金属新材料系列之五：5G时代的GaAs衬底机会.pdf

识别风险 ， 发现价值 请务必阅读末页的免责声明 1 / 21 Table_Page 行业专题研究 |有色金属 2019 年 9 月 5 日 证券研究报告 Table_Title 有色金属行业 金属新材料系列之五： 5G 时代的 GaAs 衬底机会 Table_Author 分析师： 巨国贤 分析师： 李莎 分析师： 刘洋 SAC 执证号： S0260512050006 SFC CE.no: BNW287 SAC 执证号： S0260513080002 SFC CE.no: BNV167 SAC 执证号： S0260519060002 0755-82535901 020-66335140 021-87570852 juguoxiangf lishagf gzlygf 请注意，刘洋并非香港证券及期货事务监察委员会的注册持牌人，不可在香港从事受监管活动。 Table_Summary 核心观点 ： 5G 时代的 GaAs 衬底机会 根据 周春锋等于 2015 年发表于天津科技期刊的论文砷化镓材料技术发展及需求， 5G 时代射频器件的高频、高功率对半导体衬底材料提出更高的要求， GaAs 衬底 成为主流趋势 。考虑到 GaAs 两种生长工艺的不同，直拉法生长的 GaAs 能够满足 5G 高频、高功率的需求。从自主可控的角度看，拥有直拉 GaAs 产能的公司将在此过程中受益。 PA 器件及衬底： 5G 基站、终端对 PA 需求大增、 GaAs 衬底或迎来更大市场空间 根据 周春锋等于 2015 年发表于天津科技期刊的论文砷化镓材料技术发展及需求， 5G 网络高频、高速的特性要求前端射频组件具备在高频、高功率下更好的性能表现，从而对其半导体材料电子迁移率和禁带宽度等物理性能提出了更高的要求；同时， 5G 宏 基站 大规模 MIMO 技 术的普及、以及 5G 终端支持频段的增加，都将使 前端射频组件以及半导体材料需求提升 。基于上述两个方面， GaAs 以及 GaN 在 5G 时代 或 将逐步取代 Si-LDMOS，成为终端设备以及基站设备前端射频器件的核心用半导体材料，迎来更大市场空间。 GaAs 长晶工艺： 制备高纯单晶为组件制造首要环节、直拉法占据 90%市场份额 半导体高纯单晶生长是制备各类半导体器件的 核心技术。从生产工艺看，水平布里奇曼法（ HB）已经不适用于生产低位错密度、高品质 GaAs 单晶， 而 VGF/ VB 法 、 LEC 法等直拉工艺 已成为全球主流长晶技术。根据 Pioneer Reports 发布的 Global Gallium Market Growth 2019-2024报告 ， VGF/ VB 法 、 LEC 法 全球 市场份额 合计 达 90%。 GaAs 市场格局： 海外厂商垄断 PA 和 GaAs 衬底市场，国产替代空间广阔 根据 Yole 数据， 从 全球 前端射频 功率放大器 市场看， Skyworks、 Qorvo、 博通 Avago 等市占率合计高达 93%，而 半绝缘 GaAs 单晶衬底 也 均被日本 住友电气、德国费里博格以及 美国 AXT 等 少数厂商垄断，全球市场 CR3 高达95%。 而目前 国内 GaAs 单晶厂商仍以 LED 芯片用低阻抛光片为主，射频元器件用大尺寸、半绝缘 GaAs 衬底尚未规模生产，国产替代空间广阔。 投资建议： 5G 来临助 GaAs 迎更大市场空间，国产化替代空间广阔 我们认为， 5G 时代将带来以 GaAs 为代表的第二、第三代半导体材料的需求 显著提升 ，但目前大规格、高品质半绝缘 GaAs 单晶衬底基本为海外 厂商垄断，国产化替代空间广阔。 关注 相关上市公司 ： 云南锗业（ 根据公司 2018年年报 ，公司是 集锗矿开采、精深加工和研发为一体的高新技术企业，目前具备砷化镓单晶片产能 80 万片 /年（以4 吋 计）， 2018 年 公司非锗半导体产品营收为 1065 万元，占其总营收的 2.3%， 2018 年营收占比较低 ）、有研新材（ 根据公司 2018 年年报，公司主要从事微电子光电子用薄膜材料、超高纯金属及稀贵金属材料 等 新材料的研发与制备 。 