5 功率放大器：化合物半导体再添动力
5.1 化合物半导体是5G时代下功率放大器不可替代的核心技术，需求提升迅速
5.1.1 功率放大器即为信号的“扩音器”，市场空间广阔
何为功率放大器？
功率放大器，即为信号的“扩音器”，它是无线发射系统中极为重要的部分。通常条件下，在调制振荡电路中的射频信号都比较弱，这些信号需要经过射频放大器逐级放大并调制，最后经末级功率放大器匹配足够功率，通过天线将射频信号辐射。以iPhone6主板为例，其中就包括5个射频功率放大器，分别由Skyworks、Qorvo和Avago提供。功率放大器连接调制振荡电路及辐射天线，往往是整个移动终端中最为耗电、效率最低，同样也最为昂贵的部件。
射频功率放大器市场规模近40亿美元
近年来，全球4G手机占智能手机市场的份额逐年提升，随着未来4G通讯渗透率进一步提高以及5G通讯正式上线，手机需要支持的频段数越来越多，功率放大器的数量也相应大大增加。据Yole指出?2016年全球RF PA市场规模约为15亿美元，到2022年时，市场规模将达到25亿美元，但传统的LDMOS制程将逐渐被新兴的氮化镓（GaN）取代，砷化镓（GaAs）的市场占比则相对稳定。
5.1.2 化合物半导体是功率放大器核心技术，壁垒极高
何为化合物半导体？
化合物半导体指由两种或两种以上元素以确定的原子配比形成的化合物，并具有确定的禁带宽度和能带结构等半导体性质。
自2000年以后，化合物半导体市场逐步扩大，以砷化镓（GaAs）、氮化镓、碳化硅为首的半导体材料应用增多。
目前较为成熟的是第二代半导体材料，以砷化镓（GaAs）、磷化铟（InP）、磷化镓（GaP）为主要代表，这一类化合物半导体相对于第一代单元素晶体半导体拥有更高的电子迁移率，且为直接带隙，在光电传输过程中有更好的表现，同时整体上功率、增益以及效率都较硅基半导体更有优势。目前，市场上GSM、3G、4G通信网络多是以GaAs器件和COMS器件并存。
随着技术的进步，第三代半导体材料也开始应用，主要以氮化镓（GaN）、碳化硅（SiC）为主要代表，这一类半导体相较前两代半导体，拥有更大的禁带宽度，能够对应更宽的频谱区域，这也是未来高频5G时代的需求。
COMS、GaAs和GaN是功率放大器的三种重要的制备工艺
目前功率放大器中半导体的制备工艺主要有COMS、GaAs和GaN三大类工艺，其中比较成熟的是CMOS和GaAs工艺。
CMOS作为最先发展的半导体制备工艺，其优势在于制程成熟，成本更低，整体集成度较高，通常被用于芯片制造、通信集成等多个领域。智能手机中功率放大器相对于CPU等芯片而言，集成度要求并没有那么高，相反对于工作频率、耐高温、耐高压等方面特性要求更高，因此GaAs工艺作为兼顾良率、成本以及增益、效率的最佳方案，被广泛应用于3G、4G网络中。
GaAs工艺其实指的是材料制备中两种工艺手段，MOCVD（气相外延生长）和MBE（分子束外延）。通过该工艺制造的GaAs IC（以MESFET、HEMT、HBT为主的集成电路）有着非常出色的表现。比如GaAs MIMIC（微波毫米波单片电路）和GaAs VHSIC（超高速集成电路）在新型相控阵雷达等军用上起着重要作用。
GaN工艺和GaAs工艺差别不大，生长上控制难度更大一些，尽管目前良品率仍较低，集成度也相对较低，但最终需求才是科学技术进步第一推动力，随着时间推进，技术的成熟度会不断提高。
GaN优异的材料性能能够满足相当大范围的频段需求，目前多用于军用雷达、高频通信域。未来随着高频5G信号毫米波段进一步发展，应用前景会越来越广阔。
5.1.3 5G时代下，化合物半导体需求量大幅增加
5G时代下，“高频+频段增多”推动化合物半导体需求量增加
