半导体常用器件及应用：半导体行业专题研究

小君 2023-03-08 19:15:37 561

半导体常用器件及应用：半导体行业专题研究2020 年磷化铟衬底市场呈现出多寡头垄断，主要集中在 Sumnitomo、北京美通及日本JX公司，其他公司市场占比只有 9%。竞争格局：多寡头竞争，市场逐步扩大砷化镓衬底：Gallium Arsenide，砷和镓的化合物。。砷化镓的禁带宽度大于硅，可以耐受更高电压；砷化镓的电子迁移率更是硅的6-7倍，因此高频性能十分优异。故在制作射频微波器件方面得到重要应用。化合物半导体合成方法VGF法是目前制备化合物半导体的主流且最为高效的方法之一。合成衬底质量好，且满足主流应用尺寸：2-6英寸需求。

（报告出品方/作者：海通国际，郑宏达、薛逸民）

一、化合物半导体产业由国外厂商主导，国内加速布局

第二代半导体：Ⅲ-Ⅴ族化合物半导体

III-V族半导体材料：III-V族半导体材料是化学元素周期表中的IIIA族元素硼、铝、镓、铟、铊和VA族元素氮、磷、砷、锑、铋组成的化合物。代表半导体材料为：砷化镓 GaAS、磷化铟 InP。

磷化铟衬底：Indium Phosphide，磷和铟的化合物，其具有饱和电子漂移速度高、抗辐射能力强、导热性好、光电转换效率高、禁带宽度高等诸多优点，被广泛应用于光通信、光电器件、高频毫米波器件、光电集成电路集成激光器、光探测器等领域。

砷化镓衬底：Gallium Arsenide，砷和镓的化合物。。砷化镓的禁带宽度大于硅，可以耐受更高电压；砷化镓的电子迁移率更是硅的6-7倍，因此高频性能十分优异。故在制作射频微波器件方面得到重要应用。

化合物半导体合成方法

VGF法是目前制备化合物半导体的主流且最为高效的方法之一。合成衬底质量好，且满足主流应用尺寸：2-6英寸需求。

二、磷化铟：5G、可穿戴、车载三驾马车驱动市场增长

竞争格局：多寡头竞争，市场逐步扩大

2020 年磷化铟衬底市场呈现出多寡头垄断，主要集中在 Sumnitomo、北京美通及日本JX公司，其他公司市场占比只有 9%。

根据USGS数据，2020-2021年中国全年铟产量分别为540 吨和530 吨，占全球总产量的56.3%和57.6%。从原材料供应端为中国磷化铟市场的扩张提供保障。

受益于下游市场需求的增加，磷化铟衬底材料市场规模将持续扩大。根据 Yole 预测，2026 年全球磷化铟衬底（折合二英寸）预计销量为128.19 万片，2019-2026年复合增长率为 14.40%；2026年全球磷化铟衬底市场规模为2.02亿美元，2019-2026年复合增长率为 12.42%。

磷化铟：各应用领域市场预测

作为高速和远程光收发器不可或缺的基石，InP激光二极管是电信和数据通信公司光子应用的最佳选择。应用下游器件包括光模块器件、传感器件、射频器件，对应下游终端领域包括5G通信、数据中心、人工智能、无人驾驶、可穿戴设备等领域。

5G推动InP光学模块市场

2019 年我国已经建成超过 13 万个 5G 基站，未来三年迎来建站高峰。根据工信部数据，截至 2019 年 6 月国内 4G基站 445 万个；综合 5G 频谱及相应覆盖增强方案，中信证券测算未来十年国内 5G 宏基站约 4G的 1-1.2 倍，合计约 500-600 万。

预测InP光模块市场到2026年将有两倍提升。在市场需求的带动及中国政府新基建等政策的影响下，全球光模块市场将保持快速增长态势。根据Yole统计显示，到2026年全球光模块器件磷化铟衬底（折合两英寸）预计销量将超过100万片，2019年2026年复合增长率达13.94%，2026年全球光模块器件磷化铟衬底预计市场规模将达到1.57亿美元，2019-2026 年复合增长率达13.94%。

InP传感器市场发展迅速

InP在传感器领域中更为安全。在传感器领域中，器件放出的光波可见光或波长小于1400nm的光会聚焦在视网膜上，并可能对视网膜造成永久性损伤。相比于其他基底InP具有更长的波长能够更好保护眼部安全。在一些主要的应用中具有关键的优势，比如激光雷达和可穿戴设备中。 InP广泛应用在传感器设备中：1、磷化铟衬底制造的可穿戴设备具备脉冲响应好、信噪比好等特性，可用于监测心率、血氧浓度、血压甚至血糖水平等生命体征。 2、磷化铟衬底制造的激光传感器可以发出不损害视力的不可见光，可应用于虚拟现实（VR）眼镜、汽车雷达等产品中。

