报告发布方：中金企信国际咨询《2024-2030年砷化镓衬底行业市场分析及投资可行性研究报告》
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砷化镓是砷与镓的化合物，砷化镓作为半导体材料具有优良的特性。使用砷化镓衬底制造的半导体器件，具备高功率密度、低能耗、抗高温、高发光效率、抗辐射、高击穿电压等特性，因此砷化镓衬底被广泛用于生产LED、射频器件、激光器等器件产品。20世纪90年代以来，砷化镓技术得以迅速发展，并逐渐成为最成熟的半导体材料之一。但长期以来，由于下游应用领域的发展滞后，市场需求有限，砷化镓衬底市场规模相对较小。2019年后，在5G通信、新一代显示（MiniLED、MicroLED）、无人驾驶、人工智能、可穿戴设备等新兴市场需求的带动下，未来砷化镓衬底市场规模将逐步扩大。
（1）砷化镓衬底行业发展情况
砷化镓产业链上游为砷化镓晶体生长、衬底和外延片生产加工环节。衬底是外延层半导体材料生长的基础，在芯片中起到承载和固定的关键作用。生产砷化镓衬底的原材料包括金属镓、砷等，由于自然界不存在天然的砷化镓单晶，需要通过人工合成制备；砷化镓衬底生产设备主要涉及晶体生长炉、研磨机、抛光机、切割机、检测与测试设备等。
砷化镓产业链下游应用主要涉及5G通信、新一代显示（MiniLED、MicroLED）、无人驾驶、人工智能、可穿戴设备等多个领域。
全球砷化镓衬底市场集中度较高，根据中金企信统计数据，2019年全球砷化镓衬底市场主要生产商包括Freiberger、Sumitomo和北京通美，其中Freiberger占比28%、Sumitomo占比21%、北京通美占比13%。
数据整理：中金企信国际咨询
目前砷化镓晶体主流生长工艺包括LEC法、HB法、VB法以及VGF法等，其中Sumitomo砷化镓单晶生产以VB法为主，Freiberger以VGF和LEC法为主，而北京通美则以VGF法为主。
得益于下游应用市场需求持续旺盛，砷化镓衬底市场规模将持续扩大。根据中金企信测算，2019年全球折合二英寸砷化镓衬底市场销量约为2,000万片，预计到2025年全球折合二英寸砷化镓衬底市场销量将超过3,500万片；2019年全球砷化镓衬底市场规模约为2亿美元，预计到2025年全球砷化镓衬底市场规模将达到3.48亿美元，2019-2025年复合增长率9.67%。
数据整理：中金企信国际咨询
（2）砷化镓衬底下游应用情况
砷化镓是当前主流的化合物半导体材料之一，其应用可以分为三个阶段。第一阶段自20世纪60年代起，砷化镓衬底开始应用于LED及太阳能电池，并在随后30年里主要应用于航天领域。第二阶段自20世纪90年代起，随着移动设备的普及，砷化镓衬底开始用于生产移动设备的射频器件中。第三阶段自2010年起，随着LED以及智能手机的普及，砷化镓衬底进入了规模化应用阶段，例如2017年，iPhoneX首次引入了VCSEL用于面容识别，生产VCSEL需要使用砷化镓衬底，砷化镓衬底应用场景再次拓宽。2021年，随着Apple、Samsung、LG、TCL等厂商加入MiniLED市场，砷化镓衬底的市场需求将迎来爆发性增长。
目前，砷化镓衬底主要应用下游器件包括射频器件、激光器、LED，各器件需求情况分别如下：
1）射频器件
射频器件是实现信号发送和接收的关键器件，射频器件主要包括功率放大器、射频开关、滤波器、数模/模数转换器等器件，其中，功率放大器是放大射频信号的器件，其直接决定移动终端和基站的无线通信距离和信号质量。由于砷化镓具有高电子迁移率和高饱和电子速率的显著优势，因此砷化镓一直是制造射频功率放大器的主流衬底材料之一。4G时代起，4G基站建设及智能手机持续普及，用于制造智能手机射频器件的砷化镓衬底需求量开始上升。进入5G时代之后，5G通信对功率、频率、传输速度提出了更高的要求，使用砷化镓衬底制造的射频器件非常适合应用于长距离、长通信时间的高频电路中，因此，在5G时代的射频器件中，砷化镓的材料优势更加显著。随着5G基站建设的大量铺开，将对砷化镓衬底的需求带来新的增长动力；与此同时，单部5G手机所使用的射频器件数量将较4G手机大幅增加，也将带来对砷化镓衬底需求的增长。
伴随5G通信技术的快速发展与不断推广，5G基站建设以及5G手机的推广将使砷化镓基射频器件稳步增长。根据中金企信预测，2025年全球射频器件砷化镓衬底（折合二英寸）市场销量将超过965.70万片，2019-2025年年均复合增长率为6.32%。2025年全球射频器件砷化镓衬底市场规模将超过9,800万美元，2019-2025年年均复合增长率为5.03%。
