砷化镓材料性质、发展历程、产业链及市场规模如何？

国内上中下游产业布局趋于完善，下游市场规模将快速增长。

第一代单元素半导体，以硅和锗等为代表，其中硅基半导体材料是目前产量最大、成本最低、应用最广的半导体 材料。第二代III-V族化合物半导体，以砷化镓和磷化铟等为代表，具有电子迁移率高、光电性能好等特点，是当 前仅次于硅之外最成熟的半导体材料，在5G通信、数据中心、新一代显示、无人驾驶、可穿戴设备、航天等方面 有广阔的应用前景；第三代宽禁带半导体，以氮化镓和碳化硅等为代表，具有高禁带宽度、耐高压和大功率等特 点，在通信、新能源汽车等领域前景广阔，目前成本较高。

砷化镓应用可分为三个阶段，第一阶段自20世纪60年代起，砷化镓衬底开始应用于LED及太阳能电池，并在随后 30年里主要应用于航天领域。第二阶段自20世纪90年代起，随着移动设备的普及，砷化镓衬底开始用于生产移动 设备的射频器件中。第三阶段自2010年起，随着LED以及智能手机的普及，砷化镓衬底进入了规模化应用阶段， 2017年iPhone X首次引入了VCSEL用于面容识别，砷化镓衬底应用场景再次拓宽。2021年，随着Apple、 Samsung、LG、TCL等厂商加入Mini LED市场，砷化镓衬底的市场需求将迎来爆发性增长。

二代半导体产业链包括上游的衬底制造、外延加工，以及中游的IC设计、制造、封测和下游应用等环节。1）砷 化镓衬底材料主要由Freiberger、Sumitomo等行业龙头供应，磷化铟衬底材料则由Sumitomo、日本JX等供应；2） 外延加工市场则是由IQE、全新光电等少数寡头占据，但一些垂直整合制造（IDM）厂商自己也生产外延片；3） 中游的IC设计、制造、封测等环节，行业存在IDM和代工两种主流模式，前者从芯片设计到生产都由IDM厂自身 完成，后者的芯片设计公司（被称为Fabless house）仅具有设计功能，其晶圆制造和封装测试外包给外界专业 厂负责。4）下游应用包括射频、光电子、LED和光伏等板块。

砷化镓产业链最上游为砷化镓晶体生长和衬底生产加工环节。衬底是外延层半导体材料生长的基础，在芯片中起 到承载和固定的关键作用。生产砷化镓衬底的原材料包括金属镓、砷等，先通过人工合成砷化镓多晶，再利用生 长技术制备砷化镓单晶，最终经过切割、磨边、研磨、抛光、清洗等工艺得到砷化镓衬底，整个过程生产设备主 要涉及晶体生长炉、研磨机、抛光机、切割机、检测与测试设备等。

砷化镓外延片是砷化镓产业链的关键材料。外延生长是指在经过切、磨、抛等仔细加工的单晶衬底（基片）上生 长一层有一定要求的、与衬底晶向相同的单晶层，犹如原来的晶体向外延伸一段。新单晶可以与衬底为同一材料， 也可以是不同材料（即同质外延和异质外延）。由于新生单晶层按衬底晶向延伸生长，从而被称之为外延层（厚 度通常为几微米），长了外延层的衬底称为外延片（外延片=外延层+衬底）。器件制作在外延层上为正外延，若 器件制作在衬底上则称为反外延，此时外延层只起支撑作用。外延生长的新单晶层可在导电类型、电阻率等方面 与衬底不同，还可以生长不同厚度和不同要求的多层单晶，从而大大提高器件设计的灵活性和器件的性能。

产业链中下游根据终端应用不同形成IDM与代工两种商业模式。在砷化镓外延片的基础上进行IC设计、加工、封 装、测试后制成砷化镓芯片，可用于终端应用领域的器件制造。根据Yole，GaAs各生产环节厂商可按终端应用 射频（RF）、光电子（Photonic）、LEDs、光伏（PV）划分，GaAs衬底厂商面向下游整个产业链；GaAs外延 片厂商产品主要提供给射频和光电子领域，对应中下游的IC生产环节存在IDM和代工两种模式；LED和光伏领域 则均为IDM模式，自外延片到芯片、器件均由IDM厂商一体化生产。

根据ResearchInChina数据，2018-2025年，全球砷化镓元器件市场总产值将由95.19亿美元增长至近160亿美元， CAGR近7.7%。 根据kbv research数据，2017-2027年全球磷化铟元器件市场规模将由37亿美元增长至76亿美元，预测期间内 （2021-2027年）CAGR为9.7%。