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1、GaAs/GaN材料简介
1.1、GaAs
砷化镓（GaAs）是当前最重要、技术成熟度最高的化合物半导体材料之一。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。
射频为当前GaAs材料应用的最主要下游。
从年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。
1.2、GaN
氮化镓（GaN）作为第三代半导体材料的典型代表，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。
得益于性能上较第一、二代半导体材料质的飞跃，GaN成为制作短波长发光器件、光电探测器以及高温、高频、大功率电子器件的理想材料。
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。
5G浪潮下，移动设备射频产业有望迎来重要发展机遇，作为器件的重要基石，上游材料的需求预计也将迎来新一轮迅猛的增长。本文将以此入手，首先对5G发展下GaAs和GaN的射频领域应用市场进行研究分析。
2、逐鹿5G，GaAs/GaN稳居绝对主角
2.1、5G对射频材料提出了哪些新的要求？
根据3GPP标准定义，5GNR（NewRadio，新空口）主要使用两大频率范围：
FR1对应频率范围MHz-6GHz，最大信道带宽MHz，也称为Sub-6GHz频段。
FR2对应频率范围24.25GH-52.60GHz，最大信道带宽MHz，也即我们所说的毫米波频段（mmWave）。
随着频率的提高，射频材料也面临着新的挑战。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Sub-6GHz为首发频段。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4GLTE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。年11月，工信部明确了-3MHz(原则上限室内使用)、3-MHz和-MHz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3MHz-MHz频段的5G试验频率资源；中国联通获得MHz-MHz频段的5G试验频率资源；中国移动获得了MHz-MHz、MHz-MHz频段的5G试验频率资源，其中-MHz、-MHz和-MHz频段为新增频段，-MHz频段为重耕其现有的TD-LTE（4G）频段。
毫米波是未来发展的重要趋势。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。
2.2、为什么衬底材料非GaAs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SiCMOS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。我们认为，从衬底材料的角度，当前5G时代（Sub-6GHz）仍然是GaAs的主场。
2.2.1、从性能来看，GaAs/GaN无疑是最优选项
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：
①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；
②禁带宽度大，为1.42eV，而Si仅1.12eV；
③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
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（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。
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（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（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。
2.2.2、从技术成熟度来看，GaN衬底要替代GaAs还任重道远
GaN行业仍处于起步阶段，衬底制作难度高，技术进步缓慢。目前制备GaN衬底的技术包括氢化物气相外延（HVPE）、氨热法（AmmonothermalMethod）、钠融法（NaFlux）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。
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。
成本高昂，限制GaN衬底的商业化应用。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美元的水平，而4寸砷化镓衬底成本低档的话仅需-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。
起码目前来看，Sub6GHz手机射频器件仍是GaAs的主场，但中长期发展到更高频的毫米波阶段后，GaAs由于热导率较低，散热性较差，其射频器件可承受的功率相对较低，恐怕也难以胜任28GHz以上的手机PA用半导体材料，大概率需要使用以GaN为工作层的材料，届时适合更高频率应用的GaN能否实现顺利接棒，仍需等待技术和成本上的突破。
