三安光电研究报告：向化合物半导体的星辰大海前行

　　三安光电是我国化合物半导体领先企业,多年深耕光电领域化合物半导体的研发与制造，公司在发展的起步阶段主要专注于全色系超高亮度 LED 外延片、芯片与车灯的研发与 生产;以 2014 年为起点，三安光电延续其Ⅲ-Ⅴ族化合物半导体领域的生产经验，逐步布局化合物半导体制造业的晶圆代工服务，将业务范围从 LED 芯片拓展至通讯射频、 光通信与电力电子等四大领域。通过设立厦门三安集成，公司新建砷化镓(GaAs)和氮 化镓(GaN)外延片生产线、以及适用于专业通讯微电子器件市场的砷化镓高速半导体芯 片与氮化镓高功率半导体芯片生产线，并以三安集成为化合物半导体技术、产品培育与 孵化基地，逐步向滤波器、碳化硅、硅基氮化镓等领域持续扩张。

　　三安光电的化合物半导体全体系建设，将分享 5G 新能源时代下全球性机遇。三安光电 控股子公司厦门三安集成是国内化合物半导体龙头企业，工艺能力涵盖微波射频、电力 电子、光通讯和滤波器四个领域的产品，主要应用于 5G、大数据、云计算、物联网、电 动汽车、智能移动终端、通讯基站、导航等。该公司于 2015 年 3 月开启通讯微电子项 目(一期)，建设了 GaAs 和 GaN 芯片 6 英寸线各一条，总投资额达 30 亿元。其 GaAs 制程包括 HBT 和 pHEMT 等，HBT 主要用于手机、Wi-Fi 等，pHEMT 主要用于卫星通 信、雷达等特种应用领域，总规划产能砷化镓高速半导体 30 万片/年、氮化镓高功率半 导体 6 万片/年。截至 2021H，在微波射频领域，三安集成已推出具有国际竞争力的 GaAsHBT、pHEMT 等面向射频应用的先进制程工艺，已建成专业化、规模化的 4 吋、 6 吋化合物晶圆制造产线。在电力电子领域，现已推出高可靠性，高功率密度的 SiC 功 率二极管及硅基氮化镓功率器件。在光通讯领域，已具备生产 DFB、VCSEL、PDAPD 等数通产品的能力，并面向 3Dsensing，红外 LiDAR 等消费应用领域开发出高功率可 见波段、红外波段 VCSEL，及端面发光激光器(EEL)等应用产品。

　　射频领域：基站 PA 移动终端 PA 滤波器

　　信息时代连接为王，高频 高速需求奠定射频增长基础

　　5G 趋势下射频需求提升，射频前端价值量随着通信制式升级而提升。5G 趋势下，高传 输速率、高稳定性、低延时、多设备兼容的应用场景逐渐普及，进而对电子元器件提出 了高频、高速、低功耗、低延时等更高要求。在无线通信领域，射频前端模块的核心器 件包括功率放大器(PA)、低噪声放大器(LNA)、滤波器、射频开关，移动终端每增加 一个频段，需要增加 1 个双工器，2 个滤波器，1 个功率放大器和 1 个天线开关。从手 机终端单机价值量来看，2G 时代射频前端价值量约 3 美元，4G 时代达到 18 美元，到 5G 时代将增长至 25 美元，增幅近 40%。

　　5G 手机 WiFi 6 渗透率高速增长，射频芯片成长空间广阔。据 TrendForce 预测，2020 年全球手机出货量约为 12.57 亿台，其中 5G 手机约 2.39 亿台，渗透率达 19%。据工信部统计，我国 5G 手机 2022 年 1 月渗透率已达 81.33%，远超全球平均水平。而除了 5G 手机以外，以 WiFi 6 为代表的 IoT 射频技术也在快速渗透，未来射频芯片的市场空 间仍十分广阔。

　　除了终端设备外，5G 基站也在保持快速渗透，带动射频芯片价值提升。4G 基站设备由 BBU(基带单元)和 RRU(射频拉远单元)组成，RRU 通常会拉远至接近天线的地方， RRU 与天线之间通过馈线连接。5G 基站设备将 BBU 分割为 CU(中央单元)和 DU(分 布式单元)，并通过光纤与 AAU(有源天线单元)连接。5G 基站天线采用 Massive MIMO 技术，天线和 RRU 合设，组成 AAU。MassiveMIMO 天线一般为 64T64R，则单个宏 基站天线数量为 192 个，放大器数量为 192 个。5G 基站之于 4G 基站的主要变化有：

