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GaAs將迎來“第二春”

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GaAs將迎來“第二春”

從當下和未來化合物半導體市場總量來看,GaAs和InP依然占據絕大部分,而SiC和GaN則會在高功率應用領域逐步擴大市占率。

文|半導體產業縱橫

隨著各種高頻和高功率應用需求的發展,化合物半導體市場規模不斷擴大,相應芯片的設計和制造業務受到越來越多從業者和資本的關注,顯現出良好的發展態勢。

化合物半導體主要是指第二代和第三代半導體材料及工藝,其中,第二代以砷化鎵(GaAs)、磷化銦(InP)為代表,它們相對于第一代半導體材料(以硅為主),具有電子遷移率高,光電轉換效率高的優點,非常適用于制造光電和射頻器件。手機的普及帶動了GaAs功率放大器(PA)的增長,迎來了第二代半導體材料的成熟期。近些年,以碳化硅(SiC)和氮化鎵(GaN)為代表的第三代化合物半導體火熱異常,但無論是當下,還是未來,以GaAs為代表的第二代化合物半導體依然是射頻器件,特別是手機等移動設備用PA的主要材料,占據著大部分市場份額。

據ResearchInChina統計,2018-2025年,全球GaAs元器件市場總產值將由95.19億美元增長至160億美元,年均復合增長率為7.7%。

InP的最大優勢在于擁有比GaAs更高的功率密度,這個化合物特性使得InP在5G毫米波頻段、B5G(Beyond 5G )次太赫茲(THz)頻段運用效果更勝GaAs,也是業界普遍認為有潛力成為未來PA主流材料的熱門選項。

GaAs的應用

與硅相比,GaAs的主要優勢為耐高溫(最高工作溫度可以到攝氏350度左右)、抗輻射、發光效率高,基于這些特性,GaAs主要用于三個領域:射頻(RF)、光電、LED,另外,光伏(PV)也有一定規模的應用。據Yole統計,2019年,GaAs在射頻、光電子、LED和光伏應用領域份額分別為37%、12%、50%和2%,預計2025年將變為28%、18%、53%和1%。

射頻應用方面,隨著5G時代到來,5G手機越來越普及,此外,無線網路(如Wi-Fi)普及率也越來越高,且對性能和網速要求不斷提升。這些系統中的無線射頻模組必定含有的關鍵零組件是PA、射頻開關和低噪聲放大器(LNA)等,其中,PA是將無線通信信號放大的器件,經過放大的信號最終從手機或者基站發射出去,PA屬于通信設備高能耗器件,目前,多數射頻PA都是基于GaAs材料工藝制造的。

5G手機中的PA數量和單價,都比4G時代大幅增長。5G sub6GHz 頻段中,GaAs HBT仍是PA的重要技術,5G新增了毫米波頻段,GaAs pHEMT 則為重要的技術路線。總之,手機PA的這塊大蛋糕在未來還是GaAs的天下。

手機基站方面,也要用到大量PA,以LDMOS(硅材料)、GaAs和GaN為主。與GaAs和LDMOS相比,GaN具備高頻、高輸出功率的優勢,但GaAs憑借可靠性和高性價比,未來仍將是基站的主流工藝。據Yole統計,LDMOS和GaN材料將呈現出此消彼長的關系,GaAs則保持相對穩定的市場占有率,具體來看,2025年,LDMOS占比將下降到15%,GaN占比將上升到45%,而GaAs占比約為40%。在基站PA GaAs材料占比穩定的情況下,未來幾年全球5G基站的建設將為上游GaAs產業帶來穩定的市場需求。

從歷史上看,GaAs在光電子領域應用規模較小,主要集中在數據通信應用上,但是,自從2017年蘋果公司在其手機iPhone X中引入3D感應功能,以及Android平臺采用GaAs垂直共振腔表面發射激光器(VCSEL)以來,VCSEL市場帶動GaAs晶圓和外延片生產規模激增。

