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5G能否成化合物半导体产业突破口?

发布时间:2019-06-14 16:05 来源:未知 编辑:admin

  化合物半导体相比硅半导体具有高频率、大功率等优异性能,是未来5G通信不可替代的核心技术,将在5G通信中大量使用。当前GaAs/GaN化合物半导体射频器件已在4G通信、有源相控阵雷达、卫星通信等领域得到应用。然而现有市场主要由日本、美国、欧洲的化合物半导体企业把控,并已建立市场和技术壁垒,形成产业链合作惯性。中国企业进入市场较晚,很难有足够的线年实现商用,中国是全球最大的5G市场,并开始拥有全球5G通信发展的话语权,加之中国具有一定的技术积累和产业基础,中国化合物半导体产业有望在5G通信市场实现突破。

  5G智能手机将大量使用GaAs射频器件。GaAs射频功率放大器具有比Si器件更高的工作频率。随着移动通信频率不断提高,Si器件已不能满足性能要求,4G智能手机中的功率放大器已全部采用GaAs技术。未来5G通信将包括6GHz以上频段,性能优越的GaAs器件将不可替代。5G通信支持的通信频段将大幅度增加至50个以上,远大于4G通信的频段数(不超过20个)。每多支持1个频段就需要增加1个放大器(或大幅度提高器件复杂程度),使得单部手机中的GaAs器件成本大幅度增加。赛迪智库预计2020年GaAs器件市场将达到130亿美元。

  5G通信基站亟须更高性能的GaN射频器件。GaN射频功率放大器兼具Si器件的大功率和GaAs器件的高频率特点。为了应对2.4GHz以上频段Si器件工作效率快速下降的问题,4G通信基站开始使用GaN功率放大器。目前约10%%的基站采用GaN技术,占GaN射频器件市场的50%%以上。未来5G通信频率最高可达85GHz,是GaN发挥优势的频段,使得GaN成为5G核心技术。全球每年新建约150万座基站,未来5G网络还将补充覆盖区域更小、分布更加密集的微基站,对GaN器件的需求量将大幅度增加。赛迪智库预计2020年GaN射频器件市场将超过6亿美元。

  发达国家已完成化合物半导体的战略布局。由于化合物半导体具备优异的性能和广阔的应用前景,美国和欧洲在21世纪初开始布局,发布技术和产业扶持计划,并培育了一批龙头企业,已占领技术和市场的高地,为5G通信发展奠定了基础。美国国防部先进研究项目局(DARPA)从2002年起先后发布了宽禁带化合物半导体技术创新计划(WBGSTI计划)和下一代GaN电子器件计划(NEXT计划),帮助美国本土的Qorvo、Cree等化合物半导体企业迅速成长为行业龙头。欧洲防务局(EDA)于2010年发布旨在保障欧洲区域内化合物半导体供应链安全的MANGA计划,已完成预期目标。

  国际巨头占据化合物半导体射频器件市场主导地位。在4G智能手机用的GaAs射频放大器市场中,美国Skyworks、Qorvo和Broadcom三家公司的市场占有率接近90%%。GaN基站市场集中于日本住友电工、美国Cree和Qorvo三家企业手中。在制造成熟度方面,Qorvo公司自2008年至今已出货260万件GaN器件产品,其中17万件应用于雷达领域。Cree公司于2014年年初宣布其GaN射频器件累计销售量已超过100万件。Qorvo和Raytheon公司的GaN产品已分别达到美国国防部的制造成熟度评估(MRL)第九级和第八级。第九级意味着GaN器件的制造工艺已满足最佳性能、成本和容量的目标要求,准备开始全速率生产。

  一是化合物半导体的军事用途使得美国频繁阻挠国内产业崛起。化合物半导体是有源相控阵雷达、毫米波通信、军用卫星、激光武器等军事装备的核心组件,受到国际《瓦森纳安排》的出口管制。中国资本试图收购国外优秀化合物半导体企业以快速获取人才和技术,却频频遭遇美国政府阻碍。2015年以来,金沙江公司收购美国Lumileds、三安光电收购美国GCS、福建宏芯基金收购德国Aixtron均被美国以危害国家安全为由予以否决。

  二是国内5G通信整机企业面临制裁风险。国内化合物半导体产品尚不成熟,使得整机企业大量进口国外器件,供应链安全存在很大隐患。2016年3月,美国商务部以违反美国出口管制法规为由制裁中兴通讯,对企业造成了几近毁灭性打击。基于化合物半导体的功率放大器、光通信芯片等均在限制目录中。2017年3月,中兴以近12亿美元的罚款与美国政府和解,方才化解危机。

  中国开始拥有全球5G通信发展的话语权,为化合物半导体提供广阔市场。中国是全球移动通信的重要市场,华为、中兴是全球第二大和第四大通信基站供应商,华为、OPPO、vivo是全球前五大智能手机企业。中国已建成全球最大的4G网络,基站数量超过200万个,用户数量突破5亿户。自主品牌智能手机每年出货量近5亿部。Skyworks、Qorvo等化合物半导体企业在中国的销售额均占公司总销售额的60%%以上。2013年,中国成立IMT-2020(5G)推进组,力争成为全球5G标准制定的领导者。中国推动的极化码方案(Polar Code)被国际通信标准组织3GPP采纳为5G控制信道编码方案之一。

  一是高校和研究机构正加速技术的产业化。中科院、北京大学、中电科13所、29所、55所等在化合物半导体领域具备较强实力,依托军工等市场积累了技术和人才,通过技术转化和合作成立了中科晶电、海威华芯等企业。

  二是LED芯片与化合物半导体制造流程相似,提供了产业基础。LED是基于化合物半导体的光电器件,在衬底、外延和器件环节具有技术互通性。中国LED芯片产业在全球占据重要地位,产业配套较成熟,可支撑化合物半导体产业发展。国家集成电路产业投资基金已入股LED芯片龙头企业三安光电公司,投资新建化合物半导体生产线万片/年。

  国内GaAs设计企业不断涌现,正积极研发4G产品。国内目前拥有各类手机功率放大器(PA)设计企业近20家,汉天下、紫光展锐、唯捷创芯等企业发展迅速,出货量位列前茅,已经在2G和3G手机PA市场占据重要市场地位。在全球2G市场,汉天下已占据64%%的市场份额。在全球3G市场,汉天下占据42%%。国内设计企业正在积极研发4G PA产品。紫光展锐的4G PA已于2016年12月通过高通公司的平台认证。汉天下的4G PA已实现5~10家客户量产出货,可实现三模和五模覆盖,月出货量超过100万套。广州智慧微电子公司、深圳国民飞骧科技有限公司、唯捷创芯公司均已在GaAs基4G PA技术上实现突破。我国大陆设计企业目前主要选择在我国台湾稳懋等代工厂制造,随着三安集成公司和海威华芯公司已建成GaAs器件生产线填补我国大陆代工制造空白,未来我国大陆GaAs设计企业将更倾向于委托我国大陆代工厂制造,共同提升在国际市场的竞争力。

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