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2）LED
LED是由化合物半导体（砷化镓、氮化镓等）组成的固体发光器件，可将电能转化为光能。不同材料制成的LED会发出不同波长、不同颜色的光，LED按照发光颜色可分为单色LED、全彩LED和白光LED等类型。LED根据芯片尺寸可以区分为常规LED、MiniLED、MicroLED等类型，其中常规LED主要应用于通用照明、户外大显示屏等，MiniLED、MicroLED应用于新一代显示。
随着LED照明普及率的不断提高，常规LED芯片及器件的价格不断走低。常规LED芯片尺寸为毫米级别，对砷化镓衬底的技术要求相对较低，属于砷化镓衬底的低端需求市场，产品附加值较低，该等市场主要被境内砷化镓衬底企业占据，市场竞争激烈；而新一代显示所使用的MiniLED和MicroLED芯片尺寸为亚毫米和微米级别，对砷化镓衬底的技术要求很高，市场主要被全球第一梯队厂商所占据。
根据中金企信预测，2019年全球LED器件砷化镓衬底市场（折合二英寸）销量约为846.9万片，预计到2025年全球LED器件砷化镓衬底（折合二英寸）市场销量将超过1,300万片，年复合增长率为7.86%，增长较为平稳；2019年全球LED器件砷化镓衬底市场规模约为6,800万美元，预计到2025年全球LED器件砷化镓衬底市场规模将超过9,600万美元，相较2019年将增加接近3,000万美元的市场规模。
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目前基于LED的新一代显示包括MiniLED和MicroLED两种类型。MiniLED指使用次毫米发光二极管，即芯片尺寸介于50-200μm之间的LED器件作为背光源或者像素发光源的显示技术，作为液晶显示面板（LCD）背光源的MiniLED技术目前已逐步应用于高清电视、笔记本电脑、平板等电子产品领域，可大幅提升液晶显示面板的显示效果，当前MiniLED背光显示技术的规模化商业应用已具备产业条件；使用MiniLED作为像素发光源的显示技术，其在显示亮度、色域、对比度、响应速度等方面更加出色，但由于其使用的灯珠数量远大于背光场景，因此其芯片用量远高于背光技术，当前成本较高，目前用于户外显示、4K/8K大尺寸高清电视及显示屏。2021年为MiniLED大规模产业化元年，使用砷化镓衬底材料的MiniLED显示屏已正式应用于2021年版iPadPro平板中。MiniLED显示技术大幅拓宽了LED显示技术的应用场景，为砷化镓衬底带来了很大的需求增长空间。
MicroLED指使用微米发光二极管，即芯片尺寸小于50μm的LED器件作为像素发光源的高密度LED阵列显示技术。除显示效果的进一步提升外，MicroLED技术可解决MiniLED技术无法适用于小尺寸屏的局限性，未来可广泛应用于手机、平板、手表、AR/VR设备、笔记本电脑、各尺寸高清电视等应用场景。目前，由于MicroLED芯片尺寸较小，制造及封测技术难度较高，其规模商业化需要产业链整体配套水平的提高，尚需一定时间。MicroLED显示技术一旦实现产业化，其对砷化镓衬底的需求将有望呈几何级数增长。
根据中金企信预测，MiniLED及MicroLED器件砷化镓衬底的需求增长迅速，2025年全球MiniLED及MicroLED器件砷化镓衬底（折合二英寸）市场销量将从2019年的207.90万片增长至613.80万片，年复合增长率为19.77%；2019年全球MiniLED及MicroLED器件砷化镓衬底市场规模约为1,700万美元，预计到2025年全球砷化镓衬底市场规模将达到7,000万美元，年复合增长率为26.60%。
2019-2025年全球MiniLED及MicroLED器件砷化镓衬底预计销量和市场规模
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3）激光器
激光器是使用受激辐射方式产生可见光或不可见光的一种器件，构造复杂，技术壁垒较高，是由大量光学材料和元器件组成的综合系统。利用砷化镓电子迁移率高、光电性能好的特点，使用砷化镓衬底制造的红外激光器、传感器具备高功率密度、低能耗、抗高温、高发光效率、高击穿电压等特点，可用于人工智能、无人驾驶等应用领域。
根据中金企信预测，激光器是砷化镓衬底未来五年最大的应用增长点之一。预计到2025年，全球激光器砷化镓衬底（折合二英寸）的市场销量将从2019年的106.2万片增长至330.3万片，年复合增长率为20.82%；预计到2025年，全球激光器砷化镓衬底市场容量将达到6,100万美元，年复合增长率为16.82%。