2018 年 公司高纯 /超高纯金属材料和稀土材料营收占比分别为 52.1%、 38.1%，是公司主要产品领域， GaAs单晶营收占比较低 ） 。 风险提示 国内及海外 5G 推广进程不及预期； GaAs 主流生产工艺发生重大变化；半导体材料技术进步， GaAs 被其他材料快速替代。 识别风险 ， 发现价值 请务必阅读末页的免责声明 2 / 21 Table_PageText 行业专题研究 |有色金属 重点公司估值和财务分析表 股票简称 股票代码 货币 最新 最近 评级 合理价值 EPS(元 ) PE(x) EV/EBITDA(x) ROE(%) 收盘价 报告日期 （元 /股） 2019E 2020E 2019E 2020E 2019E 2020E 2019E 2020E 中金岭南 000060.SZ CNY 4.29 2019/9/1 买入 6.50 0.27 0.27 15.89 15.89 10.14 10.05 8.20 7.70 宝钛股份 600456.SH CNY 27.15 2019/8/21 买入 31.00 0.65 0.85 41.77 31.94 20.14 17.34 7.30 8.70 天齐锂业 002466.SZ CNY 23.80 2019/8/23 买入 28.00 0.44 1.08 54.09 22.04 19.28 15.93 4.40 9.70 东阳光 600673.SH CNY 7.78 2019/8/21 买入 12.00 0.43 0.58 18.09 13.41 10.64 8.27 16.10 17.90 银泰资源 000975.SZ CNY 16.90 2019/8/20 买入 17.10 0.57 0.61 29.65 27.70 15.18 14.41 11.90 11.30 威华股份 002240.SZ CNY 7.84 2019/7/25 买入 8.44 0.34 0.45 23.06 17.42 15.42 12.42 7.70 9.40 金钼股份 601958.SH CNY 7.05 2019/8/27 买入 8.80 0.22 0.43 32.05 16.40 15.33 9.24 5.10 9.10 华钰矿业 601020.SH CNY 9.85 2019/8/28 买入 11.98 0.23 0.64 42.83 15.39 37.67 11.15 5.80 13.80 西部超导 688122.SH CNY 49.97 2019/7/7 0.37 0.46 135.05 108.63 76.75 58.77 5.60 6.60 数据来源： Wind、广发证券发展研究中心 备注 ：表中估值指标按照最新收盘价计算 识别风险 ， 发现价值 请务必阅读末页的免责声明 3 / 21 Table_PageText 行业专题研究 |有色金属 目录索引 一、 PA 器件及衬底： 5G 基站、终端对 PA 需求大增、 GaAs 衬底或迎来更大市场空间 . 5 （一） PA 器件： 17-23 年 5G 基站、终端 PA 需求 CAGR 或达 7%，性能要求提升 5 （二） PA 衬底：迁移率和禁带宽度要求更高、 GaAs 等或挤占 Si 基衬底市场份额 . 7 二、 GaAs 长晶工艺：制备高纯单晶为组件制造首要环节、直拉法占据 90%市场份额 . 10 （一）从晶体到组件：制备高纯半导体单晶为组件制造的首要环节 . 10 （二） GaAs 长晶工艺：直拉法占据 90%市场份额 . 10 三、 GaAs 市场格局：海外厂商垄断 PA 和 GaAs 衬底市场，国产替代空间广阔 . 15 （一）全球： PA 及 GaAs 单晶衬底均被少数厂商垄断， CR3 分别为 93%和 95% . 