2020年化合物半导体磷化铟研究报告

1、2020年化合物半导体磷化锢研究报告一.化合物半导体磷化钢(InP) 电学性质优越磷化钢是第二代半导体材料，广泛应用于光通信集 成电路等领域。5G时代技术革 新带来以磷化S(InP)x 碎化稼(GaAS )为代表的第二代半导体材料的蓬勃发展。 半导体材料按照物理性质可以划分三代，分别是以Si、 Ge为代表的第一代Z InP. GaAS为代表 的第二代， GaNX SiC为代表的第三代。磷化钢(InP)是一种III-V 族化合物，闪锌矿型晶体结构，晶格常数为5.87×10-10 m Z禁带宽度为1.34 eV Z常温下迁移率为3000-4500 cm2(V.S)o InP晶体具有饱和电

2、子漂移速度高、抗辐射 能力强、导热性好、光电转换效率高等诸多优点Z被广 泛应用于光通信、高频毫米波器件、光电集成电路和外层 空间用太阳 电池等领域。未来组件需求将以高速、高频 与高功率等特性，链接5G通讯、车用电子与光通讯领 域的应用，第二、三代化合物半导体有望突破硅半导体摩 尔走律。(一) 磷化钢半导体电学性能突出磷化钢(InP )和Ii申化稼(GaAS )相比#电学等物理性质优势突出，在半导体光通信领域应用占据优势。1 )磷化钢具有高电子峰值漂移速度、高禁带宽度、高热导率 等优点。InP的直接跃迁带隙为1.35eV Z对应光通信中 传输损耗最小的波段；热导率高于GaAS Z散热性能更 好。

3、2）磷化钢在器件制作中比GaAS更具优势。InP器 件高电流峰谷比决走了器件的高转换效率；InP惯性能 量时间常数是GaAS的一半，工作效率极限高出GaAS 器件一倍；InP器件具有更好的噪声特性。3 ）磷化钢 （InP ）作为衬底材料主要有以下应用 途径。光电器件， 包括光源（LED ）和探测器（APD雪崩光电探测器）等Z 主要用于光纤通信系统；集成激光器、光探测器和放大 器等，是光电集成电路是新一代40Gbs通信系统必不 可少的部件。（二）磷化钢材料光电领域应用占优磷化锢应用涵盖光纤通信光电器件.医疗及传感等多种领域。目前主要应用于1）用于光纤通信技术。在磷 化钢单晶衬底上制备的InGaA

4、SP/InP , InGaAS/InP异质结材料所制 备的13-1.6m光源和探测器已广泛用 于光纤通信中；2）材料在光电器件方面得到广泛应用。（三）磷化钢单晶制备技术壁垒高能够使单晶批量化生长的技术主要有高压液封直拉法（LEC ）、垂直温度梯度凝固法（VGF ）和垂直布里奇 曼法（VB）。美国AXT公司和日本住友分别使用VGF和 VB技术可以生长出直径15Omm的磷化钢单晶，日本 住友使用VB法制备的直径4英寸掺Fe半 绝缘单晶 衬底可以批量生产。VGF生产技术要求晶体表面翘曲度 小于15微米,位错水平越低越好。中国磷化钢制备技 术与国际水平仍有较大差距，国内企业产能规模较小，大 尺 寸磷化

5、钢晶片生产能力不足。二磷化锢光通信产业链，上游国外垄断有待突破（一）产业链全球分工明确，国内衬底市场占比不足磷化钢衬底处于产业链上游,80%市场份额被国外厂 商垄断。目前，日本住友是行业龙头，占据着全球60% 市场份额,美国通美市占率15% ,英法的公司市占率各 10%和5%。目前，国内衬底年用量总计在3万片左右， 占全球总市场份额不足2%o国内能够生产磷 化钢晶圆 的企业较少，珠海鼎泰芯源公司掌握30项专利，正在申 请的专利有10项Z磷化钢长晶率可达到40%-50%° 而公司背后的技术团队和技术支撑是中科院。目前鼎泰芯 源 已经掌握了 2英寸到6英寸晶圆的生产技术。（二）上游衬底公

6、司：国外垄断格局显著，国内企业 追赶磷化钢衬底材料处于光通信产业链上游国外垄断格局明显。目前，由于在磷化钢单晶生长设备和技术方面 存在较高壁垒Z磷化钢市场参与者较少,且以少数几家国 外厂商为 主，主要供应商包括日本住友、日本能源、美国AXT（中国生产）、法国InPaCtX英国 WaferTeCh等, 以上5家厂商占据了全球近80%的市场份额。国内开展磷化钢单晶材料的研究工作已经超过30 年，但磷化钢单晶生长技术的研究 规模、项目支持力度 和投入较小，与国际水平还存在较大差距。目前，国内除 通美北京工厂外，尚没有可批量生产单晶衬底的厂家。但传统的碎化殊、错单晶衬底厂家同样注意到了该市场 的机会，