　　天线：1)产品形态变化，基站天线 RRU(4G 时代)--→AAU(5G 时代);2)高频特性 3.5GHz/5GHz，覆盖面积小，带动天线数量提升;3)MassiveMIMO 技术变化，基站天线(4T4R)--→AAU(64T64R)，单天线价值量提升;

　　滤波器：1)轻量化、小型化、有源化，金属腔体滤波器--→陶瓷介质滤波器;2)MassiveMIMO 多通道，每个通道需要滤波器，单个基站的滤波器数量增多。

　　同时，5G 基站数量相较 4G 大幅提升。2~4G 均是低频段信号传输，宏基站几乎能覆盖 所有的信号传输，但由于 5G 主要是中高频段，宏基站能覆盖的信号范围十分有限，因此为了保障信号的覆盖程度，5G 基站的部署密度相较于 4G 基站将会有所增加，同时还通过小基站模式增强信号覆盖能力。根据工信部数据，截至 2020 年 10 月我国共建 成 5G 基站超 70 万座，前瞻产业研究院预计 2022 年底我国 5G 基站数可能达到 110 万 个，实现全国所有地级市室外的 5G 连续覆盖、县城及乡镇重点覆盖、重点场景室内覆 盖。此外，5G 频段的特性也促使基站建设向多频段、高密度、异用途迁移。如 2~4G 均 是低频段信号传输，宏基站几乎能覆盖所有的信号传输，但由于 5G 主要是中高频段， 宏基站能覆盖的信号范围十分有限，因此为了保障信号的覆盖程度，5G 基站的部署密 度相较于 4G 基站将会有所增加，同时还通过小基站模式增强信号覆盖能力。

　　信息时代连接为王，高频 高速需求奠定射频增长基础，信息技术的持续演进为射频芯 片带来了强大的增长动力，Yole 预测到 2025 年全球射频芯片规模将达 258 亿美元， 2018 年至 2025 年间复合增长率达 8.06%。其中 PA、滤波器在 2025 年市场规模将达 104、51 亿美元。此外，基站耗电量增加，对电源 IC 等器件需求也会增强。

　　5G 趋势下，射频元件的接收到发送基本上皆属于高频讯号，因此从有线到无线网路的 射频元件应用，主要都采用化合物半导体元件。高频、高速、高功率趋势成为化合物半 导体成长的沃土。5G 技术要覆盖毫米波频段，同时将可用通信频率提升至 6GHz300GHz 区间，由此拓宽低延时、高传输速度、多接入终端的运用场景，进而对器件提 出了高速、瞬时带宽、低功耗、高频及低时延等方面的要求，以便最大限度地提高电子 元器件的内在性能。而以 GaAs、GaN 为代表的化合物半导体元件具有优异的高频特性， 顺应宽频无线通讯及光通讯的爆炸性需求，能广泛运用在基站、移动射频、光通信器件 中，受益于 5G 替代的趋势，化合物半导体未來射频领域市场空间可期，因此下文我们 主要分析射频领域内化合物半导体的成长动力以及三安光电的发展机遇。

　　砷化镓：高频率 低功率，移动终端射频理想材料

　　化合物半导体中，GaAs、GaN、SiC 应用领域不同，砷化镓(GaAs)属于Ⅲ-Ⅴ族化合 物半导体，是目前技术最为成熟、生产量最大的化合物半导体。相比起传统半导体材料 硅，GaAs 具有高电子迁移率(为 Si 的 5~6 倍)、宽禁带、高工作温度、光电特性好 (可作发光与激光器件)、抗辐射、耐热、不易产生错误信号等优势。GaAs 是当前射频 领域中应用最广泛的材料，被广泛应用在射频、无线通信以及特种应用上。GaAs 应用 的工作频率主要在 8G Hz 以内，适合中低功率器件，例如微基站和手机射频材料。

　　砷化镓工艺像传统的 Si 半导体发展出 BJT、CMOS、BiCMOS 工艺一样,GaAs 半导体 也发展出了多种不同工艺，如 HEMT、pHEMT、BiHEMT、HBT 等。目前砷化镓制程技 术主流为 HBT、pHEMT 两大主轴，HEMT 尤其适合低噪声和高线性的场合，HBT 主要 用于 VCO 和手机 PA;BiHEMT 是 HEMT 和 HBT 的结合产物。

