先导科技集团周国芳：化合物半导体是芯片的独门秘籍

|化合物半导体市场增长趋势明显

6月17日-18日，芯谋研究承办以“南沙芯声 聚势未来”为主题的2023中国·南沙国际集成电路产业论坛在广州南沙盛大召开。秉承高端、全产业链、国际化的特色，本次峰会吸引了来自半导体产业的500多位嘉宾齐聚一堂，共襄盛会。

广东省委常委、副省长王曦，广东省政府副秘书长许典辉，广州市委常委、南沙区委书记卢一先，广州市委常委、常务副市长陈勇等政府领导；中国科学院院士许宁生，国家重大专项02专项总师、中国集成电路创新联盟秘书长叶甜春，清华大学教授魏少军，复旦大学微电子学院院长张卫等学术专家；恩智浦半导体大中华区主席李廷伟，高通公司中国区董事长孟樸，华润微电子总裁李虹，博世（中国）投资有限公司执行副总裁徐大全，东电电子中国区总裁陈捷，西门子EDA 全球资深副总裁、亚太区总裁彭启煌，泛林集团副总裁兼中国区总裁汪挺等国际企业代表；中芯国际董事长高永岗，广发证券党委书记葛长伟，华为科学家咨询委员会主任徐文伟，浙江吉利控股集团CEO李东辉，华润微电子总裁李虹，芯原股份创始人、董事长兼总裁戴伟民，国家智能传感器创新中心董事长杨潇，广东省集成电路行业协会会长陈卫等国内企业代表出席了本次活动。

先导科技集团有限公司副总经理周国芳在会上以《化合物半导体技术与应用》为主题发表演讲。 迄今为止，90%以上的芯片都是以硅锗等元素为基础，包括存储、CPU、GPU。虽然硅基芯片就像“天下武功，唯快不破”一样，屹立不倒，但其物理性质限制了它在光电、射频、功率器件上的应用，而这便是化合物半导体擅长的领域。 虽然化合物半导体一年几百亿美元的市场规模远不及一年4560亿美元的硅基芯片，但它更像是武功秘籍中的“独孤九剑”，可以解决硅基芯片解决不了的问题。 化合物半导体中，第二代半导体（砷化镓GaAs、磷化铟InP）主要应用于激光、光电、照明显示和第三代半导体（碳化硅SiC、氮化镓GaN）则主要应用在射频和功率芯片。 以GaAs材料为例，从材料开始分为六个阶段，分别是GaAs衬底、外延、芯片、器件、模组、系统，每一阶段都有相应的玩家，顶尖玩家大多拥有垂直整合能力。 InP亦如此，从材料到衬底再到系统，住友是最具垂直整合能力的企业，是InP领域顶尖的存在，尤其在高速率光通信领域，可以说“卡住了中国人的脖子”。 化合物半导体市场增长趋势明显，现阶段有四个市场值得关注：

一是光通信模块市场。随着生成式AI爆火，产生了海量数据，这不仅需要更高的算力，还需要光通信模块传输数据，而光通信模块中就使用了光芯片，相关公司也因此获利，二级市场多数公司股价水涨船高，资本对其期待也逐渐拉高；

二是LED市场，普遍集中在照明领域，是GaAs的主场。近两年各种经济活动明显复苏，全球LED市场达到了176亿美金，预计2026年全球LED市场规模可达300亿美元，年复合增长率近15%。虽然2023年上半年整体市场表现并不尽人意，但我国下半年有望推出相应经济刺激制度推动市场增长。预估2023年全球LED市场规模继续保持增长，但增速可能不及2022年；

三是射频器件市场。与射频器件相关的芯片多数由镓砷基衬底制造而来，射频芯片是无线通信的核心部件，是天线和基带之间的组件，包括功率、放大器、射频开关、射频滤波器、低噪音放大器等。Yole数据显示，2020年~2026年全球光通讯市场规模将从96亿美元增长至209亿美元，年复合年增长率达14%，主要由大型云服务运营商、电信运营商大量采用100G以上高速光模块所驱动。

四是功率器件市场。近几年最为热门的就是GaN快充头，Yole报告显示，功率器件是实现全球碳达峰和碳中和的重要部分，2020年~2026年，全球功率和半导体器件市场将从175亿美元增长至262亿美元，年复合增长率达6.9%。

VCSEL：从数据中心到千行百业过去，VCSEL（垂直腔面发射激光器）多用于数据中心光模块，而光模块最终用户是百度、阿里、腾讯、快手、字节等互联网公司。近几年，VCSEL芯片先是在2015年被引入苹果手机内，后是逐渐应用到汽车领域，用于监控驾驶员状态、疲劳驾驶等，预计2027年全球市场规模可达40亿美元。 VCSEL可分为镓砷基、铟磷基、锑化镓基等材料，波长在900nm左右的VCSEL技术最为成熟，价格也最低，主要应用于扫地机器人避障功能、车载雷达及监控、手机中的Face ID，650nm及以下，价格相对较高，则主要应用于AR/VR眼镜的Micro-LED显示、汽车尾灯等，长波的VCSEL难度较大，价格会更高。 除了汽车市场，VCSEL的潜力还很大，拥有诸多应用领域：