7、包括珠海鼎泰芯源公司、云南错业、先导稀材、 中科晶电、东一晶体在 内的厂家正在积极布局。目前， 由于国内激光器外延厂家尚未实现大规模生产，磷化钢衬 底占全球总市场份额不足2%o（三）中游器件公司：激光器欧美企业起步较早，光模块中国市占率高 公司规模来看Z国外激光器企业体量较大，国内激光器 企业仍有差距。欧洲和美国在激光领域起步较早，技术上 具备领先 优势，时至今日许多知名激光器企业已经发展 壮大,如美国的IPG光电、COherent （相干，收购德 国罗芬）、nLight（恩耐）、IIVI（贰陆），德国的TrUmPf （通快，收购英国SPl公司），以及丹麦的激光器欧美企业起步较早，内企业规模相

8、对较小。NKTPhOtOniCS等。国内优秀的激光器企业有锐科激光、创鑫激光、杰普特等，但规模上相对较小。光模块产业链全球分工明确，国内厂商占据较大市场份额。欧美日等发达国家技术起 步较早，在芯片和产品 研发方面拥有较大技术优势。中国在技术方面起步晚，没 有实现技术独立的优势，但是凭借劳动力优势、市场规 模以及电信设备商的扶持，光模块在产业链中游占据较大市场份额，从OEM、ODM发展为多个全球市占率领 先的光模块品牌。光迅科技、中际旭创、华工正源等企 业占据全球19%光模块市场份额。产业链分工有效利用 了全球优势生产要素，并避免了重复研发,有利于全球 产业链高效运转。下游云厂商：亚马逊市占率全

9、球首位，阿里巴巴追赶从全球云计算市场份额来看，美国厂商占据主导地位，亚 马逊是唯一的行业龙头，阿里云跻身第四位。根据 Gartner的统计，2019年亚马逊、微软、谷歌三家美国 厂商在2019年占72%的市场份额。亚马逊以45%的 市场份额位于全球首位，第二、三、四分别是占据17.9% 市场的微软、占据9.1%市场的谷歌和占据5.3%市场的 阿里云。三.IDC/5G驱动光模块需求迅増，磷化钢材料蓄势待发（一）电信+数通拉动产业链上下游需求増长5G时代光通信行业的发展主要带动光模块需求増 长。由于现代通信都是由光纤光缆 传输，而终端发送和 接收都是电信号，所以两端都需要有光电信号的转换装置 光模

10、块。光模块如今大量应用于通信行业和数据中心 行。5G使用的网络架构相比4G增加了中传 环节，前 传、中传、回传之间均采用光模块实现互联。光模块需求升级带动激光器产能的扩张。光通信过程 中，发射端将电信号转换成光信号,经过调制由激光器发射舟光传向接收端；接收端将光信号转换成电信号，经过解调变 成信息。其中，光电芯片以其光电信号转换功 能占据关键地位。一是成本占比高,光芯片 和电芯片分 别占光模块成本50%、20% ,也就是光模块成本有7成 是芯片；二是技术壁垒 高，光模块的核心技术就在于芯 片，尤其是光芯片,光芯片的技术决走光模块的性能。（二）全球及中国光模块市场趋势向好光模块市场前景覆好，预期

11、2025年全球市场规模 可达百亿美元。2011-2019年全球、中国光模块市场规 模持续增长Z从2011年的全球、中国光模块市场规模 30.5亿、9.5亿美元，到2019年的全球、中国光模块市场规模59.4亿、24.6亿美元，分别实现了 8.69%、12.63%的CAGRO根据YOIe发布的报告显示Z预计2019-2025年的复合增长率为15% , 2025年光模块 市场将增长至177亿美元。在中国国内新基建带动5G 和数据中心的建设Z和疫情影响全球光模块销量的两个 因素作用下，预计近1年内光模块市场将保持温和增长。（三）数通光模块増量升级JDC高速发展是引擎云厂商CAPEX整体上升趋势，指标

12、排名腾讯居于 首位。云厂商CAPEX是判断光模 块通信行业景气度的 重要指标。2017至2019年云厂商CAPEX增速加大Z 光模块通信行 业发展景气,国内企业腾讯和阿里巴巴在 全球指标排名位于前三。IDC高速发展：流量爆发带动全球IDC高速发展,直接拉动数通光模块増量升级。根 据工信部，2017年 我国在用IDC机架规模166万架Z数量1844个;规 划在建数据中心规模107万架，数量463个;IDC市场规模650.4亿元,近五年复合增长率32% Z未来增速有望保持。数据中心的建设对光模块的需求巨大，光模 块需求由40G转向IOOG乃至更高速率,2017年北 美的超大型数据中心已经转换为IO

