料。根据导电性能的差异，GaAs 材料可分为半绝缘（SI）GaAs 和半导体（SC）GaAs，半绝缘半绝缘 GaAs 晶片中，衬底与形成在顶部的外延晶体管器件绝缘，主要应用于制作射频电路。半导体半导体 GaAs 通过向 GaAs 中添加熔融导电掺杂剂来产生半导电的晶锭，主要用于制作光电器件，例如 LED、激光器和光伏器件。图图 1、GaAs 当前当前主要主要应用应用市场市场 射频激光光伏LED激光激光VCSEL激光器EEL激光器光电二极管射频射频手机无线局域网射频功率器件光伏光伏聚光光伏空间太阳能电池新兴光伏发光二极管发光二极管红橙黄LED红外LED 资料来源：Yole，兴业证券经济与金融研究院整理 射频射频为为当前当前 GaAs 材材料料应用应用的的最主要最主要下游下游。从 2017 年 GaAs 衬底的出货量数据来看，四大主要应用领域中，射频、LED、激光和光伏市场占比分别为 46.52%、42.19%、10.17%和 1.12%，射频和 LED 是 GaAs 衬底应用的最主要市场。外延片领域，射频和激光应用是外延片外包领域两个重要市场，从 2017年 GaAs 外延片出货量数据来看，射频领域在规模上也具备明显优势。2 3 1 5 7 5 3 5/4 3 3 4 8/2 0 1 9 1 1 0 5 1 5:2 6 请请务必阅读务必阅读正文之后的信息披露和重要声明正文之后的信息披露和重要声明 -5-行业深度研究报告行业深度研究报告 图图 2、2017 年年 GaAs 衬底衬底出货量出货量（等效等效 6 英寸，英寸，片片）图图 3、2017 年年 GaAs 外延片外延片出货量出货量（射频射频&激光激光领领域，域，等效等效 6 英寸英寸，片片）799,631 725,323 174,799 19,252 0100000200000300000400000500000600000700000800000900000射频LED激光光伏2017年GaAs衬底出货量（等效6英寸，片）683,685 30,683 0100000200000300000400000500000600000700000800000射频激光2017年GaAs外延片出货量（等效6英寸，片）资料来源：Yole，兴业证券经济与金融研究院整理 资料来源：Yole，兴业证券经济与金融研究院整理 1.2、GaN 氮化镓氮化镓（GaN）作为作为第三代第三代半导体半导体材料材料的的典型代表典型代表，相较于前两代半导体材料，禁带宽度更宽，具有更高的临界击穿电场，更大的饱和电子速率和更小的介电常数，能够承受更高的工作电压，适合更高频率，可实现更高的功率密度，同时耐高温、耐腐蚀、抗辐射等性能优异，在多项性能上能够实现对第二代半导体材料（GaAs、InP 等）性能极限的突破。表表 1、典型半导体材料特性参数对比典型半导体材料特性参数对比 特特性性参数参数 第三代第三代 第二代第二代 第一代第一代 SiC GaN GaAs InP Si 禁带宽度（eV）3.2 3.4 1.4 1.3 1.1 临界击穿电场（MV/cm）3.0 3.3 0.4 0.5 0.3 电子迁移率（cm2 V-1s-1）900 1000 8500 5400 1350 饱和电子速率（107cm/s）2.0 2.5 2.0 1.0 1.0 工作温度（）500 500 350 300 250 介电常数 9.7 9.8 13.1 12.5 11.9 数据来源：知网，兴业证券经济与金融研究院整理 得益于得益于性能上性能上较较第第一、一、二二代代半导体材料半导体材料质的质的飞跃，飞跃，GaN 成为成为制作制作短波长短波长发光发光器件、器件、光电探测器光电探测器以及以及高温、高温、高频、高频、大功率大功率电子器件电子器件的的理想理想材料材料。光电子领域：包括短波长 LED、激光器、光电探测器等，特别是 GaN基紫外光电探测器，可应用于军事、航空航天、环保、科研等多领域。电力电子领域：包括智能电网、太阳能发电、风电领域的控制器等，节能和无损耗处理高电压操作的特点也使得 GaN 成为新能源汽车电子器件的重要材料之一，GaN 具备低损耗、高频率、高效率优势。微波射频领域：包括 5G 通信、卫星通讯、雷达预警（GaN 在军事领域应用的重要场景）等，GaN 具备高带宽、高效率、高功率密度等优势。