化合物半导体高速发展，多点助力新兴科技领域

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原创 沙利文 弗若斯特沙利文

自2017年起，国家发改委将化合物半导体材料列入了战略性新兴产业重点产品名录，2022年1月，国务院印发的《“十四五”数字经济发展规划》进一步推动了集成电路相关行业的大力发展。在国家战略层面、税收层面等多维度的扶持之下，随着制备技术及设备的不断迭代升级，以及下游需求的持续扩张，化合物半导体外延片作为半导体晶圆制造的核心材料之一迎来长期利好的发展趋势。

01 半导体材料的定义及分类

半导体材料是半导体晶圆制造的核心材料，根据出现时间先后，被分为第一代、第二代、第三代半导体材料。

第一代半导体材料为单元素半导体，以硅（Si）、锗（Ge）等为代表，主要应用于内存、CPU、太阳能电池等领域。

第二代半导体材料为III-V族化合物半导体，以砷化镓（GaAs）、磷化铟（InP）等为代表，也包括三元化合物半导体，如GaAsAl、GaAsP，是制作射频器件、激光器、探测器、mini/micro LED的优良材料。

第三代半导体材料为宽禁带半导体材料，以氮化镓（GaN）、碳化硅（SiC）为代表，在半导体照明、充电器芯片、能源互联网、高铁芯片、新能源汽车、消费类电子等领域有广阔的应用前景。不同的半导体材料有其特定的特性和用途，它们共同的的发展推动着整个半导体产业的长足发展。其中，第二代III-V族化合物半导体，在消费电子、通信、数据中心、新一代显示、雷达、激光雷达等领域的广阔应用前景，也是半导体产业发展的核心之一。

02 化合物半导体行业产业链

III-V族化合物半导体产业链包括上游的衬底制造、外延加工以及中游的晶圆制造环节以及下游的射频、LED、光电以及光伏等应用领域。

衬底加工及外延是III-V族化合物半导体产业的关键基础工序。衬底作为化合物半导体外延层生产的基础，在晶圆中发挥着支撑和固定的作用。衬底厂采购金属镓、高纯砷等原材料后，采用LEC法、HB法、VB法或VGF法生长出化合物半导体晶体，切片研磨抛光后形成化合物半导体衬底卖给外延厂。III-V族化合物半导体外延则是在经过精密加工的单晶衬底上，通过MOCVD或MBE技术生长出一层单晶外延层，可以与衬底为同一材料或不同材料，从而有助于提升器件设计的灵活性和器件的性能。

中游的晶圆生产则有代工和IDM两种模式，射频及光电领域主要采用外延片代工，而LED领域则采多用IDM模式。

在下游应用层面，III-V族化合物半导体具有良好的电子迁移率、饱和电子速度等物理特性，主要应用于射频、光电等领域。但由于砷化镓与磷化铟适用的工作频率和输出功率略有差异，因此目前砷化镓材料主要用于以LED为主的包括射频、光电等三个领域，目前，其在LED领域的应用超过整体的40%，随着Mini LED及Micro LED技术在显示面板领域应用逐渐成熟，预计该占比在未来会有较大幅度的上升。而磷化铟目前主要用于光电领域，占整体市场约80%，但在未来随着无线传输网络对高频射频器件需求的增长，磷化铟有望在射频器件材料中进一步渗透。

化合物半导体行业产业链分析

来源：沙利文分析

03 中国化合物半导体外延片市场规模

以III-V族化合物半导体中的代表砷化镓和磷化铟外延片市场来看，得益于砷化镓器件在下游消费电子、成像、激光雷达等终端应用领域的不断拓宽，砷化镓外延片市场规模始终保持增长态势。自2018年至2022年，中国砷化镓外延片市场规模从约15亿人民币增长至约30亿人民币，复合年增长率超过全球，增速超15%。

根据沙利文的预测，随着5G基站建设、VCSEL在汽车激光雷达以及手机3D面部识别技术中的普及、以及Mini LED与Micro LED应用场景拓宽等因素所驱动。2023年至2027年，中国砷化镓外延片市场规模将会持续扩张至近80亿人民币，期间复合年增长率约为20%。