在蘋果手機中,VCSEL主要用于人臉辨識。VCSEL具有較小的原場發散角、調制頻率高且易于實現大規模陣列及光電集成等優點,可廣泛應用于光通信、3D傳感、面部識別、車載激光雷達等場景,且短期內不易被其它技術取代。隨著手機3D面部感應滲透率提高,以及大容量光纖通信激光器的需求拉動,全球VCSEL的市場規模將從2020年的11億美元,增長至2025年的27億美元。因此,以VCSEL為代表的光電子領域將成為GaAs市場主要的成長動力。

除了VCSEL,光電二極管也是GaAs在光電子領域的重要應用。光電二極管是一種小型電子半導體器件,用于將光轉換為電流,GaAs光電二極管是一種半導體光傳感器,廣泛應用于各種監測和高速光纖接收器。消費電子(煙霧探測器、光盤播放器、紅外遙控設備等)和醫療設備(計算機斷層造影探測器、脈搏血氧計等)應用是GaAs光電二極管市場的主要驅動力。據Maximize Market Research統計,預計2027年GaAs光電二極管市場規模將達到2687.9億美元,2019-2027年均復合增長率為4.23%。

LED是GaAs應用的重要分支,特別是近些年,Mini LED和Micro LED快速發展,大幅拓寬了LED顯示技術的應用場景,為GaAs帶來了新的增長空間。

LED由含鎵、砷、磷、氮等的化合物制成,是常用發光器件,可高效地將電能轉化為光能。常規LED主要應用于通用照明、戶外大顯示屏等;Mini LED以HDR、異型顯示器等背光源應用為主,適應用于手機、電視、車用面板及電競筆記本電腦等產品;Micro LED的應用概念跟前兩者有很大差異,可應用在穿戴式的手表、手機、車用顯示器、擴增實境/虛擬實境、顯示屏及電視等領域。Mini LED是LED背光的改良版本,可以大幅提升液晶畫面效果,同時成本相對容易控制,有望成為市場的主流。Micro LED在畫質方面會有質的提升,是新一代革命性的顯示技術,若實現量產,將推動GaAs市場快速增長。

產業格局

在GaAs芯片制造方面,行業龍頭企業仍以IDM為主,廠商主要包括美國的Skyworks、Qorvo、Broadcom/Avago以及Wolfspeed,還有德國的Infineon。這些IDM,以Avago和Skyworks為例,當自身產能不足時,會將產品交給代工廠生產,Avago的主要代工廠商是穩懋(WIN),Skyworks的代工廠商是宏捷科技(AWSC),Qorvo的產能充足,主要自產,而且還會向外提供代工服務。

根據穩懋2021年報數據,目前,GaAs芯片制造市場中,IDM企業占有超過50%的市場份額,在射頻GaAs芯片市場,IDM占據明顯優勢,穩懋2021年報援引StrategyAnalytics數據顯示,Skyworks和Qorvo分別占市場份額的31.6%和29.7%,GaAs晶圓代工龍頭穩懋占比僅9.2%。

近些年,化合物半導體的晶圓代工比例在不斷提升,不過,由于化合物半導體在結構、成分、缺陷等方面難于硅晶圓制造,能提供高水平晶圓代工的企業并不多,目前,全球GaAs晶圓代工主要聚集在中國臺灣地區和美國,穩懋、GCS(環宇)和宏捷科技占據著全球90%的市場份額,據Strategy Analytics統計,在全球GaAs晶圓代工領域,穩懋以71%的市占率獨占鰲頭。

目前來看,GaAs晶圓代工廠的主要客戶是Avago、Skyworks等IDM大廠。前些年,Avago將其位于科羅拉多的工廠出售給了GaAs代工龍頭穩懋,Avago還入股穩懋,成為后者的大股東之一,Avago的HBT產品大多交給穩懋代工。這些從一個側面說明了IDM產能外包成為了一種趨勢,化合物半導體代工市場正在快速成長。

代工業務的發展,在很大程度上是因為GaAs技術和市場已經發展到了非常成熟的階段,特別是其襯底和器件技術不斷實現標準化,產品多樣化,相應的設計企業增加,使得代工業務需求不斷增加。這與邏輯器件代工業的發展軌跡類似。