目前，GaN 的应用仍以军用为主导，并已经开始逐步向汽车无人驾驶、无线通信基站等民用领域拓展。2 3 1 5 7 5 3 5/4 3 3 4 8/2 0 1 9 1 1 0 5 1 5:2 6 请请务必阅读务必阅读正文之后的信息披露和重要声明正文之后的信息披露和重要声明 -6-行业深度研究报告行业深度研究报告 图图 4、GaN 主要主要应用应用于于光光电电子、子、电力电子电力电子和和微波射微波射频频领域领域 图图 5、GaN 射频射频器件器件市场市场分布分布 LED激光器光电探测器光电子光电子电力电子电力电子微波射频微波射频GaN下游应用下游应用 智能电网 高速轨道交通 新能源汽车 消费类电子5G通信雷达预警卫星通讯 电信（Telecom）40%军事（Military）38%其他（卫星通讯、有线电视）22%资料来源：第 3 代半导体发展概述及我国的机遇、挑战与对策，兴业证券经济与金融研究院整理 资料来源：Yole，兴业证券经济与金融研究院整理 5G 浪潮浪潮下，下，移动设备移动设备射频射频产产业业有望有望迎来迎来重要重要发展机遇发展机遇，作为作为器件器件的的重要基重要基石，石，上游上游材料材料的的需求需求预计预计也将也将迎来迎来新新一一轮轮迅猛迅猛的的增长增长。本文本文将将以此以此入手，入手，首首先先对对 5G 发展发展下下 GaAs 和和 GaN 的的射频领域射频领域应用应用市场市场进行进行研究分析。研究分析。图图 6、移动设备移动设备通信通信细分领域细分领域市场增速市场增速 资料来源：Yole，兴业证券经济与金融研究院整理 2 3 1 5 7 5 3 5/4 3 3 4 8/2 0 1 9 1 1 0 5 1 5:2 6 请请务必阅读务必阅读正文之后的信息披露和重要声明正文之后的信息披露和重要声明 -7-行业深度研究报告行业深度研究报告 2、逐逐鹿鹿 5G，GaAs/GaN 稳稳居居绝对绝对主角主角 2.1、5G 对对射频材料射频材料提出了提出了哪些哪些新的新的要要求求？根据 3GPP 标准定义，5G NR（New Radio，新空口）主要使用两大频率范围：FR1 对应频率范围 450MHz-6GHz，最大信道带宽 100MHz，也称为Sub-6GHz 频段。FR2 对应频率范围 24.25GH-52.60GHz，最大信道带宽 400MHz，也即我们所说的毫米波频段（mmWave）。图图 7、5G 主主要要使用使用 2 类类频段：频段：Sub-6GHz 和和毫米波毫米波 资料来源：知网，兴业证券经济与金融研究院整理 随着随着频率频率的的提高，提高，射频材料射频材料也也面临面临着着新的新的挑战挑战。由于 5G 方案的频段相对于目前主流的 4G 频段更高、带宽更大，路径损耗相对更大，对射频前端器件的材料和工艺都提出了新的要求：1）禁带宽度更大，以运行更高的频带；2）临界击穿电场更高，以满足更高功率的应用；3）热导率更高，更易将器件中的功耗传导到周围环境，实现散热；4）饱和电子速率和电子迁移率更高，寄生电阻小，电子渡越时间更短，以适应更高频的工作环境。5G 以以 Sub-6GHz 为为首发首发频段频段。Sub-6GHz 频段相比于毫米波频段由于频率相对较低，穿透能力更强，覆盖范围更广，兼顾网络速度和信号覆盖，同时可以沿用现有的 4G LTE 网络，需要的基站数量相对毫米波更少，此外，产业链的技术成熟度相对毫米波也更高，将是 5G 时代先期建设的首选频段。2017年 11 月，工信部明确了 3300-3400MHz(原则上限室内使用)、3400-3600MHz和 4800-5000MHz 频段作为 5G 系统的工作频段，将中频段作为我国 5G 系统先期部署的主要频段。从三大运营商来看，中国电信获得 3400MHz-3500MHz频段的 5G 试验频率资源；中国联通获得 3500MHz-3600MHz 频段的 5G 试验频率资源；中国移动获得了 2515MHz-2675MHz、4800MHz-4900MHz 频段的 5G 试验频率资源，其中 2515-2575MHz、2635-2675MHz 和 4800-4900MHz频段为新增频段，2575-2635MHz 频段为重耕其现有的 TD-LTE（4G）频段。