　　HBT(异质接面双极性晶体管)：主要用于手机 PA、Wifi PA、VCO。因物理特性具备高线性度、良好宽频相应、高崩溃电压、高增益、高效率、较低寄生效应、无 需负偏压设计、低相位杂讯等优点，致使其功能显现具有功率放大倍率佳、待机耗 电流较低、体积小等特色，目前 HBT 已成为市场上手机及 Wifi 用 PA 的主流技术。

　　pHMET(异质接面高电子迁移率晶体管)：主要用于 LNA、RF Switch。pHEMT 是对 HEMT(高电子迁移率晶体管)的一种改进结构。pHEMT 具有双异质结的结 构,这不仅提高了器件阈值电压的温度稳定性,而且也改善了器件的输出伏安特性, 使得器件具有更大的输出电阻、更高的跨导、更大的电流处理能力以及更高的工作 频率、更低的噪声等，这些优势使 pHEMT 在高功率基地台、LNA、RF Switch 上 占据重要地位。pHEMT 因为砷化铟镓(InGaAs)的加入，特别适用于 RF Switch 的应用，未来在 WLAN、WLL，以及光纤通讯、卫星通讯、点对点微波通讯、卫星 直播、有线电视、数位电视应用、Automobile Radar 及汽车防撞系统等应用，都 有较大的成长空间。

　　以射频功放为例，射频功率放大器的主要技术指标就是输出功率、线性度与效率。GaAs 工艺能为 PA 提供最佳的应用性能，是 PA 的主流工艺，其中 HBT 占据了主流的应用地 位。此外，WiFi 连接模组也推动了基于 GaAs、SiGe 工艺的 PA 进一步发展与应用。

　　国产射频设计厂商兴起，代工模式带来新机遇。砷化镓产业链上游主要包括原材料、 GaAs 衬底制造;中游主要包括外延片、IC 设计、晶圆代工以及封装测试;下游为终端 产品的应用。目前，射频器件市场 IDM 厂商占据主要份额，同时在国内射频设计厂商兴 起的带动下，砷化镓代工厂占比逐渐攀升。过去砷化镓射频市场较小，IDM 占据了主要 市场，而近几年砷化镓元件市场中，由于代工厂较具成本优势，加上 IDM 公司对于产能 扩充的投资倾向于保守，持续释出更大比率的订单给代工厂，如 Skyworks、Qorvo、 Broadcom 等 IDM 厂商都将部分 PA 外包给代工厂，对晶圆制造代工厂而言，提供了较 好的营运扩展机会;与此同时，我国射频设计厂商持续发展，如海思、唯捷创新、飞骧 科技、紫光展锐等优秀企业崭露头角，大幅增加了对代工厂的产能需求，预计砷化镓市 场中未来代工厂的比例会逐渐攀升。

　　据 Strategy Analytics 统计，2020 年全球砷化镓射频器件市场(含 IDM 厂商)总产值约 为 91.61 亿美元，较 2019 年的 85.44 亿美元成长 6.4%;2020 年砷化镓射频器件主要 由美国 IDM 厂商 Skyworks、Qorvo 占据，但是中国台湾地区的砷化镓晶圆代工领域龙 头——稳懋，从 2019 年市占率 7.9%排名第四，到 2020 年市占率 9.1%排名第三，实 现了对 IDM 厂商 Broadcom(8.9%)的超越，反映出代工厂在整个砷化镓射频器件市 场中的占比不断提高。2020 年砷化镓代工市场规模为 10.57 亿美元，较 2019 的 8.81 亿美元成长 20%，其中稳懋 2020 年市占率为 79.2%，持续保持全球第一大砷化镓晶圆 代工半导体厂商的地位。