13、OG Z目前400G即 将大规模应用，未来甚至有望向800G升级。对比北美Z 国内云计算产业的加速演进推动数据中心的建设，有望 拉动新一轮需求。 从数通光模块发展阶段来看,400G有望放量増长。IOOG光模块的发货量趋势对400G有一走参照价值。2010年IOOG进入行业标准和专利的规划部署阶段，2015年进入生产 启动期并带来固走设备和资产投入，2016年开始进入发货量蓬勃上升期,2017-2018年出 货量大幅增长。据产业调研结果Z 2019年由于云厂商技 术准备不足,400G全球出货量仅10余万只，约等于 2016年IOOG出货量水平，低于市场预期，预计2020 年出货量将有数倍增长，我

14、们预计全球需求量有望达到 80万只。据IHS估算，2019是400G预计出货量 140万美元,未来五年销售额将以205%速度增长， 2023年占据市场份额的25%o三.电信光模块需求旺盛，5G驱动新一轮量价齐升5G采用更高频段更大带竞、DU/CU分离,带来基站数量.网络架构和网络容量的变化，驱动光模块放 量升级的新一轮需求同时，疫情催化下政策加码5G等 新基建领域也有望拉动光模块的长期需求。目前来看，5G已成为各国抢占科技制高点的必争之地。我国运营商CAPEX 2015-2018年持续下滑Z 2019年随着5G商 用启动Z移动/联通/电信计划5G投入170/60-80/90 亿元，总资本开支有

15、望同比增加6% Z我们预计未来三年 运营商CAPEX将比今年提升10-20% ,未来十年国内 5G CAPEX约1.3万亿元，相比4G增加57%o2019年我国已经建成超过13万个5G基站，2020年为5G基站大规模建设元年，预计5G宏站 500万个，未来三年迎来建站高峰。宏站方面，国内5G 投资周期比4G相对拉长,预计为8-10年（3G/4G大 约5年）Z根据工信部数据，截至2019年6月国内 4G基站445万个;综合5G频谱及相应覆盖增强方 案Z测算未来十年国内5G宏基站约4G的1-1.2倍Z 合计约500-600万。目前，2019年6月底第一期 NSA基站集采招标完成Z招标量满足2019

16、年建成约 15万5G基站的目标。第二轮SA集采逐步落地Z保 守预计总体招标规模至少在55万站，2020年完成建 设。微站方面Z宏站站址建设难度较大且市场较为饱和Z 同时5G频率更高理论上覆盖空洞更多Z因此宏站料无 法完全满足eMBB场景 的需求Z需要大量微站对局部 热点高容量的地区进行补盲，我们预计微站数量达千万级 别。5G光模块市场总体规模过百亿,约占5G总投资比 重约4.6%。按照前述宏站500万站（每站6对）、 微基站IOOo万站（每站1对）测算,前传光模块数量 将达8000万只左右。即使按光模块单价250元/只测 算，预计前传光模块市场规模将在200亿元左右。另 外，根据OVUM预测，

17、随着全球5G网络建设的兴起, 25G光模块将在2019年开始逐步 放量并在2024年 达到高峰期,数量预计达到1260万只，其中70%会应 用在中国市场。整体来看，前传一中传一后传对于光模块需求速率提 升数量减少。由于通信承载网 络由接入层一汇聚层一 核心层不断收束，带宽需求不断提升,导致光模块速率需 求随之提升；网络链路不断汇集，导致光模块数量需求 随之下降。（一）磷化钢材料在光模块组件占据关键地位磷化钢是光模块组件激光器和接收器的关犍半导体 材料。磷化钢（InP ）可以作为半导 体激光器的增益介质， 此型激光器波长L3微米，输出功率可达350kW Z能 量转换功率高，同时兼备重量轻、寿命长

18、、结构简单的 优点。磷化钢（InP ）作为光电接收器的半导体材料，同 样以其突出的电学性质处于重要应用位置。（二）磷化钢衬底蓄势待发预期2024年应用市 场规模达1.7亿美元磷化钢衬底主要需求来自欧美和日本，占总体需求的 80%左右。据中国新材料产业 发展年度报告中公布Z2015年磷化钢衬底需求约为140万片/年，80%来自欧 美和日本 下游客户，中国大陆的客户仅仅有3%o预计 到2021年，全球磷化钢衬底需求约为400万 片/年Z中国大陆的磷化钢代工厂商将逐步开始量产。2021年中 国大陆磷化钢衬底需求占比预计将上升至全球的10% Z 年需求量为40万片左右。际厂商占据磷化钢衬底超过90%市