医疗美容：近几年，激光脱毛增速明显，相比传统光源，VCSEL激光拥有更好的单色性、更高的瞬时脉冲能量密度和更高的安全性；

探测：一是消费品的探测功能，比如，智能手表的血氧饱和度功能，VCSEL的功耗只有传统LED的十分之一，从而可以延长待机时长；二是气体探测，如甲烷、一氧化碳、二氧化碳等气体，均可由特定波长VCSEL芯片实现浓度监控，相比DFB芯片，VCSEL可靠性更高、成本更低并以单模输出；

汽车雷达：目前无人驾驶主流方案是镓砷基和铟磷基的半导体激光器，包括边发射和垂直腔面发射（VCSEL）两种形式，950nm和1550nm两种波长搭配使用，目前国内速腾、禾赛等公司产品以905nm为主，不过因波长较短，最大的探测距离只有50m~200m，所以需要搭配1550nm波长使用，使探测距离达到300m，但1550nm技术难度非常高，目前尚达不到探测需求，主要以边发射路线为主；

光存储：红光半导体激光器广泛用于CD、VCD、DVD读写光头、扫描枪领域；

接近传感：大多消费产品诸如TWS耳机、AR/VR眼镜、无人机、扫地机器人等都会搭载VCSEL芯片进行传感控制；

3D人脸识别：主要有结构光和飞行时间两种方案，结构光利用带有编码信息激光点阵投射在物体上，再通过算法计算返回编码图案的畸变得到物体的位置和深度信息，光飞行时间法利用测量光飞行时间或相位差获取距离信息，940nm的VCSEL广泛应用于消费电子、智能门锁、智能支付、安防等领域，最顶级、最安全、最好用方案均采用VCSEL芯片提供解决方案；

光通信/光互联：VCSEL技术已非常成熟，成为数据中心的主流光子通信技术，耦合效率可达90%，具有易封装、波长漂移系数小、低阈值电流、功耗低、数据速率高等优势，其中1000nm以下850nm是最主流产品，应用覆盖100/200/400/800G光模块，1000nm以上VCSEL包括 1270nm、1310nm和1550nm，目前，56G速率以上VCSEL光芯片基本被索尼、住友等国外公司垄断，国内暂时还是空白。

国内VCSEL玩家基本70%以上都是Fabless（无晶圆厂模式），且均在起步阶段，多数企业基本处于A轮、B轮或天使轮融资，他们的最终用户是华为、小米这样的手机客户。先导科技集团：做化合物半导体界的台积电“我们的目标是做到化合物半导体界的台积电。” 先导科技集团有限公司副总经理周国芳表示，不仅如此，我们还要做到“人无我有、人有我优”。 成立于1995年的先导科技集团是稀散金属全产业链的国家高新技术企业，业务包括稀散金属、高端材料、器件、模组、系统的研发、生产、销售和回收服务。目前先导科技集团拥有5000多名员工，分为化合物半导体事业部、红外与激光事业部、薄膜技术事业部、功能材料四大事业部。 先导科技集团的强项是稀有和分散，包括硒、铋、碲、铟、镓、锗和铼七个金属，波长主要集中在可见光和红外光，其中可见光产品包括镓砷基的VSCEL激光器，红外光产品包括1270nm、1330nm、1550nm的铟磷基激光器和探测器，紫外光产品主要包括8nm~12nm的硫化锌、硒化锌、氧化钒、碲化镉、碲镉汞芯片。 根据先导科技集团有限公司副总经理周国芳介绍，先导科技集团的GaAs材料业务是覆盖材料提炼、衬底、外延、芯片、器件的垂直一体化流程，同时在芯片生产上，也使用了顶级的***、镀膜、氧化、刻蚀、金属化、湿法氧化、研磨、激光切割、测试等设备。目前，先导科技集团拥有6英寸的镓砷基和4英寸的铟磷基芯片制造能力，其中镓砷基材料在全球拥有接近60%市场。 威科赛乐是先导科技集团旗下子公司，目前在重庆占地75亩，员工数超过300名，一期投资达到13亿元人民币，即将启动10亿元人民币的二期投资。威科赛乐主要业务是铟磷基的外延和芯片以及VCSEL、Detector、μLED、探测器、空间太阳能电池等光电芯片。目前威科赛乐具有从衬底到外延再到芯片的垂直一体化能力，能够以IDM形式自我设计，根据客户需求快速迭代研发，从而响应客户需求。