15 （二）国内：射频器件用半绝缘 GaAs 衬底尚未规模化、国产替代空间广阔 . 16 四、投资建议： 5G 时代 GaAs 衬底需求提升、国产化替代空间广阔 . 18 五、风险提示 . 19 识别风险 ， 发现价值 请务必阅读末页的免责声明 4 / 21 Table_PageText 行业专题研究 |有色金属 图表索引 图 1： 5G 高频、高速特质驱动 PA 等射频组件性能提升、数量倍增 . 6 图 2： 20182023 年，全球射频前端市场规模预计将以年复合增长率 16%持续高速增长 . 7 图 3：预计 2017-2023 年全球射频前端 PA 市场容量将由 50 亿美元增加至 70 亿美元， CAGR 达 7%左右 . 7 图 4： Si-LDMOS 制程的功率器件无法满足超过 3.5GHz 以上高频段的工作要求 . 8 图 5：面向 5G 应用， GaAs、 GaN 基器件未来将逐步挤占 Si 基器件的市场份额 . 8 图 6：制备高纯半导体单晶为组件制造的首要环节 . 10 图 7：水平布里奇曼法（ HB）装置示意图 . 12 图 8：液封切克劳斯基法（ LEC）装置示意图 . 12 图 9：蒸气压控制切克劳斯基法（ VCZ）装置示意图 . 13 图 10：垂直布里奇曼法 /梯度冷凝（ VGF/VB）示意图 . 13 图 11： VGF 法生长 GaAs 单晶的市场份额达 63%，是当前主流 GaAs 单晶生长工艺 . 14 图 12：美国 Skyworks、 Qorvo 和博通（ Avago）在 PA 领域的市场份额分别达 43%、25%和 25% . 15 图 13：日本住友电气、德国费里伯格和美国 AXT 占据了 95%以上的 GaAs 单晶衬底市场份额 . 15 表 1：第一代、第二代、第三代半导体物理性能参数对比 . 7 表 2： Si-LDMOS、 GaAs 和 GaN 半导体材料性能及应用场景差异 . 9 表 3： GaAs 晶体生长技术对比 . 13 表 4： 全球 GaAs单晶衬底龙头均以 VGF/VB/LEC 工艺为主，水平布里奇曼法（ HB）已被淘汰 . 16 识别风险 ， 发现价值 请务必阅读末页的免责声明 5 / 21 Table_PageText 行业专题研究 |有色金属 一、 PA 器件及衬底 ： 5G 基站、终端 对 PA 需求大增 、GaAs 衬底 或 迎来更大 市场空间 （一） PA 器件 ： 17-23 年 5G 基站、终端 PA 需求 CAGR 或 达 7%，性能要求提升 基带和射频模块是完成 3/4/5G 蜂窝通讯功能的核心部件。 典型 射频模块 （ RF FEM）主要包括功率放大器（ PA）、天线开关（ Switch）、滤波器（ SAW）等器件构成，其中 功率放大器 PA占据着射频前端芯片 较大的 市场份额 。 5G时代渐行渐近，其 高频、高速、高功率 特点将驱动功率放大器以及其半导体材料的性能较 4G时代 进一步提升。 1、 性能 ： 5G高频、高速 特质 驱动 PA高频和功率 等 性能提升 3GPP (Third Generation Partnership Project， 第三代合作伙伴计划 )将 5G的总体频谱资源 划分为两个频段，即 FR1和 FR2。 FR1为 450MHz6GHz， 因此也被称为Sub6G频段 ， 是 5G主频段； FR2为 24GHz52GHz， 又被成为毫米波频段 ，是 5G扩展频段 。 相较于主要频段分布于 3GHz以下的 2G、 3G和 4G， 5G频谱向频谱资源更为丰富的高频段延伸， 这也就要求功率放大器等射频组件在高频下具有较高的工作性能和效率。 3GPP将 5G网络 特点归纳为 极高的速率 （ eMBB场景 ） 、极大的容量 （ mMTC场景 ）以及 极低的延时 （ URLLC场景 ） 。 以速率为例， 5G将实现 1Gbps以上的速率，为 4G LTE Advanced的 10倍以上 。 