隨著5G的普及,相應的高性能射頻和功率器件訂單明顯增加,訂單的超預期使得GaAs晶圓代工大廠產能吃緊。隨著5G的大規模應用,該市場的需求量還將進一步提升,龍頭廠商產能進入滿載周期,給中國大陸化合物半導體生產廠商帶來了商機,在國內的GaAs代工領域,玩家總體數量不多,能提供高水平代工業務的更是鳳毛麟角,主要有三安光電、海特高新等少數企業,其中,三安光電作為國產化合物半導體領域的龍頭企業,已經建成國內首條6英寸GaAs、GaN外延片產線并投入量產。

在制程工藝方面,化合物半導體與存儲器和邏輯器件有很大區別,因為前者面向射頻、高電壓、大功率、光電子等應用領域,并不追求很先進的工藝節點,GaAs器件以0.13μm、0.18μm以上制程為主,Qorvo正在進行90nm工藝研發。該領域基本不需要60nm以下的制程。

此外,由于受GaAs襯底尺寸限制,目前的生產線以4英寸和6英寸晶圓為主。

結語

在材料特性方面,以GaAs為代表的第二代化合物半導體明顯優于第一代半導體材料硅,特別是在射頻和光電子應用領域。與此同時,與SiC、GaN這些第三代化合物半導體材料相比,GaAs的工藝成熟度和性價比也具備明顯優勢,特別是在中低電壓應用領域,優勢更為明顯。

總之,從當下和未來化合物半導體市場總量來看,GaAs和InP依然占據絕大部分,而SiC和GaN則會在高功率應用領域逐步擴大市占率。

在GaAs芯片制造方面,與邏輯芯片(以CPU、GPU等處理器為代表)呈現出相似的發展趨勢,那就是晶圓代工比例逐步上升,IDM的市占率呈下滑態勢,不過,在可預見的未來,IDM依然會占據半壁江山,與晶圓代工分庭抗禮。

本文為轉載內容,授權事宜請聯系原著作權人。

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半导体产业纵...
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赋能中国半导体产业,我们一直在路上。

原因是成本上涨和汇率波动幅度远高于过去。迄今为止,在调价方面,爱马仕比同行相对“保守”。

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GaAs將迎來“第二春”

從當下和未來化合物半導體市場總量來看,GaAs和InP依然占據絕大部分,而SiC和GaN則會在高功率應用領域逐步擴大市占率。

文|半導體產業縱橫

隨著各種高頻和高功率應用需求的發展,化合物半導體市場規模不斷擴大,相應芯片的設計和制造業務受到越來越多從業者和資本的關注,顯現出良好的發展態勢。

化合物半導體主要是指第二代和第三代半導體材料及工藝,其中,第二代以砷化鎵(GaAs)、磷化銦(InP)為代表,它們相對于第一代半導體材料(以硅為主),具有電子遷移率高,光電轉換效率高的優點,非常適用于制造光電和射頻器件。手機的普及帶動了GaAs功率放大器(PA)的增長,迎來了第二代半導體材料的成熟期。近些年,以碳化硅(SiC)和氮化鎵(GaN)為代表的第三代化合物半導體火熱異常,但無論是當下,還是未來,以GaAs為代表的第二代化合物半導體依然是射頻器件,特別是手機等移動設備用PA的主要材料,占據著大部分市場份額。

據ResearchInChina統計,2018-2025年,全球GaAs元器件市場總產值將由95.19億美元增長至160億美元,年均復合增長率為7.7%。

InP的最大優勢在于擁有比GaAs更高的功率密度,這個化合物特性使得InP在5G毫米波頻段、B5G(Beyond 5G )次太赫茲(THz)頻段運用效果更勝GaAs,也是業界普遍認為有潛力成為未來PA主流材料的熱門選項。

GaAs的應用

與硅相比,GaAs的主要優勢為耐高溫(最高工作溫度可以到攝氏350度左右)、抗輻射、發光效率高,基于這些特性,GaAs主要用于三個領域:射頻(RF)、光電、LED,另外,光伏(PV)也有一定規模的應用。據Yole統計,2019年,GaAs在射頻、光電子、LED和光伏應用領域份額分別為37%、12%、50%和2%,預計2025年將變為28%、18%、53%和1%。