中国砷化镓外延片市场规模，2018-2027E

来源：沙利文分析

而由于磷化铟外延片在下游5G通信、数据中心、卫星通讯等具体应用领域的不断拓宽，中国磷化铟外延片市场规模自2018年的约3亿人民币已增长至超过5亿人民币，复合年增长率约15%，同样超过全球整体增长水平。

根据沙利文的预测，随着移动通信、数据中心、激光雷达、安防监控、智能电网等领域的加速发展，对磷化铟光电及射频器件市场需求加剧，中国磷化铟外延片市场规模在2023年至2027年间，将以大于15%的复合年增长率进一步扩张至超12亿人民币。

中国磷化铟外延片市场规模，2018-2027E

来源：沙利文分析

04 中国化合物半导体的未来发展机遇

（1）5G、军事职能化及航天事业拉动射频领域需求

在射频领域， 5G基站和5G手机对射频前端的需求持续带动砷化镓射频器件的发展。砷化镓具有高频、抗辐射、耐高电压等特性，因此被广泛应用于主流的商用无线通讯、光通讯以及先进的国防、航空及卫星用途上。随着移动通信向5G的持续演进，砷化镓材料在射频器中的应用将会更加广泛。

同时，由于磷化铟具有高频低噪、击穿电压高等特点，在卫星通信、雷达、光纤通信、无线传输、毫米波、射电天文等领域具有较强的竞争力，随着国家对军事智能化及航天事业的推进，磷化铟在高频射频器件中的渗透率将进一步加深。

（2）多点发力光电领域应用

在光电领域，垂直腔表面发射激光器（VCSEL）市场带动了砷化镓晶圆和外延片生产规模的激增。使用砷化镓制造的红外激光器、传感器具备高功率密度、低能耗、抗高温、高发光效率、高击穿电压等特点。随着3D传感技术发展，VCSEL在汽车激光雷达（LiDAR）技术应用中具有较大潜力。目前，VCSEL已进入手机和汽车等大型消费市场，有利于砷化镓市场未来持续增长。

同时，由于磷化铟外延片饱和电子漂移速度高、发光损耗低的特点，未来随着5G技术的普及以及数据中心的发展，光电及高频器件等相关领域的市场需求加剧，也使得磷化铟外延片具备了更多的使用场景。此外，基于磷化铟的激光雷达会深入自动驾驶、智能基础设施、自动化物流链等新兴高速发展领域的应用，而基于磷化铟制造的传感器则会在健康医疗类、娱乐类等可穿戴设备、消费电子等领域中具备充足的发展空间。

（3）助力LED显示技术拓展

在LED领域，Mini LED和Micro LED的出现也为砷化镓带来了新的需求增长空间。Mini LED和Micro LED是新一代LED显示技术，Mini LED可以大幅提升现有的液晶画面效果，同时成本相对比较容易控制，而Micro LED则会对画质带来质的提升。预计未来，两者在消费电子、穿戴设备、车用显示器等领域有望得到更为广泛应用。

（4）逐步实现进口替代

伴随着中国政策的大力支持，以及国内企业在软硬件技术、下游客户、研发创新等方面的不断积累，逐步提升国产化率，走向国际市场。虽然目前全球III-V族化合物半导体外延片市场主要由海外厂商包括IQE和英特磊等主导，但未来中国企业将通过提高产能、产品性能、加强品牌建设、拓宽产品应用领域等方式，进一步提高在国际市场上的竞争力和市场占有率。预计到2027年，中国砷化镓外延片在全球市场规模的占比有望达到约40%，而中国磷化铟外延片在全球市场规模的占比有望达到约20%。

（5）国产设备及技术的持续迭代

化合物半导体晶圆外延方式通常以化学气相沉积法（MOCVD）和分子束磊晶法（MBE）为主，使用的设备目前主要是来自外资设备厂商，但随着我国企业在外延设备领域的逐步突破，以及制备技术的不断精进，为化合物半导体外延片行业发展提供了坚实的基础，其中，采用MBE技术生长的外延片，在控制厚度、杂质等方面的精准度得到显著提升，预计未来，在高端芯片领域，将会获得进一步的发展。