同时 ， 从通信原理来看，无线通信最大信号带宽约在载波频率的 5%左右， 即 载波频率越高，其可实现的信号带宽也就越大。 5G的Sub6G频段常用载波带宽 为 100Mhz、多载波聚合时可达 200Mhz； 而 毫米波频段常用载波带宽是 400Mhz、 多载波聚合时可到 800Mhz。 因此， 5G高峰值速率以及宽频带等特点要求功率放大器等射频组件具有更高的功率表现和工作效率。 2、数量 ： 5G基站、终端 对 PA需求大增、 17-23年 CAGR或 达 7% 宏 基站： （ 1） 规模方面， 5G宏 基站的数量较 4G时代将 大幅增加 。 5G通信频谱分布在高频段，信号衰减更快，覆盖能力大幅减弱。相比于 4G，通信信号覆盖相同的区域， 5G基站的数量将大幅增加。于黎明等于 2017年发表于 移动通信期刊的论文中国联通 5G无线网演进策略研究中对 3.5GHz及 1.8GHz在密集城区和普通城区覆盖能力的模拟测算，密集城区中 3.5GHz频段上行需要的基站数量是 1.8GHz的 1.86倍，普通城区中 3.5GHz频段上行需要的基站数量则是 1.8GHz的 1.82倍； （ 2）技术方面， 大规模 MIMO技术 应用导致单基站 所需功率放大器等射频组件数量大幅增加 。 根据 毛建军等于 2015年发表于 现代雷达期刊的论文 一种用于 5G的大规模 MIMO天线阵设计 ， 单用户 MIMO、 多用户 MIMO分别是 3G、 4G时代常用的天线技术 ， 而 5G将引入大规模 MIMO（ Massive MIMO）来应对更高的 数据速率要求 。大规模 MIMO技术使用大型天线阵列（通常包括 64个双极化、 至少 16个阵列元素）来实现 空间复用 ，大大提升了特定空间区域内的数据流吞吐量。 以 5G宏基站采用的识别风险 ， 发现价值 请务必阅读末页的免责声明 6 / 21 Table_PageText 行业专题研究 |有色金属 64T64R天线为例 ， 相对于 4G常用的 4T4R天线 ，单个 5G宏基站天线对射频器件需求量将是 4G宏基站的 16倍。 终端： 5G终端支持频段增多将直接带动射频前端用量 和单机价值量的增长 。 根据 Skyworks数据 ， 通信频段 数量 从 2G时代的 4个增加 至 4G时代 的 41个 ，而 5G将新增 50个频段，总频段数量将达到 91个 ，由此将 直接带动射频前端芯片的用量与单机价值的提升 。根据 Skyworks预测，射频前端单机价值量将从 4G的 18美金上升至 25美金。 图 1： 5G高频、高速特质驱动 PA等 射频组件性能提升、数量倍增 数据来源： 3GPP、 毛建军等于 2015 年发表于现代雷达期刊的论文一种用于 5G 的大规模 MIMO 天线阵设计 、 广发证券发展研究中心 5G宏基站的 总 量 、单基站 PA需求量以及 5G终端单机 射频前端用量 相较 4G时代将明显提升 。 根据 QYR Electronics Research Center的预测， 2018年至 2023年全球射频前端市场规模预计将以年复合增长率 16%持续高速增长， 2023年接近 313.1亿美元。单就功率放大器看， Yole预计 2017-2023年全球功率放大器市场将由 50亿美元增加至 70亿美元 ， CAGR达 7%左右 。 识别风险 ， 发现价值 请务必阅读末页的免责声明 7 / 21 Table_PageText 行业专题研究 |有色金属 图 2： 20182023年 ， 全球射频前端市场规模预计将以年复合增长率 16%持续高速增长 图 3： 预计 2017-2023年全球 射频前端 PA市场 容量将由 50亿美元增加至 70亿美元， CAGR达 7%左右 数据来源： QYR Electronics Research Center、 广发证券发展研究中心 数据来源： Yole、 广发证券发展研究中心 （二） PA 衬底 ：迁移率和禁带宽度 要求更高、 GaAs 等 或 挤占 Si 基衬底市场份额 根据前文所述， 5G高频、高速、高功率 的 特点 对 功率放大器 （ PA）的高频、高速以及功率性能要求进一步提升 ，也对 制备 PA器件的 半导体材料 的性能要求更为严格。 