射頻應用方面,隨著5G時代到來,5G手機越來越普及,此外,無線網路(如Wi-Fi)普及率也越來越高,且對性能和網速要求不斷提升。這些系統中的無線射頻模組必定含有的關鍵零組件是PA、射頻開關和低噪聲放大器(LNA)等,其中,PA是將無線通信信號放大的器件,經過放大的信號最終從手機或者基站發射出去,PA屬于通信設備高能耗器件,目前,多數射頻PA都是基于GaAs材料工藝制造的。

5G手機中的PA數量和單價,都比4G時代大幅增長。5G sub6GHz 頻段中,GaAs HBT仍是PA的重要技術,5G新增了毫米波頻段,GaAs pHEMT 則為重要的技術路線。總之,手機PA的這塊大蛋糕在未來還是GaAs的天下。

手機基站方面,也要用到大量PA,以LDMOS(硅材料)、GaAs和GaN為主。與GaAs和LDMOS相比,GaN具備高頻、高輸出功率的優勢,但GaAs憑借可靠性和高性價比,未來仍將是基站的主流工藝。據Yole統計,LDMOS和GaN材料將呈現出此消彼長的關系,GaAs則保持相對穩定的市場占有率,具體來看,2025年,LDMOS占比將下降到15%,GaN占比將上升到45%,而GaAs占比約為40%。在基站PA GaAs材料占比穩定的情況下,未來幾年全球5G基站的建設將為上游GaAs產業帶來穩定的市場需求。

從歷史上看,GaAs在光電子領域應用規模較小,主要集中在數據通信應用上,但是,自從2017年蘋果公司在其手機iPhone X中引入3D感應功能,以及Android平臺采用GaAs垂直共振腔表面發射激光器(VCSEL)以來,VCSEL市場帶動GaAs晶圓和外延片生產規模激增。

在蘋果手機中,VCSEL主要用于人臉辨識。VCSEL具有較小的原場發散角、調制頻率高且易于實現大規模陣列及光電集成等優點,可廣泛應用于光通信、3D傳感、面部識別、車載激光雷達等場景,且短期內不易被其它技術取代。隨著手機3D面部感應滲透率提高,以及大容量光纖通信激光器的需求拉動,全球VCSEL的市場規模將從2020年的11億美元,增長至2025年的27億美元。因此,以VCSEL為代表的光電子領域將成為GaAs市場主要的成長動力。

除了VCSEL,光電二極管也是GaAs在光電子領域的重要應用。光電二極管是一種小型電子半導體器件,用于將光轉換為電流,GaAs光電二極管是一種半導體光傳感器,廣泛應用于各種監測和高速光纖接收器。消費電子(煙霧探測器、光盤播放器、紅外遙控設備等)和醫療設備(計算機斷層造影探測器、脈搏血氧計等)應用是GaAs光電二極管市場的主要驅動力。據Maximize Market Research統計,預計2027年GaAs光電二極管市場規模將達到2687.9億美元,2019-2027年均復合增長率為4.23%。

LED是GaAs應用的重要分支,特別是近些年,Mini LED和Micro LED快速發展,大幅拓寬了LED顯示技術的應用場景,為GaAs帶來了新的增長空間。

LED由含鎵、砷、磷、氮等的化合物制成,是常用發光器件,可高效地將電能轉化為光能。常規LED主要應用于通用照明、戶外大顯示屏等;Mini LED以HDR、異型顯示器等背光源應用為主,適應用于手機、電視、車用面板及電競筆記本電腦等產品;Micro LED的應用概念跟前兩者有很大差異,可應用在穿戴式的手表、手機、車用顯示器、擴增實境/虛擬實境、顯示屏及電視等領域。Mini LED是LED背光的改良版本,可以大幅提升液晶畫面效果,同時成本相對容易控制,有望成為市場的主流。Micro LED在畫質方面會有質的提升,是新一代革命性的顯示技術,若實現量產,將推動GaAs市場快速增長。