5G时代下，化合物半导体的增量主要来源于两个方面：1）毫米波通信推动化合物半导体需求增长；2）5G通讯信号覆盖全网频段，频段数量增加，功率放大器芯片数量也将进一步增加。
5G通信将在3GHz以上的通信频段，GaAs器件将成为不可或缺的部分。GaAs射频功率放大器具有比硅（Si）器件拥有更高的工作频率和更高的工作电压，满足未来5G通信高频、高效、高功率的需求。目前4G手机的功率放大器已全部采用GaAs 技术，未来5G射频放大器器件更加采用GaAs 技术以及更高端的工艺技术。
5G通信支持的频段将大幅增加，将达到50 个以上，远大于4G 通信的频段数，仅通过提高功率放大器的复杂程度已不能满足频段需求，未来手机功率放大器数量将大大增加，使得单部手机中GaAs 器件成本大幅增加。在4G手机中，iPhone6中搭载共6个PA芯片。未来随着5G通信的应用，Strategy Analytics预计智能手机中PA芯片数量可能高达16个，化合物半导体的需求量也会明显增多。
以GaAs、GaN为代表的化合物半导体市场将在PA带动下快速增长
以GaAs、GaN为代表的化合物半导体将成为PA的主流材料，目前在6GHz以下主要是以GaAs HBT为主，28~39GHz频段主要是以智能手机GaAs HEMT和基站用GaN HEMTs为主，而高频毫米波段主要是以InP HBT、GaN HEMT和GaAs HEMT为主。以第二代、第三代化合物半导体材料为基的功率放大器市场规模将近一步扩大。
5.2 中国厂商蓄势待发，将享受行业爆发红利
5.2.1 化合物半导体技术主要被国外厂商垄断
PA射频器件一直存在着硅基COMS PA和化合物半导体PA之争。硅基材料虽然成本上优势明显、技术上也非常成熟，但由于本身物理性能受限，无法用于高频领域，目前以砷化镓为代表的化合物PA在射频功放市场上仍有85%以上的市场占有率。
COMS射频公司以高通、英飞凌、Peregrine等为主要代表，技术上则向Ultra COMS方向演进。
2G时代开始，低成本的COMS PA开始进入手机市场，Axiom（2009年被Skyworks收购）的CMOS PA就实现了千万级的出货量。另一家CMOS PA供应商Amalfi Semiconductor（2012年被RFMD收购）的产品也广泛应用在低成本手机上。
3G时代，2013年2月份，高通宣布推出可以对应LTE的CMOS PA，矛头直指GaAs技术。高通作为芯片行业龙头，这一举措大大刺激了CMOS射频元件厂商。初创公司RF axis凭借多项专利技术，实现了采用纯CMOS技术达到了原本只能由GaAs 或SiGe实现的性能，而成本却只有几分之一，目前RF axis的产品已经获得包括高通（Qualcomm）、博通（Broadcom已被Avago收购）以及其他无线互联与物联网设备提供商的认可。英飞凌是另一家支持CMOS射频的厂商，就推出了采用CMOS工艺的射频开关。另一家厂商Peregrine（2014年被Murata收购）是SOI（绝缘体上硅）技术的领导者，其 Ultra CMOS技术为射频产品带来了高度集成的单芯片方案，目前已向市场提供二十多亿个Ultra CMOS芯片。
GaAs射频公司逐鹿群雄，日本、台湾、欧美均有强力竞争者
GaAs半导体厂商主要为国外IDM厂，根据Strategy Analytics数据表明，2014年GaAs元器件市场规模为74.3亿美元，2015年市场规模为86亿美元，预计到2020年，市场规模将突破130亿美元。市场份额主要集中于Skyworks、Qorvo和Avago三家，占市场份额的6成以上。