常见的半导体材料以物理性能区分可划分为三代，其中第一代半导体以 Si、Ge为代表，第二代半导体以 GaAs、 InP为代表 ， 第三代半导体以 GaN、 SiC为代表 。 高工作频段要求半导体材料具备更高的饱和速度和电子迁移率 。 载流子饱和速度和电子 迁移率 越高，半导体器件 工作 速度则越快。因此 5G高工作频段对半导体材料的 饱和速度和电子迁移率 要求更高。 由 下表可见，第二代半导体 GaAs和 InP的电子迁移率分别是 Si的 5倍和 4倍左右，而第二代、第三代半导体的饱和速度均为 Si的 2倍以上，更为适合于 5G射频器件应用。 高功率要求则要求 半导体材料具备更高的禁带宽度和击穿电场。 禁带宽度 和击穿电场强度 越大， 半导体材料的耐高电压和高温性能越好，即可以满足更高功率器件的要求。由下表可见，第二代半导体材料 GaAs的禁带宽度约为 Si的 1.3倍 ， 而第三代半导体材料 GaN的禁带宽度则是 Si的 3倍。因此， GaAs和 GaN等 第二代、第三代半导体相对于 Si更适合于制备高功率器件。 表 1： 第一代 、第二代、 第三代半导体物理性能参数对比 物理参数 第一代半导体 第二代半导体 第三代半导体 Si Ge GaAs InP GaN SiC 禁带宽度 (eV)(5K) 1.12 0.7 1.4 1.3 3.39 3.26 能带跃迁类型 间接 间接 直接 直接 直接 直接 0%5%10%15%20%050100150200250300350201120122013201420152016201720182019E2020E2021E2022E2023E全球射频前端市场规模 (亿美元 ) 同比增速 (右轴 )0501001502002502017A 2023ECAGR19%CAGR7%CAGR15%CAGR15%CAGR16%识别风险 ， 发现价值 请务必阅读末页的免责声明 8 / 21 Table_PageText 行业专题研究 |有色金属 击穿电场 (MV/cm) 0.3 - 0.4 0.5 3.3 3 截止频率 (GHz) 20 - 150 300 150 20 本征载流子浓度 ni (cm-3) 1107 11013 1.51010 11014 1.91010 8.2109 饱和速度 (106cm/s) 10 6 20 22 22 20 电子迁移率 (cm2/Vs) 1200 3800 6500 4600 1250 800 空穴迁移率 (cm2/Vs) 420 1400 320 150 250 115 介电常数 11.8 16 12.8 10.8 9 10 热导率 (W/cmK) 1.5 0.6 0.5 / 1.3 4.9 数据 来源： 周春锋等于 2015 年发表于天津科技期刊的论文砷化镓材料技术发展及需求 、 广发证券发展研究中心 备注：表中 SiC 指的是 4H-SiC 结构的相关参数 面向 5G高频、高功率 要求， GaAs、 GaN基器件 将 逐步 挤占 Si基器件的 市场份额 。 根据前文所述，相较于主要频段分布于 3GHz以下的 2G、 3G和 4G， 5G频谱向频谱资源更为丰富的高频段延伸 ，这也使得 Si-LDMOS制程的功率器件无法满足超过 3.5GHz以上高频段的工作要求 ；同时，对于输出功率在 3W以上的器件， HBT制程的 GaAs也无法胜任 。 因此 ， 对于工作在较高频段 、 输出功率要求相对较低的功率器件 ， MESFET和 HEMT制程的 GaAs将逐步替代传统的 Si-LDMOS； 而对于工作频段更高 、 输出功率要求更高的器件 ， HEMT制程的 GaN材料将是最优选择 。因此从趋势上看， 面向 5G高频、高功率要求， GaAs、 GaN基器件将逐步挤占 Si基器件的市场份额。 