化合物半导体专题：电信+数通拉动光模块需求，磷化铟蓄势待发
化合物半导体磷化铟 (InP)，电学性质优越
磷化铟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铟（InP）、砷化镓（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，InP、GaAs 为代表的第二代，GaN、SiC 为代表的第三代。磷化铟（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，禁带宽度为 1.34 eV，常温下迁移率为 3000~4500cm2/(V.S)。InP 晶体具有饱和电子漂移速度高、抗辐射能力强、导热性好、光电转换效率高等诸多优点，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定律。
磷化铟半导体电学性能突出
磷化铟（InP）和砷化镓（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）磷化铟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，对应光通信中传输损耗最小的波段；热导率高于 GaAs，散热性能更好。2）磷化铟在器件制作中比 GaAs 更具优势。InP 器件高电流峰谷比决定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）磷化铟（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，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 40Gb/s 通信系统必不可少的部件。
磷化铟材料光电领域应用占优
磷化铟应用涵盖光纤通信、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。在磷化铟单晶衬底上制备的 InGaAsP/InP，InGaAs/InP 异质结材料所制备的 1.3~1.6μm 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。
磷化铟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 150mm 的磷化铟单晶，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。中国磷化铟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，大尺寸磷化铟晶片生产能力不足。
磷化铟光通信产业链，上游国外垄断有待突破
产业链全球分工明确，国内衬底市场占比不足
磷化铟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%。国内能够生产磷化铟晶圆的企业较少，珠海鼎泰芯源公司掌握 30 项专利，正在申请的专利有 10 项，磷化铟长晶率可达到 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。
上游衬底公司：国外垄断格局显著，国内企业追赶
磷化铟衬底材料处于光通信产业链上游，国外垄断格局明显。目前，由于在磷化铟单晶生长设备和技术方面存在较高壁垒，磷化铟市场参与者较少，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 InPact、英国WaferTech 等，以上 5 家厂商占据了全球近 80%的市场份额。
国内开展磷化铟单晶材料的研究工作已经超过 30 年，但磷化铟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。但传统的砷化镓、锗单晶衬底厂家同样注意到了该市场的机会，包括珠海鼎泰芯源公司、云南锗业、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，磷化铟衬底占全球总市场份额不足 2%。
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
激光器欧美企业起步较早，国内企业规模相对较小。公司规模来看，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）、II-VI（贰陆），德国的 Trumpf（通快，收购英国 SPI 公司），以及丹麦的 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。
IDC/5G 驱动光模块需求迅增，磷化铟材料蓄势待发
电信+数通拉动产业链上下游需求增长
5G 时代光通信行业的发展主要带动光模块需求增长。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激光传向接收端；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，光芯片的技术决定光模块的性能。
全球及中国光模块市场趋势向好
光模块市场前景良好，预期 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，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 CAGR。根据 Yole 发布的报告显示，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，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。
数通光模块增量升级，IDC 高速发展是引擎
云厂商 CAPEX 整体上升趋势，指标排名腾讯居于首位。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，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增量升级。根据工信部，2017 年我国在用 IDC 机架规模 166 万架，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%，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 100G 乃至更高速率，2017 年北美的超大型数据中心已经转换为 100G，目前 400G 即将大规模应用，未来甚至有望向 800G 升级。对比北美，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 有望放量增长。100G 光模块的发货量趋势对 400G有一定参照价值。2010 年 100G 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定设备和资产投入，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，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 100G 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%。
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、更大带宽、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，2019 年随着 5G 商用启动，移动/联通/电信计划 5G 投入 170/60-80/90 亿元，总资本开支有望同比增加 6%，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%。
2019 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），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，测算未来十年国内 5G 宏基站约 4G的 1-1.2 倍，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，招标量满足 2019 年建成约 15 万 5G 基站的目标。第二轮 SA 集采逐步落地，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，宏站站址建设难度较大且市场较为饱和，同时 5G 频率更高理论上覆盖空洞更多，因此宏站料无法完全满足 eMBB 场景的需求，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 1000 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，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—中传—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—汇聚层—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。
磷化铟材料在光模块组件占据关键地位
磷化铟是光模块组件激光器和接收器的关键半导体材料。磷化铟（InP）可以作为半导体激光器的增益介质，此型激光器波长 1.3 微米，输出功率可达 350kW，能量转换功率高，同时兼备重量轻、寿命长、结构简单的优点。磷化铟（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。
磷化铟衬底蓄势待发，预期 2024 年应用市场规模达 1.7 亿美元
磷化铟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，2015 年磷化铟衬底需求约为 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%。预计到 2021 年，全球磷化铟衬底需求约为 400 万片/年，中国大陆的磷化铟代工厂商将逐步开始量产。2021 年中国大陆磷化铟衬底需求占比预计将上升至全球的 10%，年需求量为 40 万片左右。
国际厂商占据磷化铟衬底超过 90%市场份额。磷化铟单晶生长设备和技术存在较高壁垒，市场参与者较少，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%。国内生产传统单晶衬底的厂家目前也开始积极布局磷化铟产品，主要厂家有云南锗业、广东先导、鼎泰芯源等，目前仍处于小批量试产状态。
磷化铟 2 英寸衬底需求目前占主导地位，4 英寸需求未来稳步增加。根据《中国新材料产业发展年度报告》预测，2021 年全球 2 英寸磷化铟衬底需求达到约 400 万片，相比Yole 预测 2021 年 4 英寸磷化铟衬底需求约 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 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 年全球磷化铟衬底市场规模为 1.7 亿美元，CAGR 为 14%。根据Semiconductor Today 预测，全球磷化铟应用市场规模将从 2018 年的 0.77 亿美元，提高到 2024 的 1.7 亿美元，CAGR 为 14%。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%。电信光模块应用在 5G 驱动下增长稳定，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%。
重点公司分析（详见报告原文）
（报告观点属于原作者，仅供参考。报告来源：中信证券）
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