毫米波毫米波是是未来未来发展发展的的重要重要趋势趋势。毫米波频段由于频率高、带宽大，可实现更快的传输速率，具备速度快、数据量大、时延小、信号分辨率高、传输安全性强的优势，未来通过微基站的方式解决其穿透能力弱、路径损耗大、难以进行长距离传输的缺点，将是 5G 发展的重要趋势。2 3 1 5 7 5 3 5/4 3 3 4 8/2 0 1 9 1 1 0 5 1 5:2 6 请请务必阅读务必阅读正文之后的信息披露和重要声明正文之后的信息披露和重要声明 -8-行业深度研究报告行业深度研究报告 2.2、为什么为什么衬底材料衬底材料非非 GaAs 莫属？莫属？常见的射频器件用半导体材料有 Si、GaAs、GaN、SiC、InP 和 SiGe。从目前的应用来看，属于百花齐放、百家争鸣的格局，其中，最主流的是 Si CMOS和 GaAs 两种。5G 时代的到来，对射频器件用半导体材料也提出了新的要求。我们我们认为认为，从从衬底衬底材料材料的的角度，角度，当前当前 5G 时代时代（Sub-6GHz）仍仍然然是是 GaAs 的的主场主场。图图 8、射射频频器件器件不同不同材料材料 资料来源：Yole，兴业证券经济与金融研究院整理 2.2.1、从从性能性能来看，来看，GaAs/GaN 无疑无疑是是最最优优选项选项 砷化镓（砷化镓（GaAs）：当前最主流，同时也是技术最成熟的化合物半导体材料。随着 5G 时代的来临，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，GaAs：具备高电子迁移率和饱和电子速率，电子迁移率在当前半导体材料当中具备绝对优势，是 Si 材料的 6 倍以上，同时也显著高于第三代半导体材料，饱和电阻速率也达到 Si 材料的 2 倍；禁带宽度大，为 1.42eV，而 Si 仅 1.12eV；临界击穿电压高于 Si；因此，GaAs 是目前 5G 中频段射频器件应用最理想的材料之一。GaAs 射频功率放大器最常用的设计工艺包括 HBT（异质结双极晶体管）、HEMT（调制掺杂场效应晶体管）、pHEMT（赝调制掺杂异质结场效应晶体管）和 MESFET（金属-半导体场效应晶体管）。其中 HBT 晶体管：纵向器件，相比 HEMT 和 MESFET 横向器件，有效洁面积上流过的电流密度更大，功率密度更高；单一正电源供电，HEMT 和 MESFET 一般需要负的栅极电压；双极型晶体管，相比 HEMT 和 MESFET 跨导更高，能获得更高增益；开启电压取决于外延层的禁带宽度，而 HEMT 和 MESFET 的阈值电压由加工工艺精度决定，HBT 晶体管开启电压一致性更好；漏电流小，用于制作手机功放可延长电池寿命；因此，HBT 工艺是当前 GaAs 射频功率放大器采用的主流工艺。2 3 1 5 7 5 3 5/4 3 3 4 8/2 0 1 9 1 1 0 5 1 5:2 6 请请务必阅读务必阅读正文之后的信息披露和重要声明正文之后的信息披露和重要声明 -9-行业深度研究报告行业深度研究报告 图图 9、GaAs HBT 基本结构基本结构示意图示意图 图图 10、GaAs pHEMT 基本结构基本结构示意图示意图 资料来源：知网，兴业证券经济与金融研究院整理 资料来源：知网，兴业证券经济与金融研究院整理 氮化镓氮化镓（GaN）：理论上多项性能显著优于 GaAs，是 GaAs 器件的最大潜在竞争者。GaN 禁带宽度 3.4eV，大大高于第一代半导体 Si 和第二代半导体GaAs，临界击穿电压也高于其他半导体材料，同时 GaN 还拥有更高的饱和电子速率，可运行更高的频带，适应更高的工作温度，理论上性能优于 GaAs，是 GaAs 器件重要的竞争者。硅硅（Si）：第一代半导体材料，随着射频器件逐渐向高频、高功率演进，由于性能限制应用逐步受限。一方面，Si 的饱和电子速率和电子迁移率较低，高频特性相对较差；另一方面，以 Si 为衬底高频损耗较高。此外，击穿电压相对较低是 Si 材料最大的硬伤，导致其难以适应大功率射频器件的设计。从智能手机功率放大器的演进来看，2G 时代仍以 Si 基 CMOS 为主，到 3G 时代，CMOS 的市场占有率已经开始下滑，随着射频器件的应用场景进一步向高频、高功率演进，Si 基 CMOS 由于在性能上的局限性明显，在智能手机功率放大器市场的占有率预计会进一步下滑。