根据 Yole统计数据， 2017年 全球 PA器件用半导体材料约 40%采用Si-LDMOS， 35%采用 GaAs， 而 25%采用 GaN。 Yole预计到 2025年 ， Si-LDMOS市场份额将萎缩至 15%， 而 GaN市场份额将达 50%， GaAs市场份额则基本稳定 。 图 4： Si-LDMOS制程的功率器件无法满足超过 3.5GHz以上高频段的工作要求 图 5： 面向 5G应用， GaAs、 GaN基器件 未来 将逐步挤占 Si基器件的市场份额 数据来源： Yole、 广发证券发展研究中心 数据来源： Yole、 广发证券发展研究中心 识别风险 ， 发现价值 请务必阅读末页的免责声明 9 / 21 Table_PageText 行业专题研究 |有色金属 综合前文论述，我们可以初步得到 5G时代 Si-LDMOS、 GaAs以及 GaN半导体材料及器件的应用范围 。 由于 Si-LDMOS不再适合于 5G高频段 ， 因此 GaN将逐步取代 Si-LDMOS应用于 5G宏基站以及小基站中； GaAs由于其制造成本和规格尺寸中等 ，且输出功率较小，因此将广泛应用于终端设备前端射频器件的制备。在下文中，我们将首先就 GaAs半导体材料的制备工艺以及市场竞争格局进行分析 。 表 2： Si-LDMOS、 GaAs和 GaN半导体材料性能及应用场景差异 性能指标 Si-LDMOS GaAs GaN 工作频率 3.5GHz 以下 40GHz 以下 60GHz 以下 输出功率 100W 以下 50W 以下 1000W 以下 制造成本 低 中 高 规格尺寸 较大 中等 较小 适用设备 2/3/4G 基站 终端设备前端射频器件 5G 宏基站、小基站 数据 来源： Yole、 广发证券发展研究中心 识别风险 ， 发现价值 请务必阅读末页的免责声明 10 / 21 Table_PageText 行业专题研究 |有色金属 二、 GaAs 长晶工艺 ： 制备高纯单晶为组件制造首要环节、直拉 法 占据 90%市场份额 （一） 从晶体到组件：制备高纯半导体单晶 为组件 制造的首要环节 晶胞重复的单晶半导体材料能够提供芯片制作工艺和器件特性所要求的电学和机械性质，而缺陷较多的多晶半导体材料则对芯片制备不利，因此制备高纯的 单晶半导体材料 是芯片等器件制造的首要环节 。 单晶生长的基本工艺原理是，待多晶原料经加热熔化、 温度合适后，经过将籽晶浸入、 熔接、引晶、放肩、转肩、等径、收尾等步骤，完成一根单晶锭的拉制。 单晶锭经过裁切、外径研磨、切割、 刻蚀、抛光、清洗等流程 后成为晶圆片 ，之后进入芯片生产加工流程。 芯片制造 过程可概分为晶圆处理工序（ Wafer Fabrication）、晶圆针测工序（ Wafer Probe）、 封装 工序（ Packaging）、测试工序（ Initial Test and Final Test）等几个步骤。其中晶圆处理工序和晶圆针测工序为前道（ Front End）工序，而 封装工序和 测试工序为后道（ Back End）工序。 下文将主要就 GaAs单晶生长工艺进行讨论 。 图 6： 制备高纯 半导体 单晶为组件制造的首要环节 数据来源： 周铁军等于 2018 年发表于 科技风期刊的论文 VGF 法 Si-GaAs 单晶生长过程中产生位错的因素 、 广发证券发展研究中心 （二） GaAs 长晶 工艺 ：直拉法占据 90%市场份额 GaAs为 典型的人工晶体，单晶生长较为困难。 根据周春锋等于 2015年发表于天津科技期刊的论文 砷化镓材料技术发展及需求 ， GaAs晶体属于典型的人工晶体 ，由于 GaAs热导率较硅更低而热膨胀系数较硅更高 ， 造成 GaAs成晶较硅更为困难 。 同时 ， 由于 GaAs位错临近切变应力比硅位错临近切变应力小 ， 造成 GaAs单晶生长中不易降低位错密度 ；另外，由于 GaAs堆积层错能较硅更小 ， 造成 GaAs