產業格局

在GaAs芯片制造方面,行業龍頭企業仍以IDM為主,廠商主要包括美國的Skyworks、Qorvo、Broadcom/Avago以及Wolfspeed,還有德國的Infineon。這些IDM,以Avago和Skyworks為例,當自身產能不足時,會將產品交給代工廠生產,Avago的主要代工廠商是穩懋(WIN),Skyworks的代工廠商是宏捷科技(AWSC),Qorvo的產能充足,主要自產,而且還會向外提供代工服務。

根據穩懋2021年報數據,目前,GaAs芯片制造市場中,IDM企業占有超過50%的市場份額,在射頻GaAs芯片市場,IDM占據明顯優勢,穩懋2021年報援引StrategyAnalytics數據顯示,Skyworks和Qorvo分別占市場份額的31.6%和29.7%,GaAs晶圓代工龍頭穩懋占比僅9.2%。

近些年,化合物半導體的晶圓代工比例在不斷提升,不過,由于化合物半導體在結構、成分、缺陷等方面難于硅晶圓制造,能提供高水平晶圓代工的企業并不多,目前,全球GaAs晶圓代工主要聚集在中國臺灣地區和美國,穩懋、GCS(環宇)和宏捷科技占據著全球90%的市場份額,據Strategy Analytics統計,在全球GaAs晶圓代工領域,穩懋以71%的市占率獨占鰲頭。

目前來看,GaAs晶圓代工廠的主要客戶是Avago、Skyworks等IDM大廠。前些年,Avago將其位于科羅拉多的工廠出售給了GaAs代工龍頭穩懋,Avago還入股穩懋,成為后者的大股東之一,Avago的HBT產品大多交給穩懋代工。這些從一個側面說明了IDM產能外包成為了一種趨勢,化合物半導體代工市場正在快速成長。

代工業務的發展,在很大程度上是因為GaAs技術和市場已經發展到了非常成熟的階段,特別是其襯底和器件技術不斷實現標準化,產品多樣化,相應的設計企業增加,使得代工業務需求不斷增加。這與邏輯器件代工業的發展軌跡類似。

隨著5G的普及,相應的高性能射頻和功率器件訂單明顯增加,訂單的超預期使得GaAs晶圓代工大廠產能吃緊。隨著5G的大規模應用,該市場的需求量還將進一步提升,龍頭廠商產能進入滿載周期,給中國大陸化合物半導體生產廠商帶來了商機,在國內的GaAs代工領域,玩家總體數量不多,能提供高水平代工業務的更是鳳毛麟角,主要有三安光電、海特高新等少數企業,其中,三安光電作為國產化合物半導體領域的龍頭企業,已經建成國內首條6英寸GaAs、GaN外延片產線并投入量產。

在制程工藝方面,化合物半導體與存儲器和邏輯器件有很大區別,因為前者面向射頻、高電壓、大功率、光電子等應用領域,并不追求很先進的工藝節點,GaAs器件以0.13μm、0.18μm以上制程為主,Qorvo正在進行90nm工藝研發。該領域基本不需要60nm以下的制程。

此外,由于受GaAs襯底尺寸限制,目前的生產線以4英寸和6英寸晶圓為主。

結語

在材料特性方面,以GaAs為代表的第二代化合物半導體明顯優于第一代半導體材料硅,特別是在射頻和光電子應用領域。與此同時,與SiC、GaN這些第三代化合物半導體材料相比,GaAs的工藝成熟度和性價比也具備明顯優勢,特別是在中低電壓應用領域,優勢更為明顯。

總之,從當下和未來化合物半導體市場總量來看,GaAs和InP依然占據絕大部分,而SiC和GaN則會在高功率應用領域逐步擴大市占率。

在GaAs芯片制造方面,與邏輯芯片(以CPU、GPU等處理器為代表)呈現出相似的發展趨勢,那就是晶圓代工比例逐步上升,IDM的市占率呈下滑態勢,不過,在可預見的未來,IDM依然會占據半壁江山,與晶圓代工分庭抗禮。

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