　　一方面是 5G 换机潮和国产厂商兴起带来的时代机遇，另一方面由于晶圆代工与上下游 客户联系紧密，漫长的客户认证将考验公司核心竞争力。砷化镓代工厂龙头与客户深度绑定，稳懋第一大客户为 Broadcom，该公司曾以 1.85 亿美元入股稳懋，深度绑定二者 的合作关系，Skyworks、Qorvo 等 IDM 厂商也是稳懋的重要客户;宏捷科 2020 年的第 一大客户占公司收入亦超 50%。不论是消费电子市场对于基础器件的要求愈发严苛，还 是下游客户对于产品质量的认证难度升级，未来的射频器件、光电器件的要求需要考虑 体积、能耗、成本等多种指标，发挥晶圆代工厂商的领先技术优势以满足客户产品需求才能真正与 IDM 厂商抗衡。此外，从近期全球主要的 IDM 厂已逐步释出砷化镓晶圆代 工订单来看，我们认为未来代工模式相比起 IDM 模式，将具有更高的成长空间，对于中 国市场来说，晶圆厂与纯 IC 设计厂商需要紧密配合，来应对全球竞争的挑战。

　　而从 GaAs 的应用来看，射频、LED、激光器为主要应用领域，三安光电多年深耕化合 物材料工艺，从 LED、激光器到射频器件均具备深厚经验。三安集成砷化镓射频 2021H1 扩产设备已逐步到位，产能达到 8,000 片/月，出货产品全面覆盖 2G-5G 手机 PA、WIFI 等应用领域，国内外客户累计近 100 家，已成为国内领先射频设计公司的主力供应商。 随着后续扩产设备的逐步到位，产能不断提升，加上产品技术工艺不断成熟，高阶工艺 导入及客户新流片增加，客户粘性将不断加强。

　　三安集成在砷化镓射频芯片制造工艺领域持续投入，不断提高工艺水平，第三代 HBT 工 艺可以应用于 HPUE/APT PA，提供了更高的功率密度以及 PAE 水平，支持客户在高频 段消费类通讯的应用需求。另外，0.1/0.15/0.25um pHEMT 工艺均已实现量产，可以为 客户提供世界一流的生产能力和性能水平。三安集成基于砷化镓 HBT 及 p-HEMT 技术 平台，采用自主开发的专利制程工艺，实现了 n77-79 全 5G 频段覆盖的收发性能，完 整满足 Sub-6GHz 任意 5G NR 应用;自主研发的 HBT 制程工艺，成功达到 TDD Power Class 2 PA 的性能。2021H，公司砷化镓射频产品出货客户累计近 100 家，客户地区涵 盖国内外，并成功成为国内知名射频设计公司的主力供应商。

　　公司产能急起直追，与龙头之间差距不断缩小。截至 2021H 三安集成产能暂时未及稳 懋(2020 年数据)、宏捷科(2021 年 11 月数据)等砷化镓代工厂水平，但随着公司产 线设备安装调试进度的加快，预计三安集成未来产能将持续扩张，不断缩小与砷化镓元 件代工厂龙头之间的差距。

　　碳化硅基氮化镓：大功率射频器件的基石

　　氮化镓(GaN)是第三代半导体中的重要组成，以氮化镓材料为基础的微波射频器件近 年来得到蓬勃发展，与以硅(Si)为代表的第一代半导体材料和以砷化镓(GaAs)为代 表的第二代半导体材料相比，第三代半导体 GaN 微波射频器件具有高输出功率、高效 率、高频率、大宽带和可高温环境工作的优良特性，适用于半导体照明、高压、高频、 大功率领域，是迄今为止的最为理想的微波功率器件。碳化硅基氮化镓是指基于 SiC 异 质衬底外延材料制备的 GaN，其外延生长技术相对成熟，材料缺陷和位错密度小，方块 电阻、迁移率等电学参数最好，且 SiC 衬底导热性好，适合应用于高温、高频的领域， 因此在大功率输出的雷达、卫星、5G 基站具有广阔的应用前景，SiC 基 GaN 微波射频 器件成为目前市场主流。

　　碳化硅基氮化镓主要的应用市场是无线通信和特种领域。国防军事与航天应用是我国 GaN微波射频器件的主要应用领域，2020年市场规模占整个GaN射频器件市场的53%; 其次是无线基础设施，下游市场占比为 36%。在不同材料微波射频器件的应用范围对比 中，碳化硅基氮化镓最适合应用在大功率、高频率的微波器件上，多用于军用雷达、智 能武器和通信系统方面，目前已逐渐向 5G 移动通讯基站等民用领域拓展，在低频段 3- 6GHz 和毫米波频段发挥作用，已成为基站功放器的重要新材料。

