化合物半導體專題-電信+數通拉動光模塊需求磷化銦蓄勢待發化合物半導體磷化銦

(InP)，電學性質優越磷化銦是第二代半導體材料，廣泛應用于光通信、集成電路等領域。5G時代技術革

新帶來以磷化銦（InP）、砷化鎵（GaAs）為代表的第二代半導體材料的蓬勃發展。半導體

材料按照物理性質可以劃分三代，分別是以

Si、Ge為代表的第一代，InP、GaAs為代表

的第二代，GaN、SiC為代表的第三代。磷化銦（InP）是一種

III~V族化合物，閃鋅礦型

晶體結構，晶格常數為

5.87×10-10

m，禁帶寬度為

1.34

eV，常溫下遷移率為

3000~4500

cm2

/(V.S)。InP晶體具有飽和電子漂移速度高、抗輻射能力強、導熱性好、光電轉換效率

高等諸多優點，被廣泛應用于光通信、高頻毫米波器件、光電集成電路和外層空間用太陽

電池等領域。未來組件需求將以高速、高頻與高功率等特性，鏈接

5G通訊、車用電子與

光通訊領域的應用，第二、三代化合物半導體有望突破硅半導體摩爾定律。磷化銦半導體電學性能突出磷化銦（InP）和砷化鎵（GaAs）相比，電學等物理性質優勢突出，在半導體光通信

領域應用占據優勢。1）磷化銦具有高電子峰值漂移速度、高禁帶寬度、高熱導率等優點。

InP的直接躍遷帶隙為

1.35eV，對應光通信中傳輸損耗最小的波段；熱導率高于

GaAs，

散熱性能更好。2）磷化銦在器件制作中比

GaAs更具優勢。InP器件高電流峰谷比決定了

器件的高轉換效率；InP慣性能量時間常數是

GaAs的一半，工作效率極限高出

GaAs器

件一倍；InP器件具有更好的噪聲特性。3）磷化銦（InP）作為襯底材料主要有以下應用

途徑。光電器件，包括光源（LED）和探測器（APD雪崩光電探測器）等，主要用于光纖

通信系統；集成激光器、光探測器和放大器等，是光電集成電路是新一代

40Gb/s通信系

統必不可少的部件。磷化銦材料光電領域應用占優磷化銦應用涵蓋光纖通信、光電器件、醫療及傳感等多種領域。目前主要應用于

1)用

于光纖通信技術。在磷化銦單晶襯底上制備的

InGaAsP/InP，InGaAs/InP異質結材料所制

備的

1.3~1.6μm光源和探測器已廣泛用于光纖通信中；2)

材料在光電器件方面得到廣泛

應用。磷化銦單晶制備技術壁壘高能夠使單晶批量化生長的技術主要有高壓液封直拉法（LEC）、垂直溫度梯度凝固法

（VGF）和垂直布里奇曼法（VB）。美國

AXT公司和日本住友分別使用

VGF和

VB技術

可以生長出直徑

150mm的磷化銦單晶，日本住友使用

VB法制備的直徑

4

英寸摻

Fe半

絕緣單晶襯底可以批量生產。VGF生產技術要求晶體表面翹曲度小于

15

微米，位錯水平

越低越好。中國磷化銦制備技術與國際水平仍有較大差距，國內企業產能規模較小，大尺

寸磷化銦晶片生產能力不足。磷化銦光通信產業鏈，上游國外壟斷有待突破產業鏈全球分工明確，國內襯底市場占比不足磷化銦襯底處于產業鏈上游，80%市場份額被國外廠商壟斷。目前，日本住友是行業