日本的Murata是全球最大的MLCC厂家，也是第一大通讯模块厂家，2013年完成对Renesas PA事业部收购，打造最完整的射频产品线。
GaAs元件加工核心步骤外延沉积主要参与厂商有Kopin、VPEC、IQE三家，合计市场占有率超60%，其中Kopin和VPEC两家采用的是MOCVD制程，IQE采用的是MBE制程。
晶圆代工厂方面，主要代表有Win、AWSC和Anadigic。Win Semiconductor（稳懋）是全球最大的GaAs晶圆代工厂，主要客户为AVAGO；AWSC主要客户是Skyworks。国内主要是三安光电，近年来发展速度十分可观，2015年月产能已经达到24k片每月，产能直逼稳懋，未来有望超越稳懋成为全球最大的晶圆代工厂。
PA模组厂方面，主要有Skyworks、Avago、Qorvo（RFMD与TriQuint合并）等几家公司。目前Skyworks是最大的参与者，全球前10大手机厂商都是其主要客户，技术也最为成熟。Avago作为行业新参与者，于2013年5月收购Javelin正式切入COMS PA领域，2015年5月更是斥资370亿美元收购Broadcom（博通）成为芯片领域龙头。
GaN市场刚打开，竞争格局初现
长期以来，GaN一直作为一种国防军用材料，广泛应用于军事、卫星通信、无线基站等领域。随着技术的逐步成熟，开始逐步向民用商业化渗透，目前在无线通信领域的应用已经占据了其总市场的一半以上，据Yole Development数据显示，2010年GaN射频器件市场规模仅为6300万美元，随着无线通讯技术的演进，预计2020年将达到6.2亿美元，年复合增长率高达26%。
目前GaN射频器件参与厂商主要包括Wolfspeed、Raytheon、Northrop Grunman、TriQuint、RFMD、Nitronex、MA-COM、GCS等。
Wolfspeed：科锐2016年拆分旗下Wolfspeed Power & RF（功率与射频）部门，更名为“Wolfspeed”公司，同年7月英飞凌收购Wolfspeed并表示Wolfspeed生产的碳化硅芯片在未来数年将逐渐取代传统芯片，尤其是在电动和混合动力汽车市场。
Raytheon：雷神公司是美国大型国防合约商，提供多个领域国防产品，在微电子领域，雷神擅长砷化镓单片微波集成电路（MMIC）技术，并正在应用这一技术于全球卫星通信，直播卫星电视接收机、 无线本地环绕网络和下一代数字蜂窝电话，目前雷神公司已经开展GaN器件制造。
Northrop Grunman：坐落在美国加利福尼亚洲，是一家以航空航天器件生产为主的公司，目前公司正投入大量资源用以对航天通信器件GaN材料的开发利用。
TriQuint、RFMD：目前已合并为Avago公司，公司是一家设计、研发并向全球客户广泛提供各种模拟半导体设备的供应商，公司主要提供复合 III-V 半导体产品，在高性能设计和集成方面拥有超群的实力。
Nitronex：是一家在无线通信市场世界知名的公司，专业设计、生产有源器件，目前产品已在美国以及亚洲市场有了广泛的应用。Nitronex获得2180万美元GaN RF芯片投资。基于其GaN工艺，Nitronex公司已经发布了针对WiMax市场的一系列的RF功率晶体管产品。
MA-COM：成立于1950年，总部位于美国东海岸波士顿马萨诸塞州，主要专注于射频和微波产品的开发。在微波和射频领域，目前投资研发基于硅衬底的氮化镓技术，为5G的移动通信的发展做准备，也为其它新能源行业大功率器件做准备。
GCS：环宇通讯半导体公司1997年成立，要从事砷化镓／磷化铟／氮化镓高阶射频及光电元件化合物半导体晶圆制造代工，目前与国内三安光电正式合作建立合资子公司三安环宇公司，也标志着大陆厂商氮化镓器件制造正式进入快速发展期。