19、场份额。磷化钢单晶生长设备和技术存在较高壁垒，市场参与者较少Z 主要为日美等国际厂商。其中日本住友电工市场份额最 大，约占总体份额的60%o国内生产传统单晶衬底的厂 家目前也开始积极布局磷化钢产品,主要厂家 有云南错 业、广东先导、鼎泰芯源等，目前仍处于小批量试产状态。磷化钢2英寸衬底需求目前占主导地位，4英寸需求未 来稳步増加。根据中国新材料产业发展年度报告预测， 2021年全球2英寸磷化钢衬底需求达到约400万 片，相比YoIe预测2021年4英寸磷化钢衬底需求约 105万片。其中中国大陆2英寸衬底需求预期2021 年会达到40万片。而未来全球4英寸衬底的需求预期 2024年扩张至约160

20、万片，其中数通领域的应用料将 逐步增加并在未来超过电信领域占主导地位。预计2024年全球磷化锢衬底市场规模为1.7亿 美元,CAGR 为 14%。根据 SemiCOndUCtOr TOday 预 测,全球磷化钢应用市场规模将从2018年的0.77亿 美元，提高到2024的1.7亿美元,CAGR为14%o 其中数通光模块在IDC高速增长下市场规模增量有望 升级，从2018年0.22亿美元、占比29% ,未来预期 增长至2024年0.96亿美元、占比56%o电信光模 块应用在5G驱动下增长稳走Z从2018年0.35亿美 元、占比46% ,未来预期增长至2024年0.53亿美 元、占比31%o!1!

21、（一）云南错业：转型新材料产业，着力磷化钢单晶 国产化公司和国内科研院所合作，重点攻克第二代化合物半 导体单晶材料的研发和生产。公司控股子公司云南鑫耀 和中国科学院半导体所设立了院士专家工作站，致力于攻 克单晶片 生产中的关键技术难题，已经获得一系列关键 工艺技术。目前公司已经具备生产半绝缘型6寸碑化殊 单晶衬底,具备碑化殊单晶产能80万片/年（折合4 寸）。2019年公司碑化稼单晶销量同比增长10.6% , 其中用于射频器件的产品占比增加,毛利率大幅上升至 59.7%o建设磷化钢单晶项目,促进公司向新材料产业转型。 公司2019年底发布公告，拟投 资3.24亿元在云南国家错材料基地建设一条磷

22、化钢（InP）单晶生产线。项目 基于原有5万片/年2英寸磷化钢单晶及晶片产业化建 设项目实施,建成后公司将具备年产15万片4英寸 磷化钢单晶片的能力，预计可实现年营业收入3.2亿元， 贡献年平均利润总额1.2亿元。上游错资源优势明显，公司逐渐向错深加工业努转 型。错资源优势明显,具有先天的资源成本优势。截至 目前Z公司是国内错资源储量最大的企业，旗下拥有自有 错矿和含错 褐煤矿在内的6个错矿山，累计错金属储量 897吨Z占云南省错资源储量的80%、中国28%、全球ll%o公司早期业务主要以生产初级错锭为主，随着 公司逐渐开始向光纤、红夕卜、光伏等高精尖领域投放产 品Z看好公司未来盈利能力持续提

23、升。（二）中际旭创：5G/IDC双驱动高端光模块龙头持续领先 旭创2008年成立Z聚焦高端光模块十余年Z专注后端 封装以销走产。2017年8月通过中际装备并购登陆A 股，合并后技术背景深厚的旭创高管团队仍主管经营并 拥有股权，公司发展战略和技术路线稳走性得到保障。高端光模块龙头聚焦头部客户行业地位稳苏州数通光模块出货量全球领先，5G产品全面布局已有突 破。2018Q4/2019Q1受北美客户数据中心建设放缓影响,业务出现阶段回调，2019Q2以来业绩增速持续改 善。2019年公司营收/归母净利润47.58/5.13亿元, 同比-7.73%-17.59% ; 202OQI营收/归母净利 润 13.26/1.54 亿元 Z 同比 + 51.44%+54.43% Z 疫情影响下略超预期。云厂商CAPEX中长期趋势向上,短期暧拉动公司业绩上行。未来五年IDC高速发展叠加架构升级Z 行业长期增量空间巨大；2019Q2开始海外云厂商CAPEX回暖，主流IoOG需求旺盛z2020年400G有望放量。公司聚焦GOOgle/Amazon等头部客户，核心 供应商地位稳固