2.3、GaN作为双主角，地位体现在哪里？
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，但作为外延材料，GaN已经可以外延生长在碳化硅、硅、蓝宝石、金刚石的衬底上，目前比较主流的两种是GaN-on-SiC和GaN-on-Si。
①SiC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。
②Si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。
③蓝宝石（Al2O3）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。
④金刚石（Diamond）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。
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，随着5G时代的到来，GaAs预计仍为室内网络系统结构的主流，但在宏基站领域，GaN因其高功率特性，优势将得以凸显。从不同的工艺来看，预计GaN-on-SiC将成为对功率要求较高的宏基站射频器件用半导体材料的主流。
以GaN为外延层的射频器件价格有所下行，为其在宏基站的大规模应用提供可能。根据第3代半导体产业技术创新战略联盟于年发布的《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）对外销售个类型的GaNHEMT射频器件，产品报价范围为90～元/只，平均价格为23.78元/W，已降至SiLDMOS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。
3、GaAs/GaN市场空间测算（仅考虑手机和基站射频应用）
3.1、手机：换机潮+渗透率提升+PA数量增加，GaAs需求大放量
5G时代拉动换机需求，智能手机市场有望重返增长轨道。全球智能手机进入年以来，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，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13.亿部，同比下滑2.2%。国内来看，年全年国内手机出货量4.14亿部，同比下滑15.6%，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IDC预测，预计年全球智能手机出货量将止跌转升，同比增长1.6%，到年，预计全球智能手机出货量达到14.亿部，-年GAGR达1.1%。
GaAs在手机PA的市场份额有望持续提升。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Sub6GHz阶段仍将是GaAs材料的主场，GaAsPA预计将持续抢占Si基CMOS的市场份额，渗透率进一步提高。
单机PA数量预计大幅增长。一般3G及以下手机配备1-2个PA，4G手机内PA数量平均为3-6个。到了5G时代，由于新频段的增加，MassiveMIMO（大规模天线多入多出）技术的应用带来手机端天线大幅增加，相应地，单个手机的PA数量也将迎来显著的增长，预计达到10个以上。
换机潮+渗透率提升+PA数量增加，GaAs需求迎来大放量。我们预测，-年全球智能手机+功能手机GaAsPA需求量将从61.8亿个增长至亿个，GAGR达19.8%。即使考虑小型化趋势，未来几年GaAsPA的需求量也有显著的增长。
3.2、基站：数量快速增长，GaAs、GaN各领风骚
5G时代将以“宏基站为主，微基站为辅”的方式实现网络覆盖，GaAs和GaN射频器件将各领风骚。由于5G方案的频段相对于目前主流的4G频段更高，相应的波长就大大减小，绕射能力更差，路径损耗也越大，也即5G相较于4G传输距离缩短，覆盖能力显著减弱，这一问题的解决就需要建设更多的基站数量。同时，考虑到成本因素，“宏基站+微基站”将是理想的方案选择。射频材料的选择上，微基站相较于宏基站体积小，功耗要求也相对较小，GaAs将成为微基站的主流，而宏基站则将以GaN基材料为主。
MassiveMIMO技术的应用，要求单个基站PA数量成倍增长。MassiveMIMO作为5G时代非常重要的技术，通过在基站使用大规模的阵列天线来实现通信系统频谱效率、覆盖能力和网络容量的提高，这就需要相应的射频收发单元阵列与之相配套，从而带来单个基站PA数量则大幅增长。4G时代的天线阵列以4T4R和8T8R为主流，假设5G基站普遍采用64T64R的天线阵列，则随着从4G到5G的演变，单个基站PA数量预计将会有8-16倍的增长，这无疑将为GaAs和GaN材料带来巨大的需求增量。
基站数量增加+单个基站上的PA数量成倍增长，带动GaAs和GaN需求大幅增长，此外，宏基站的应用上，GaN在高频、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，带来需求进一步提升。
根据Yole预测，GaAs射频器件市场总额预计将从年的4.亿美元增长至年的8.亿美元，GAGR达10.1%，其中，基站领域的市场规模将从年的0.亿美元到年增长至3.亿美元，GAGR超过70%。Yole同时预测GaN射频器件的市场规模将从年3.8亿美元到年增长至13亿美元，GAGR超过20%，最主要的增量也是来自于基站的应用。