龍頭，占據著全球

60%市場份額，美國通美市占率

15%，英法的公司市占率各

10%和

5%。

目前，國內襯底年用量總計在

3

萬片左右，占全球總市場份額不足

2%。國內能夠生產磷

化銦晶圓的企業較少，珠海鼎泰芯源公司掌握

30

項專利，正在申請的專利有

10

項，磷化

銦長晶率可達到

40%-50%。而公司背后的技術團隊和技術支撐是中科院。目前鼎泰芯源

已經掌握了

2

英寸到

6

英寸晶圓的生產技術。上游襯底公司：國外壟斷格局顯著，國內企業追趕磷化銦襯底材料處于光通信產業鏈上游，國外壟斷格局明顯。目前，由于在磷化銦單

晶生長設備和技術方面存在較高壁壘，磷化銦市場參與者較少，且以少數幾家國外廠商為

主，主要供應商包括日本住友、日本能源、美國

AXT(中國生產)、法國

InPact、英國

WaferTech等，以上

5

家廠商占據了全球近

80%的市場份額。國內開展磷化銦單晶材料的研究工作已經超過

30

年，但磷化銦單晶生長技術的研究

規模、項目支持力度和投入較小，與國際水平還存在較大差距。目前，國內除通美北京工

廠外，尚沒有可批量生產單晶襯底的廠家。但傳統的砷化鎵、鍺單晶襯底廠家同樣注意到

了該市場的機會，包括珠海鼎泰芯源公司、、先導稀材、中科晶電、東一晶體在

內的廠家正在積極布局。目前，由于國內激光器外延廠家尚未實現大規模生產，磷化銦襯

底占全球總市場份額不足

2%。中游器件公司：激光器歐美企業起步較早，光模塊中國市占率高激光器歐美企業起步較早，國內企業規模相對較小。公司規模來看，國外激光器企業

體量較大，國內激光器企業仍有差距。歐洲和美國在激光領域起步較早，技術上具備領先

優勢，時至今日許多知名激光器企業已經發展壯大，如美國的

IPG光電、Coherent（相干，

收購德國羅芬）、nLight（恩耐）、II-VI（貳陸），德國的

Trumpf（通快，收購英國

SPI公

司），以及丹麥的

NKTPhotonics等。國內優秀的激光器企業有、創鑫激光、等，但規模上相對較小。光模塊產業鏈全球分工明確，國內廠商占據較大市場份額。歐美日等發達國家技術起

步較早，在芯片和產品研發方面擁有較大技術優勢。中國在技術方面起步晚，沒有實現技

術獨立的優勢，但是憑借勞動力優勢、市場規模以及電信設備商的扶持，光模塊在產業鏈

中游占據較大市場份額，從

OEM、ODM發展為多個全球市占率領先的光模塊品牌。光迅

科技、、華工正源等企業占據全球

19%光模塊市場份額。產業鏈分工有效利用了

全球優勢生產要素，并避免了重復研發，有利于全球產業鏈高效運轉。下游云廠商：市占率全球首位，追趕從全球云計算市場份額來看，美國廠商占據主導地位，是唯一的行業龍頭，阿

里云躋身第四位。根據

Gartner的統計，2019

年亞馬遜、、谷歌三家美國廠商在

2019

年占

72%的市場份額。亞馬遜以

45%的市場份額位于全球首位，第二、三、四分別是占據

17.9%市場的微軟、占據

9.1%市場的谷歌和占據

5.3%市場的阿里云。IDC/5G驅動光模塊需求迅增，磷化銦材料蓄勢待發電信+數通拉動產業鏈上下游需求增長5G時代光通信行業的發展主要帶動光模塊需求增長。由于現代通信都是由光纖光纜