图图 11、Si、GaAs 及及 GaN 材料材料参数参数比较比较 资料来源：中国电子科技集团公司第十三研究所，兴业证券经济与金融研究院整理 2 3 1 5 7 5 3 5/4 3 3 4 8/2 0 1 9 1 1 0 5 1 5:2 6 请请务必阅读务必阅读正文之后的信息披露和重要声明正文之后的信息披露和重要声明 -10-行业深度研究报告行业深度研究报告 表表 2、智能手机用功率放大器从智能手机用功率放大器从 2G 到到 5G 的演进的演进 2G 3G 4G 4G+5G 功率放大器功率放大器平均数量平均数量 1-2 2 3-5 4-6 数量增加 功率放大器功率放大器技术技术 互补金属氧化物半导体（CMOS）为主 GaAs 为主，CMOS 为辅 GaAs GaAs Sub 6GHz：GaAs 毫米波：？资料来源：Yole，兴业证券经济与金融研究院整理 碳化硅碳化硅（SiC）：第三代半导体材料，目前衬底已经做的比较好，但只用碳化硅做不好连续激发，目前来看较难作为射频器件的应用，在高铁和电车上替代 Si 的 IGBT 具备较好的应用前景。磷化铟磷化铟（InP）：与 GaAs 同属于第二代半导体材料，两者基本性能相差不多，但由于其衬底易碎，加工难度较大，较难做出射频的器件，难以对 GaAs 进行替代，最主要应用还是在光纤通信、激光探测器。锗硅锗硅（SiGe）：由于禁带宽度太窄，不能在高频领域应用，基本只用在小范围无绳电话、蓝牙等。图图 12、不同不同材料材料适用适用的的工作工作频率频率和和输出功率输出功率 资料来源：Yole，兴业证券经济与金融研究院整理 2.2.2、从从技术技术成熟度成熟度来看，来看，GaN 衬底衬底要要替代替代 GaAs 还还任重道远任重道远 GaN 行业行业仍处于仍处于起步起步阶段阶段，衬底衬底制作难制作难度度高，高，技术技术进步进步缓慢缓慢。目前制备 GaN衬底的技术包括氢化物气相外延（HVPE）、氨热法（Ammonothermal Method）、钠融法（Na Flux）和高压生长法（HNPSG）。HVPE 法是通过在蓝宝石或 GaAs 等衬底上外延 GaN，进一步地，从外延层上将原衬底剥离并进行抛光等工艺处理以获得 GaN 衬底，但由于异质外延的生长过程容易在 GaN 外延膜与原衬底间出现晶格失配和热失陪，残余应力较高，外延膜存在开裂、翘曲等问题，影响良率。2 3 1 5 7 5 3 5/4 3 3 4 8/2 0 1 9 1 1 0 5 1 5:2 6 请请务必阅读务必阅读正文之后的信息披露和重要声明正文之后的信息披露和重要声明 -11-行业深度研究报告行业深度研究报告 氨热法在实际生产过程中存在晶体生长条件难以控制的问题，且晶圆尺寸也受到限制。钠融法和高压生长法两种技术对设备和工艺均要求苛刻，在单晶的尺寸方面也难以实现较大的突破。成本成本高昂高昂，限制限制 GaN 衬底衬底的的商业化商业化应用应用。由于生产工艺难度大，良率低，同时技术研发进展缓慢，目前 GaN 衬底的成本仍然很高，05 年的时候 2 寸的衬底成本 2 万美元，经过 15 年的研发现在衬底价格还是在 3000 美元的水平，而 4 寸砷化镓衬底成本低档的话仅需 100-200 元，2 寸砷化镓衬底只需人民币几十元。成本问题大大限制了 GaN 作为衬底的商业化应用。起码起码目前目前来看，来看，Sub 6GHz 手机手机射频器件射频器件仍仍是是 GaAs 的的主场，主场，但但中长期中长期发展发展到到更高更高频频的的毫米波毫米波阶段阶段后，后，GaAs 由于由于热导率热导率较低，较低，散热性散热性较差，较差，其其射频器射频器件件可承受可承受的的功率功率相对相对较低，较低，恐怕恐怕也也难以难以胜任胜任 28GHz 以上以上的的手机手机 PA 用用半导体半导体材料材料，大概率大概率需要需要使用使用以以 GaN 为工为工作层的材料作层的材料，届时届时适合适合更更高高频率频率应用应用的的GaN 能否能否实现实现顺利顺利接棒，接棒，仍需仍需等待等待技术技术和和成本成本上上的的突破。突破。2.3、GaN 作为作为双双主角主角，地位地位体现在体现在哪里哪里？