4、GaAs在光电领域的应用
4.1、LED：体量大，预计仍有稳健增长
LED是当前GaAs衬底四大应用领域当中仅次于射频应用的第二大应用市场，预计未来几年仍有稳健的增长。
根据应用波段的不同，可分为红橙黄LED和红外LED。红橙黄LED主要对应照明、显示等领域的应用，该应用领域GaAs低位稳固，来着其他技术的威胁较小。红外LED对应医疗、遥控、光通信等应用，市场相对红橙黄LED要小得多。
根据技术指标（缺陷密度、载流子浓度等）要求的不同，可分为低端LED和高端LED。低端LED衬底通常用于某些显示器、信号灯和装饰照明，高端LED衬底用于高亮度、高精度领域。
GaAs的LED器件目前在手机上的应用还只是开关，未来GaAs在智能手机红外LED的应用预计会有比较明显的增长，根据Yole预测，-年，红外LED-智能手机细分领域用GaAs衬底出货量预计将从2.86万片提升至4.92万片，GAGR达9%，市场总额也有望从万美元提升至万美元，GAGR达7%。
除了普通LED，micro-LED和mini-LED也在持续发展，micro-LDE主要用在手机背光。
根据Yole预测，传统显示、汽车照明等领域用GaAs衬底体量大，同时预计仍有稳健的增长，GaAs基红橙黄LED在园艺照明（用于植物生长）的应用增速强劲，此外，红外的安防、智能手机等领域预计也有不错的增速，年LED领域用GaAs衬底出货量预计从年的72.5万片提升至.8万片，-年市场总额有望从0.54亿美元提升至1.49亿美元。
4.2、激光：从无到有，VCSEL有望实现高增速
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。
激光领域用GaAs衬底技术指标要求高，单价显著高于其他领域，未来市场空间可期。激光应用对位错密度最为敏感，也是对GaAs衬底材料要求最高的应用领域，因此同样尺寸的激光用GaAs衬底的价格也显著高于其他领域。根据Yole，预计年激光领域GaAs衬底的出货量将从年的17.5万片提升至96.4万片，GAGR达37%，市场总额从年的0.34亿美元提升至年的1.50亿美元，GAGR达28%。
4.3、光伏：小众市场，预计增速较低
GaAs在空间光伏发电领域的应用受到Ge衬底的竞争，预计未来增速较低。
5、由海外主导的寡头市场，自主可控拉开国产化替代序幕
5.1、全球竞争格局：由海外主导的寡头市场
GaAs：由于射频领域用GaAs工艺技术门槛较高，所以PA市场具有集中度非常高的特点，从材料到设计，均由海外主导。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。年，GaAs衬底市场费尔伯格、住友电工、AXT3家公司的市场份额达到94%。在GaAs外延片射频市场中，6英寸外延片的外包比例约占90%，年外包领域的两大巨头是IQE和全新光电，市场份额分别为55%和26%。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。
GaN：相较于GaAs属于新兴市场，研发和生产上海外厂商仍有领先优势。海外企业包括Cree、Qorvo、MACOM、MMIC等均走在技术发展和产品出新的前列。大陆现已具备包括GaN材料衬底、外延、工艺加工、电路设计、封装、测试、模块、可靠性试验等的完整产业链布局，频段覆盖3mm及以下，部分产品达到国际领先水平。针对射频领域应用的GaN衬底生产企业主要包括苏州纳维和东莞中镓，外延企业主要包括晶湛半导体和苏州能讯。
5.2、自主可控拉开国产化替代序幕
自主可控趋势明确，拉开半导体材料国产化替代序幕。不论是射频芯片，还是激光、LED器件，材料制造环节都是产业链的核心价值所在，而目前基本由海外企业高度垄断。在中美博弈、“华为事件”等的影响下，国产化、自主品牌建设意识持续升温。在自主可控的明确趋势下，GaAs、GaN半导体材料行业有望迎来政策支持和产业升级的共振。
6、GaAs/GaN材料相关A股上市公司
6.1、有研新材：定位高端LED市场
有研新材主要从事稀土材料、光电子用薄膜材料、生物医用材料、稀有金属及贵金属、红外光学及光电材料、光纤材料等新材料的研发与生产。旗下重要子公司有研光电新材料有限责任公司主要从事红外光学及光电材料的研发和生产，是我国先进半导体材料和红外光学材料的重要研发中心和生产基地，拥有全球领先的红外锗单晶生产线，是全球红外光学锗片和红外LED衬底片的主要供应商。
目前有研光电拥有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。
6.2、云南锗业：布局GaAs和InP材料
云南锗业目前材料级主导产品为区熔锗锭、二氧化锗；深加工方面，光伏级锗产品主要为太阳能锗衬底片，红外锗系列产品主要为红外级锗单晶（光学元件）、锗镜片、镜头、红外热像仪，光纤级锗产品为光纤用四氯化锗，非锗半导体材料级产品主要为砷化镓单晶片。公司产品主要运用包括红外光学、太阳能电池、光纤通讯、发光二极管等领域。
公司GaAs单晶片产能为80万片/年（折合4英寸），年上半年生产GaAs单晶片4.17万片（折合4英寸）。目前公司生产仍以4英寸为主，6英寸GaAs尚未批量生产，产品主要销往韩国、福建、台湾等地。年上半年公司非锗半导体材料级产品（GaAs、InP）实现营业收入.78万元，占营业收入比重还较小，仅为2.36%。
（报告来源：兴业证券）
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