　　5G 带来碳化硅基氮化镓市场快速成长。GaN 因其小体积、大功率的特性，以及 SiC 的 高导热率和低 RF loss，碳化硅基氮化镓的禁带速度、电子饱和迁移速度、击穿场强和 工作温度远远大于 Si 和 GaAs，通常应用与雷达和功率较大的宏基站，目前已逐步应用 在基站 PA 芯片上。受益于 5G 基站快速渗透、GaN 射频器件市场规模的快速增长。并 且 GaN 射频器件主要在 SiC 衬底上制作，碳化硅基氮化镓获得了极大的成长价值，是 未来大功率射频通信的核心技术之一。据 CASAResearch 统计，2020 年国内 GaN 微 波射频器件市场规模为 66.1 亿元，较上年同比增 57.2%。5G 基站建设是影响 GaN 微 波射频器件市场规模变化的主要因素，预计 2022 年我国 5G 基站建设将达到高峰，带 动国内 GaN 微波射频器件市场规模迅速扩张，其后自 2023 年开始，毫米波基站将有望 开始大规模部署，成为拉动市场的主要力量，带动国内 GaN 微波射频器件市场规模成 倍数增长。

　　我国 5G 通信产业正得到各级政府的重点扶持和移动通信商的应用牵引，2020 年将是 民用 GaN 射频器件快速发展的关键元年。2020-2024 年 5G 宏基站 GaN 产品以大功率 SiC 基 GaN 器件与模块为主。随着低成本大尺寸 Si-on-GaN 晶圆工艺逐渐成熟，低功 率 Si-on-GaN 及其多功能化 MMICs(单片、3D 异构)在小功率 5G 微基站应用中将成 为重要的功放半导体产品系列。面向 5G 移动终端应用的低压 GaN 功放将是潜在的新 产品方向。

　　碳化硅基氮化镓迎来特种装备黄金发展时机。在特种领域、卫星领域，GaN 器件已经代 替了大部分 GaAs 和部分 Si LDMOS 及行波管，占据了大部分市场份额。国防市场上的 有源电扫阵列(AESA)多年来依靠碳化硅基氮化镓来提升系统的性能和可靠性，许多 新技术得益于碳化硅基氮化镓的功率，例如在更高温的沟道温度下增强的射频可靠性、 频率可用性和延长的产品寿命。随着电子战和通信系统频率和带宽的增加，碳化硅基氮 化镓真正的优势将大放异彩。

　　国产化打造 GaN 增长机遇。随着国内第三代半导体产业向着“成长期”过渡，第三代 半导体器件开始应用于新能源汽车、光伏、5G 基站等，国内主流企业在产业、产品、 市场等领域的布局逐渐落地，而国际经济贸易形势的变化也大幅加速了半导体国产化的 进程，通信设备、特种装备是其中替代需求较强的领域。GaN 产业链按环节分为 Si 衬 底(或 GaN 单晶衬底、SiC、蓝宝石)、GaN 材料外延、器件设计、器件制造、封测以及 应用。各个环节国内均有企业涉足，如在射频领域，SiC 衬底生产商有天科合达、山东天岳等，GaN 衬底有维微科技、科恒晶体、镓铝光电等公司。外延片涉足企业有晶湛半 导体、聚能晶源、英诺赛科等。

　　三安光电是国内少数具备碳化硅基氮化镓大规模产线的企业，已建成国内第一台 6 英寸 氮化镓外延芯片产线并投入量产，并打造了国内第一个商用化和半导体晶圆代工制造平 台。从整体上来看，三安光电是我国领先的批量制造氮化镓外延和芯片的企业，具有明 显的行业稀缺性。此外，中电科 55 所、能讯半导体等企业也纷纷布局碳化硅基氮化镓 领域。

　　滤波器：射频器件王冠上的明珠

　　声表面波滤波器是射频前端中的重要芯片，而射频前端是实现信号无线连接的关键模块。 移动终端类产品的无线通讯系统主要由天线、射频前端模块、射频收发模块、基带信号 处理器等四部分组成。射频前端能够实现不同频率的信号在天线和射频收发模块之间发 射和接收。射频前端包括射频开关(Switch)、低噪声放大器(LNA, Low Noise Amplifier)、 功率放大器(PA, Power Amplifier) 、滤波器(Filter)和双工器(Duplexer)等芯片。 声学滤波器主要分为声表面波滤波器(SAW Filter)和体声波滤波器(BAW Filter)。