2019-2025年全球激光器器件砷化镓衬底预计销量和市场规模
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在具体应用方面，未来五年激光器砷化镓衬底的需求增长主要由VCSEL的需求拉动。VCSEL是一种垂直于衬底面射出激光的半导体激光器，在应用场景中，常常在衬底多方向同时排列多个激光器，从而形成并行光源，用于面容识别和全身识别，目前已在智能手机中得到了广泛应用。
VCSEL作为3D传感技术的基础传感器，随着5G通信技术和人工智能技术的发展，同时受益于物联网传感技术的广泛应用，VCSEL的市场规模不断增长，特别是以VCSEL为发射源的3D立体照相机将会迎来高速发展期，3D相机是一种能够记录立体信息并在图像中显示的照相机，可以记录物体纵向尺寸、纵向位置以及纵向移动轨迹等。此外，VCSEL作为3D传感器，在生物识别、智慧驾驶、机器人、智能家居、智慧电视、智能安防、3D建模、人脸识别和VR/AR等新兴领域拥有广泛的应用前景。
根据中金企信预测，随着3D传感技术在各领域的深度应用，VCSEL市场将持续快速发展，继而加大砷化镓衬底的需求。2019年，全球VCSEL器件砷化镓衬底（折合二英寸）销量约为93.89万片，预计到2025年将增长至299.32万片，年复合增长率达到21.32%；2019年全球VCSEL器件砷化镓衬底市场规模约为2,100万美元，预计到2025年全球砷化镓衬底市场规模将超过5,600万美元，年复合增长率为17.76%。
2019-2025年全球VCSEL器件砷化镓衬底预计销量和市场规模
数据整理：中金企信国际咨询
（4）砷化镓衬底的未来发展趋势
受益于LED、移动通讯射频领域对射频器件和光电器件的旺盛需求，砷化镓衬底的销量在近期有望保持持续高增长态势。目前砷化镓衬底下游应用市场主要包括射频领域及LED领域，根据中金企信预计，砷化镓衬底下游主要射频器件全球市场规模2025年将达到250亿美元，根据中金企信数据预计，下游LED器件全球市场规模将超过1,800亿美元，砷化镓衬底的下游的市场空间十分广阔。具体应用上，MiniLED、MicroLED以及5G手机、VCSEL视觉识别的快速渗透，会对砷化镓衬底市场带来显著的拉动作用。
在LED显示领域，新一代显示所使用的MiniLED和MicroLED芯片尺寸为亚毫米和微米级别，对砷化镓衬底的技术要求很高，因此MiniLED和MicroLED的普及将给砷化镓应用带来新的机会。根据中金企信预测，MiniLED及MicroLED器件砷化镓衬底的需求增长迅速，2025年全球MiniLED及MicroLED器件砷化镓衬底（折合二英寸）市场销量将从2019年的207.90万片增长至613.80万片，年复合增长率为19.77%；2019年全球MiniLED及MicroLED器件砷化镓衬底市场规模约为1,700万美元，预计到2025年全球砷化镓衬底市场规模将达到7,000万美元，年复合增长率为26.60%。目前，MiniLED芯片头部企业均已经基本完成MiniLED领域投资布局。
在5G射频领域，砷化镓衬底仍将主导5G智能手机PA（射频功率放大器）市场。根据中金企信统计预测，2021年射频器件市场占据了整体砷化镓半导体市场总量的30.15%，并贡献了32.50%的产值。根据数据统计，4G时代，每个手机平均需要使用7颗PA。由于5G新增了频段，未来还需要新增高频段，同时需要继续兼容4G、3G、2G标准，因此5G手机需要更多的PA，最多可达16颗，平均也有望超过10颗，以砷化镓衬底为基础制造的射频器件在5G时代移动终端渗透率有望进一步提升。
在3D传感器领域，随着苹果公司2017年率先推出集成人脸识别结构光前置摄像头的iPhoneX，开启了3D传感器（垂直腔面激光器，VCSEL）在手机端的商用，后续华为、OPPO、ViVO、小米、三星等手机厂商也都有望在手机上逐步配置3D传感器（垂直腔面激光器，VCSEL）。手机仅仅只是VCSEL的其中一个应用场景，随着智能驾驶的发展，汽车激光雷达有望为砷化镓衬底贡献新的增长空间。根据预测，到2030年汽车年生产量将达到1.15亿台，其中将有15%的汽车实现高级自动驾驶，并有45%实现低级自动驾驶。2019年，全球VCSEL器件砷化镓衬底（折合二英寸）销量约为93.89万片，预计到2025年将增长至299.32万片，年复合增长率达到21.32%；2019年全球VCSEL器件砷化镓衬底市场规模约为2,100万美元，预计到2025年全球砷化镓衬底市场规模将超过5,600万美元，年复合增长率为17.76%。