短期来看，虽然 GaN 作为衬底材料难以取得技术和成本上的快速突破而实现商业化应用，但作为作为外延外延材料，材料，GaN 已经已经可以可以外延外延生长生长在在碳化硅碳化硅、硅硅、蓝宝蓝宝石石、金刚石金刚石的的衬底衬底上上，目前比较目前比较主流主流的的两种两种是是 GaN-on-SiC 和和 GaN-on-Si。SiC 衬底衬底：SiC 作为衬底材料的优势在于 SiC 和 GaN 的晶格失配率和热失配率相较于 Si 衬底和蓝宝石衬底更小，同时热导率高，适合生长高质量的 GaN 外延层，能满足高功率的应用。但 SiC 衬底存在价格昂贵、机械加工性能差、缺陷密度高等问题，目前生产高质量、大尺寸的 SiC单晶仍有一定的难度。Si 衬底衬底：Si 衬底直径大、易于加工，在价格上具有绝对优势，可以在保障低成本的同时处理更大的晶圆。但 Si 与 GaN 的晶格失配率和热失配率更大，较难生长出高质量的 GaN，一般只做小的功率器件。蓝宝石（蓝宝石（Al2O3）衬底）衬底：蓝宝石带隙宽，化学稳定性和热稳定性好，能够在高温下实现生长，同时蓝宝石衬底生产技术比较成熟，价格相对便宜，具备一定的成本优势。但蓝宝石与 GaN 的晶格失配率和热失配率比较大，存在不导电、导热性差的缺点，导致其大功率器件在高电流下工作时问题突出，目前蓝宝石作为射频器件的衬底材料已被淘汰。金刚石金刚石（Diamond）衬底）衬底：金刚石热导率高，是 SiC 材料的 4 倍以上，同时较 SiC 具有更高的临界击穿电压，更大的禁带宽度和更高的电子迁移率，以金刚石的衬底的 GaN 射频器件有望实现更优的性能。但由于金刚石也存在与 GaN 晶格失配率和热失配率较大的问题，GaN 的异质外延存在较大的难度。2 3 1 5 7 5 3 5/4 3 3 4 8/2 0 1 9 1 1 0 5 1 5:2 6 请请务必阅读务必阅读正文之后的信息披露和重要声明正文之后的信息披露和重要声明 -12-行业深度研究报告行业深度研究报告 表表 3、不同衬底的物理特性不同衬底的物理特性 衬底材料衬底材料 对称性对称性 晶格常数晶格常数(nm)与与 GaN的晶格失配的晶格失配(%)热膨胀系数热膨胀系数(10-6/K)与与 GaN 的热失配的热失配(%)热导率热导率(W/(cm*K)蓝宝石 六方 a=0.476 13.9 7.3 30.3 0.3 c=1.299 8.1 6H-SiC 六方 a=0.307 3.4 4.3 15.9 4.9 c=1.512 4.7 Si 立方 a=0.544 16.9 2.6 53.5 1.3 数据来源：知网，兴业证券经济与金融研究院整理 GaN 微波功率器件的应用市场包括国防、卫星通讯、无线通信基站。对于无线通信基站市场，我们认为，随随着着 5G 时代时代的的到来，到来，GaAs 预计预计仍仍为为室内室内网络网络系统结构系统结构的的主流主流，但但在在宏基站宏基站领域，领域，GaN 因因其其高功率高功率特性特性，优势优势将将得以得以凸显。凸显。从从不同不同的的工艺工艺来看，来看，预计预计 GaN-on-SiC 将将成为成为对对功率功率要求要求较高较高的的宏基站宏基站射频射频器件器件用用半导体半导体材料材料的的主流主流。图图 13、GaN 微波功率微波功率器件器件的的主要主要应应用领域用领域 资料来源：知网，兴业证券经济与金融研究院整理 以以 GaN 为为外延层外延层的的射频器件射频器件价格价格有所有所下行，下行，为为其其在在宏宏基站基站的的大规模大规模应用应用提提供可能供可能。根据第 3 代半导体产业技术创新战略联盟于 2019 年发布的2018年全球第 3 代半导体产业发展回顾及展望，目前包括 Qorvo、Cree、NXP 和MACOM 等企业（其中 MACOM 主要产品为 GaN-on-Si 射频器件，Qorvo、Cree 和 NXP 主要生产 GaN-on-SiC 射频器件）对外销售 170 个类型的 GaN HEMT 射频器件，产品报价范围为 909000 元/只，平均价格为 23.78 元/W，已降至 Si LDMOS 平均价格（8.50 元/W）的 3 倍以内。随着 GaN-on-SiC 生产的技术成熟度逐步提高，价格有望持续下行，为其在 5G 时代宏基站射频领域的大规模应用提供基础。