5.2.2 中国厂商正着力打造本土射频半导体产业链
目前中国的化合物射频半导体产业链已经初步形成。从PA产业链设计、制造再到封测，各个环节均有中国厂商参与，打造中国自己的PA产业链格局。设计端发展最早，目前有锐迪科（RDA）、唯捷创芯（Vanchip）、中普微电子、汉天下（Huntersun）、国民飞骧、苏州宜确（长盈精密收购其20%股份）等企业参与。制造端技术要求较高，国内化合物半导体制造主要有三安光电、海特高新等企业参与，国内封测端主要有长电科技、晶方科技、华天科技等企业参与。
三安光电，国内第一家规模量产的GaAs/GaN化合物晶圆代工企业
三安光电是国家人事部认定的博士后工作站及国家级企业技术中心，在美国成立研发中心，拥有Ⅲ-Ⅴ族化合物半导体技术顶尖人才组成的技术研发团队，掌握的产品核心技术达到国际同类产品的技术水平，研发能力已达到国际先进水平，其中半导体集成电路6英寸外延更是填补了国内芯片外延空白。公司于2014年设立全资子公司三安集成电路，专注于GaAs高速半导体器件和GaN高功率半导体器件的生产。其中三安集成首期项目（通讯微电子器件一期）投资规模30亿，其中定增募集16亿，自由资金14亿，投入用以建设GaAs和GaN芯片产线各一条，并于2018年达到产能饱和。公司目前拥有约300台MOCVD，除研发机外都已全部开满生产。而二期项目MOCVD也将逐步采购，产能将近一步提升。
技术方面，公司与GCS优势互补，成立合资公司厦门三安环宇集成电路有限公司，其中三安集成占合资注册资本51%。为公司在射频通讯和光通讯元件技术水平和专利平台的构筑得到迅速提升有利于加快公司集成电路业务的发展进程。
目前，三安光电已向47家公司提交样品，产品应用包括 2G、3G、4G 手机应用的功率放大器、无线网用的功率放大器、基站应用、低噪声放大器、及其它无线通讯应用单元等，其中11颗芯片进入微量产，其它客户芯片持续验证中。同时，公司继续扩充GaN高功率及射频芯片生产线，有望尽快满足客户和市场需求。
国民技术，斥资80亿打造化合物半导体生态产业园
国民技术是国内最大的安全芯片供应商之一，也是国内化合物半导体生产重要企业之一。其主营业务USBKEY安全芯片、移动支付芯片等领域占据优势地位，早在2008年就已72.9%的市场份额占据国内安全芯片市场销售额排名第一。此外公司积极开拓化合物半导体领域，全力打造中国最大的化合物半导体生态园。
2017年8月，公司全资子公司国民投资与成都邛崃市人民政府，就投资建设“化合物半导体生态产业园”项目事宜达成共识，并签订了《化合物半导体生态产业园项目投资协议书》，该项目预计三年初具规模，五年实现产能。
根据初步规划，该项目总投资将不少于人民币80亿元（一期50亿元，二期30亿元），以第二/三代化合物半导体外延片材料为核心基础，围绕相关应用，向上游辐射半导体晶材料，向下游带动高端芯片、功率器件、高能电源、传感器、射频模组和终端整机等产品，打造化合物半导体产业链生态圈。
为更好管理半导体生态产业园，国民投资将与陈亚平、重庆西证渝富股权投资基金管理有限公司、四川通利能光伏科技有限公司，共同发起设立成都国民天成化合物半导体有限公司，合资公司拟注册资本20,000万元。国民投资以自有货币资金出资5,000万元，占合资公司注册资本的25%；陈亚平拟以自身为代表人的技术团队掌握的6项第二/三代集成电路外延片制造专有 技术所有权作价出资4,000万元，占合资公司注册资本的20%；西证渝富拟代表基金以货币资金出资10,000万元，占合资公司注册资本的50%；通利能拟以货币资金出资1,000万元，占合资公司注册资本的5%。