InP传感器市场发展迅速

全球可穿戴市场加速扩张。随着移动通信、图像技术、人工智能等技术的不断发展及创新融合，可穿戴设备已成为全球增长最快的高科技市场之一。据华经产业研究院报道，全球可穿戴设备出货量从2014年的0.29亿部增长至2021年的5.34亿部，预计到 2024年将达到6.37亿部。

InP在可穿戴市场渗透率快速增加。对于智能手机来说，OLED显示器在13xx到15xxnm的波长范围内是透明的。有意去除手机屏幕上的摄像头凹槽并将3D传感模块集成到OLED显示屏下的OEM厂商正在考虑转向InP EEL，以取代当前的GaAs VCSEL。Yole 预计 2022 年 InP 在可穿戴设备中的最初市场渗透率将略有下降，随后将以 112% 的复合年增长率显着增长，到 2026 年达到 2.55 亿美元。

InP未来有望替代GaAs在激光雷达的市场。InP更长的波长特性可以在汽车市场上提供更好的眼睛安全解决方案。激光雷达被认为是自动驾驶行业的必要条件，光源也是激光雷达供应商关注的主要问题。目前大多数汽车搭载GaAs-VSCEL，波长为905nm，因为其生产技术更成熟，成本更低。但905nm波段并不在眼睛安全的波段内，因此未来InP有望替代GaAs基底应用于自动驾驶领域。

InP射频市场稳速发展

InP射频市场维持稳定增速。根据 Yole 预测，2019- 2023 年应用于射频器件的磷化铟衬底市场规模较为稳定，保持在 1 500 万美元的水平，到 2023 年应用于射频器件的磷化铟衬底（折合二英寸）销量将达到 8.28 万片。

三、砷化镓：多方位同步稳速增长

砷化镓：产业链各环节市值

砷化镓上游衬底到下游元件价值量逐级放大。根据 Strategy Analytics 数据显示，2018 年，全球砷化镓产业链上衬底、外延片、晶圆代工、元件的市场规模分别为 4.6 亿美元、 11.0 亿美元、56.7 亿美元、88.7 亿美元。2018 年数据显示，砷化镓上游衬底到下游元件，市场规模放大约 18 倍。

砷化镓：全球市场格局

得益于下游应用市场需求持续旺盛，砷化镓衬底市场规模将持续扩大。根据 Yole 测算，2019 年全球折合二英寸砷化镓衬底市场销量约为2 000 万片，预计到 2025年全球折合二英寸砷化镓衬底市场销量将超过 3 500 万片；2019年全球砷化镓衬底市场规模约为2 亿美元，预计到 2025年全球砷化镓衬底市场规模将达到 3.48 亿美元，2019-2025年复合增长率 9.67%。

全球砷化镓衬底市场集中度较高。根据 Yole 统计，2019 年全球砷化镓衬底市场主要生产商包括 Freiberger、Sumitomo和北京通美，其中Freiberger占比28%、Sumitomo 占比 21%、北京通美占比 13%。 • 北京美通GaAS衬底产品处于国际领先地位。公司以位错密度低、平整度（总厚度波动值、翘曲度越低，平整度越高，性能越好）高见长，其余产品技术参数与国际主要竞争对手产品相当，总体处于国际领先水平。

砷化镓：单晶片尺寸发展路线

随着砷化镓 IC集成度的提高和成本降低的需要，单晶片向大直径化发展。砷化镓于 1929 年被合成出来。1962 年，中国研制出了我国第一个 GaAs 单晶样品。砷化镓单晶片经历了直径从 2 寸到 4 寸（100mm）到 6 寸（150mm）再到 8 寸（200mm）的发展历程，总的发展趋势是晶体大直径化。

砷化镓下游应用领域

GaAs衬底尺寸越大、指标越严，售价越高。在射频及激光领域，需要器件具有高稳定的性能及良好的热传导性，所要求的GaAs衬底技术指标更高，因此其售价高于LED领域。同领域相比，因6寸的衬底制备技术更为复杂，其售价在4寸的2倍左右。

5G推动GaAs射频领域市场

5G加速半绝缘型砷化镓衬底在射频领域的应用。5G 通信对功率、频率、传输速度提出了更高的要求，使用砷化镓衬底制造的射频器件非常适合应用于长距离、长通信时间的高频电路中，因此，在5G时代的射频器件中，砷化镓的材料优势更加显著。

砷化镓在LED市场增速平稳

LED 器件砷化镓衬底市场增长平稳。根据 Yole 预测，2019 年全球 LED 器件砷化镓衬底市场（折合二英寸）销量约为 846.9 万片，预计到 2025 年全球 LED 器件砷化镓衬底（折合二英寸）市场销量将超过 1 300 万片，年复合增长率为 7.86%，增长较为平稳；2019 年全球 LED 器件砷化镓衬底市场规模约为 6 800 万美元，预计到 2025 年全球 LED 器件砷化镓衬底市场规模将超过9 600 万美元，相较 2019 年将增加接近 3 000 万美元的市场规模。