2 3 1 5 7 5 3 5/4 3 3 4 8/2 0 1 9 1 1 0 5 1 5:2 6 请请务必阅读务必阅读正文之后的信息披露和重要声明正文之后的信息披露和重要声明 -13-行业深度研究报告行业深度研究报告 图图 14、通信基站通信基站的的发展趋发展趋势势 资料来源：Yole，中兴，兴业证券经济与金融研究院整理 3、GaAs/GaN 市场空间市场空间测算测算（仅考虑仅考虑手机手机和和基站基站射频射频应用应用）3.1、手机：手机：换机潮换机潮+渗透率渗透率提升提升+PA 数量数量增加增加，GaAs 需求需求大放量大放量 5G 时代拉动换机需求，智能手机市场时代拉动换机需求，智能手机市场有望有望重返增重返增长轨道。长轨道。全球智能手机进入 2015 年以来，已经属于存量市场，市场日趋饱和，终端创新力度下降，消费者换机周期拉长，出货量持续下滑。全球来看，根据 IDC 数据，2018 年全球智能手机出货量 13.95 亿部，同比下滑 4.8%，但今年下半年开始市场出现复苏迹象，预计下半年出货量同比降幅收窄至0.4%，全年出货量预计达13.711亿部，同比下滑 2.2%。国内来看，2018 年全年国内手机出货量 4.14 亿部，同比下滑 15.6%，2019 年前三季度出货量 2.87 亿部，同比下滑 5.7%，降幅已经有所收窄。我们认为，伴随 5G 的推进，消费者换机升级的需求会受刺激，智能手机出货量颓势有望扭转。根据根据 IDC 预测，预测，预计预计 2020 年年全球全球智能智能手机手机出货量出货量将将止跌止跌转转升，升，同比同比增长增长 1.6%，到到 2023 年，年，预计预计全球全球智能手机智能手机出出货量货量达到达到 14.845 亿部，亿部，2018-2023 年年 GAGR 达达 1.1%。图图 15、国内国内手机出货量手机出货量构成构成 图图 16、国内国内 2G、3G、4G 手机出货量手机出货量（万部）万部）0%10%20%30%40%50%60%70%80%90%100%201120122013201420152016201720182019.1-92G3G4G 201120122013201420152016201720182019.1-92G26,90619,77517,0006,0505,7633,6052,8302,2511,1953G14,33426,00440,80022,0002,020431512564G00017,10044,02751,90046,24139,10027,500010,00020,00030,00040,00050,00060,000 资料来源：wind，兴业证券经济与金融研究院整理 资料来源：wind，兴业证券经济与金融研究院整理 2 3 1 5 7 5 3 5/4 3 3 4 8/2 0 1 9 1 1 0 5 1 5:2 6 请请务必阅读务必阅读正文之后的信息披露和重要声明正文之后的信息披露和重要声明 -14-行业深度研究报告行业深度研究报告 图图 17、全球全球智能手机智能手机出货量出货量 图图 18、全球全球智能手机智能手机出货量出货量预测预测 1,473.0 1,394.9-20%0%20%40%60%80%100%120%140%160%180%02004006008001,0001,2001,4001,6002003 2004 2005 2006 2007 2008 2009 2010 2011 2012 2013 2014 2015 2016 2017 2018全球智能手机出货量:年(IDC):百万部YoY(右轴)资料来源：IDC，兴业证券经济与金融研究院整理 资料来源：IDC，兴业证券经济与金融研究院整理 GaAs 在在手机手机 PA 的的市场份额市场份额有望有望持续持续提升提升。Si 基 CMOS 由于禁带宽度较小、击穿电场较弱，电子迁移率和饱和电子速率较低，在工作频率、输出功率等方面性能上的局限性明显，将越来越难以适应射频器件应用场景向高频、高功率的演进。同时，性能更优的 GaN 基射频器件因技术和成本等问题尚难实现商业化应用，5G 时代 Sub 6GHz 阶段仍将是 GaAs 材料的主场，GaAs PA预计将持续抢占