傳輸，而終端發送和接收都是電信號，所以兩端都需要有光電信號的轉換裝置——光模塊。

光模塊如今大量應用于通信行業和數據中心行。5G使用的網絡架構相比

4G增加了中傳

環節，前傳、中傳、回傳之間均采用光模塊實現互聯。光模塊需求升級帶動激光器產能的擴張。光通信過程中，發射端將電信號轉換成光信

號，經過調制由激光器發射激光傳向接收端；接收端將光信號轉換成電信號，經過解調變

成信息。其中，光電芯片以其光電信號轉換功能占據關鍵地位。一是成本占比高，光芯片

和電芯片分別占光模塊成本

50%、20%，也就是光模塊成本有

7

成是芯片；二是技術壁壘

高，光模塊的核心技術就在于芯片，尤其是光芯片，光芯片的技術決定光模塊的性能。全球及中國光模塊市場趨勢向好光模塊市場前景良好，預期

2025

年全球市場規模可達百億美元。2011-2019

年全球、

中國光模塊市場規模持續增長，從

2011

年的全球、中國光模塊市場規模

30.5

億、9.5

億

美元，到

2019

年的全球、中國光模塊市場規模

59.4

億、24.6

億美元，分別實現了

8.69%、

12.63%的

CAGR。根據

Yole發布的報告顯示，預計

2019-2025

年的復合增長率為

15%，

2025

年光模塊市場將增長至

177

億美元。在中國國內新基建帶動

5G和數據中心的建設，

和疫情影響全球光模塊銷量的兩個因素作用下，預計近

1

年內光模塊市場將保持溫和增長。數通光模塊增量升級，IDC高速發展是引擎云廠商

CAPEX整體上升趨勢，指標排名騰訊居于首位。云廠商

CAPEX是判斷光模

塊通信行業景氣度的重要指標。2017

至

2019

年云廠商

CAPEX增速加大，光模塊通信行

業發展景氣，國內企業騰訊和在全球指標排名位于前三。IDC高速發展：流量爆發帶動全球

IDC高速發展，直接拉動數通光模塊增量升級。根

據工信部，2017

年我國在用

IDC機架規模

166

萬架，數量

1844

個；規劃在建數據中心

規模

107

萬架，數量

463

個；IDC市場規模

650.4

億元，近五年復合增長率

32%，未來

增速有望保持。數據中心的建設對光模塊的需求巨大，光模塊需求由

40G轉向

100G乃至

更高速率，2017

年北美的超大型數據中心已經轉換為

100G，目前

400G即將大規模應用，

未來甚至有望向

800G升級。對比北美，國內云計算產業的加速演進推動數據中心的建設，

有望拉動新一輪需求。從數通光模塊發展階段來看，400G有望放量增長。100G光模塊的發貨量趨勢對

400G有一定參照價值。2010

年

100G進入行業標準和專利的規劃部署階段，2015

年進入生產

啟動期并帶來固定設備和資產投入，2016

年開始進入發貨量蓬勃上升期，2017-2018

年出

貨量大幅增長。據產業調研結果，2019

年由于云廠商技術準備不足，400G全球出貨量僅

10

余萬只，約等于

2016

年

100G出貨量水平，低于市場預期，預計

2020

年出貨量將有

數倍增長，我們預計全球需求量有望達到

80

萬只。據

IHS估算，2019

是

400G預計出貨

量

140

萬美元，未來五年銷售額將以

205%速度增長，2023

年占據市場份額的

25%。電信光模塊需求旺盛，5G驅動新一輪量價齊升5G采用更高頻段、更大帶寬、DU/CU分離，帶來基站數量、網絡架構和網絡容量的

變化，驅動光模塊放量升級的新一輪需求，同時，疫情催化下政策加碼

5G等新基建領域

也有望拉動光模塊的長期需求。目前來看，5G已成為各國搶占科技制高點的必爭之地。

我國運營商

CAPEX2015-2018

年持續下滑，2019

年隨著

5G商用啟動，移動/聯通/電信

計劃

5G投入

170/60-80/90

億元，總資本開支有望同比增加

6%，我們預計未來三年運營

商

CAPEX將比今年提升

10-20%，未來十年國內

5GCAPEX約

1.3

萬億元，相比

4G增

加

57%。2019

年我國已經建成超過

13

萬個

5G基站，2020

年為

5G基站大規模建設元年，預

計

5G宏站

500

萬個，未來三年迎來建站高峰。宏站方面，國內

5G投資周期比

4G相對

拉長，預計為

8-10

年（3G/4G大約

5

年），根據工信部數據，截至

2019

年

6

月國內

4G基站

445

萬個；綜合

5G頻譜及相應覆蓋增強方案，測算未來十年國內

5G宏基站約

4G的

1-1.2

倍，合計約

500-600

萬。目前，2019

年

6

月底第一期

NSA基站集采招標完成，

招標量滿足

2019

年建成約

15

萬

5G基站的目標。第二輪

SA集采逐步落地，保守預計總體招標規模至少在

55

萬站，2020

年完成建設。微站方面，宏站站址建設難度較大且市場

較為飽和，同時

5G頻率更高理論上覆蓋空洞更多，因此宏站料無法完全滿足

eMBB場景

的需求，需要大量微站對局部熱點高容量的地區進行補盲，我們預計微站數量達千萬級別。5G光模塊市場總體規模過百億，約占

5G總投資比重約

4.6%。按照前述宏站

500

萬

站（每站

6

對）、微基站

1000

萬站（每站

1

對）測算，前傳光模塊數量將達

8000

萬只左

右。即使按光模塊單價

250

元/只測算，預計前傳光模塊市場規模將在

200

億元左右。另

外，根據

OVUM預測，隨著全球

5G網絡建設的興起，25G光模塊將在

2019

年開始逐步

放量并在

2024

年達到高峰期，數量預計達到

1260

萬只，其中

70%會應用在中國市場。整體來看，前傳—中傳—后傳對于光模塊需求速率提升、數量減少。由于通信承載網

絡由接入層—匯聚層—核心層不斷收束，帶寬需求不斷提升，導致光模塊速率需求隨之提

升；網絡鏈路不斷匯集，導致光模塊數量需求隨之下降。磷化銦材料在光模塊組件占據關鍵地位磷化銦是光模塊組件激光器和接收器的關鍵半導體材料。磷化銦（InP）可以作為半導

體激光器的增益介質，此型激光器波長

1.3

微米，輸出功率可達

350kW，能量轉換功率高，

同時兼備重量輕、壽命長、結構簡單的優點。磷化銦（InP）作為光電接收器的半導體材料，

同樣以其突出的電學性質處于重要應用位置。磷化銦襯底蓄勢待發，預期

2024

年應用市場規模達

1.7

億美元磷化銦襯底主要需求來自歐美和日本，占總體需求的

80%左右。據《中國新材料產業

發展年度報告》中公布，2015

年磷化銦襯底需求約為

140

萬片/年，80%來自歐美和日本

下游客戶，中國大陸的客戶僅僅有

3%。預計到

2021

年，全球磷化銦襯底需求約為

400

萬

片/年，中國大陸的磷化銦代工廠商將逐步開始量產。2021

年中國大陸磷化銦襯底需求占

比預計將上升至全球的

10%，年需求量為

40

萬片左右。國際廠商占據磷化銦襯底超過

90%市場份額。磷化銦單晶生長設備和技術存在較高壁

壘，市場參與者