砷化镓VCSEL芯片进军商业领域

GaAs 在激光领域的应用可分为 VCSEL 和非 VCSEL。当前 GaAs 应用的看点主要在于 VCSEL。VCSEL（垂直腔面发射激光器），以 GaAs 材料为基础，主要的应用为人脸识别，是从无到有的过程，未来预计会有很高的增速。EEL （边发射激光器）属于非 VCSEL 器件，主要在汽车激光雷达领域应用，需求有望随着无人驾驶汽车市场的拓展而提升。 GaAs衬底的VCSEL芯片具有多方位优势。VCSEL 全称为Vertical-cavity surface-emitting laser，即垂直腔面发射激光器，其芯片的衬底材料为砷化镓半导体。

VCSEL集高输出功率和高转换效率和高质量光束等优点于一身，相比于LED 和边发射激光器EEL，在精确度、小型化、低功耗、可靠性等角度全方面占优。VCSEL应用于人脸识别，从工业领域向商业领域发展。苹果公司首次在iPhone 8、iPhone X采用了 VCSEL技术实现人脸识别解锁，推进了VCSEL技术的半导体激光技术从工业领域向消费领域的应用，扩大了VCSEL芯片的市场，加速了GaAs衬底的需求。

四、北京通美：化合物半导体衬底产业强力选手

北京通美历史沿革

北京通美晶体技术股份有限公司，是一家全球知名的半导体材料科技企业，主要从事磷化铟衬底、砷化镓衬底、锗衬底、PBN 材料及其他高纯材料的研发、生产和销售。公司原名为“北京通美晶体技术有限公司”，于1998年由北京市通州区工业开发区总公司和AXT共同合资成立。2021年，公司更名为“北京通美晶体技术股份有限公司”，并在进行上市准备，于今年拟发行9.84万股。

公司盈利能力逐年提升

公司InP衬底业务毛利率在50%左右，构成公司主要毛利润；GaAs衬底业务毛利率逐年提高；公司已逐步减少锗衬底业务的占比。 2019-2021年公司InP衬底毛利率分别为40.65%、38.64%和54.42%，2020年度略有下滑，2021年度涨幅较大，主要受销售业务切换、产品销售价格变化以及产线搬迁导致生产人员重新分配等因素影响。2019-2021年公司GaAs衬底毛利率分别为-9.13%、8.65%及25.59%，呈逐年上升态势，主要受销售价格波动、销售结构占比变化以及产线搬迁等原因导致。 2019-2021年，公司锗衬底毛利率分别为20.60%、18.44%和0.21%，呈逐年下降态势，主要受竞争对手涌入导致竞争情况加剧导致销售价格下降、产品结构变化、产线搬迁导致的生产人员重新分配、原材料价格上升以及产能利用率变化等因素影。 2019-2021年，公司PBN坩埚的毛利率分别为49.23%、54.73%和52.13%，整体较为稳定。

深耕多年，建立技术壁垒

公司已建立起技术壁垒。经过多年的持续研发和生产实践，公司形成了深厚的技术积累和工艺积淀。公司已掌握了多项核心技术，形成了完整且自主可控的 III-V 族化合物半导体材料相关核心技术体系。截至 2022 年 6 月 30 日，公司共拥有发明专利 61 项。

公司注重产学研，荣获多个奖项。国内外知名企业及研究所及高校均定期向公司采购半导体材料产品用于教学及学术研究。公司积极配合该等科研院所研发行业前沿技术，推动科技成果的产业化，同时向科研院所提供在职训练岗位，促进学界和产业界的学术交流。

积累了丰富的优质客户资源

公司已建立起市场壁垒。依托深厚的技术实力、优异的产品性能、成熟的国际化销售团队，以及在成本、管理、服务等方面的优势，公司产品获得了市场的广泛认可，积累了丰富的优质客户资源。公司主要客户为美国、欧洲、中国大陆及中国台湾地区上市公司。

公司建立起多方优势，稳定行业地位

公司在同行中具有竞争优势。公司竞争对手主要为综合型企业集团，企业规模大于发行人，拥有更强的资金实力和抗风险能力。公司作为专业的半导体衬底企业，在半导体衬底材料方面产品种类更为全面，不同产品在销售方面存在较强的协同作用，业务更加聚焦，在快速响应和个性化服务方面具有一定的优势。在技术水平上，公司和主要竞争对手在衬底产品尺寸方面技术水平类似，同处于行业全球第一梯队水平。

报告节选：

半导体常用器件及应用：半导体行业专题研究(1)