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GaN 放大器產業(yè)鏈

GaN-on-SiC 射頻器件的供應商主要為 IDM 企業(yè)，核心產業(yè)鏈環(huán)節(jié)包括 SiC 襯底材料制作、GaN 材料外延生長、器件設計和制造、封裝測試。本文將從 SiC 襯底、GaN 材料外延、器件設計和制造三個環(huán)節(jié)來闡述。

SiC 襯底

行業(yè)觀察

SiC 襯底產品按照晶體結構主要分 4H-SiC 和 6H-SiC，4H-SiC 為主流產品，按照性能主要分為半導電型和半絕緣型。硅片拉晶時和單晶種子大小無關，但是 SiC 的單晶種子的尺寸卻直接決定了 SiC 的尺寸，目前主流尺寸是 4-6 英寸，8 英寸襯底已由 II-VI 公司和 Cree 公司研制成功。半導電型 SiC 襯底以 n 型襯底為主，主要用于外延 GaN 基 LED 等光電子器件、SiC 基電力電子器件等。半絕緣型 SiC 襯底主要用于外延制造 GaN 高功率射頻器件。

SiC 襯底市場的主要供應商有美國 Cree（Wolfspeed）、 DowCorning、日本羅姆、美國 II-VI、日本新日鐵住金、瑞典 Norstel（中國資本收購）等。Cree 公司的 SiC 襯底占據整個市場 40%左右的份額，其次為Ⅱ-Ⅵ公司、日本 ROHM，三者合計占據 75%左右的市場份額。6”半導電型襯底均價約為 1200 美元，6”襯底價格在 4”襯底價格 2 倍以上。

Cree 目前的 4”產品沒有價格優(yōu)勢，現(xiàn)階段主要生產 6” SiC 產品，占比 95%以上。據拓璞了解，其半導電型 SiC 襯底和外延產品在中國由住友商事代理，半絕緣型 SiC 襯底目前產線緊張，未能賣往中國市場。

SiC 襯底國內供應商主要有山東天岳、天科合達、同光晶體、中科節(jié)能、中電科 46 所和北電新材料。目前主要量產的產品為 3 英寸和 4 英寸，山東天岳、天科合達、同光晶體和中科節(jié)能均已完成 6 英寸襯底的研發(fā)，天科合達可批量提供 6 寸半導電性 SiC 襯底。

中國 SiC 襯底發(fā)展很快，但是仍顯不足，目前 70%-80%仍以 Cree 等公司的進口產品為主，國內廠商的產品約占 10%-20%，主要用于研發(fā)和試樣，主要原因是供貨能力、質量及可靠性方面稍顯不足。下游需求主要是中國中車、中電科 55 所和國家電網等企業(yè)。但是中國 SiC 襯底發(fā)展很快，目前可以實現(xiàn) 4”襯底的量產，價格相比 Cree 有較大優(yōu)勢，2017 年底 4”襯底產能可達 15 萬片 / 年。

重點企業(yè)介紹

（1）山東天岳

2018 年 11 月，山東天岳在湖南瀏陽啟動中國最大的 SiC 襯底項目 - 湖南天玥科技有限公司。項目資料顯示，該項目總投資 30 億元，項目分兩期建設，一期占地 156 畝，主要生產碳化硅導電襯底，預估年產值 13 億元；二期主要生產功能器件，包括電力器件封裝、模塊及裝置、新能源汽車及充電站裝置、軌道交通牽引變流器、太陽光伏逆變器等，預估年產值 50-60 億元。

（2）天科合達

天科合達主要產品包括 4” SiC 晶片生產(6 英寸未量產)和 SiC 單晶生長設備。根據從天科合達總經理楊健處所獲得的信息，天科合達約有 100 多臺長晶爐，4”半導電型 SiC 晶片產能約為 2 萬片 / 年。天科合達的前 4 客戶需求為 20 萬片 / 年。天科合達正在繼續(xù)擴充產能,計劃擴充 3 倍。2018 年 10 月，天科合達在徐州經開區(qū)投資的碳化硅晶片項目正式簽約。

（3）河北同光

河北同光主要產品包括 4”和 6”導電型、半絕緣碳化硅襯底，其中 4 英寸襯底已達到世界先進水平。2017 年 10 月，同光聯(lián)合清華大學、北京大學寬禁帶半導體研究中心、中國科學院半導體研究所、河北大學共同搭建了“第三代半導體材料檢測平臺”，推動了國內第三代半導體產業(yè)的發(fā)展。

（4）中科節(jié)能

2017 年 7 月，中科節(jié)能與青島萊西市、國宏中晶簽訂合作協(xié)議，投資建設 SiC 長晶生產線項目。該項目總投資 10 億元，項目分兩期建設，一期投資約 5 億元，預計 2019 年 6 月建成投產，建成后可年產 5 萬片 4” N 型 SiC 晶體襯底片和 5 千片 4” 高純度半絕緣型 SiC 晶體襯底片；二期投資約 5 億元，建成后可年產 5 萬片 6” N 型 SiC 晶體襯底片和 5 千片 4”高純度半絕緣型 SiC 晶體襯底片。

（5）北電新材料

Norstel 成立于 2005 年，是從硅晶圓片制造商 Okmetic Oyj 分離出來的企業(yè)，位于瑞典 Norrköping 的工廠建成于 2006 年。Norstel 采用用高溫化學氣相沉積(HTCVD)專利技術，生產高質量大尺寸的 SiC 襯底和外延片。2017 年三安光電參與管理的基金收購 Norstel，其后成立福建北電新材料，2019 年三安選擇將 Norstel55%股權出售給意法半導體，拓璞推測原因為三安已 Norstel 的技術吸收完畢。

GaN 材料外延

射頻器件主要以 GaN-on-SiC 為主要技術路線，主流尺寸是 4 英寸和 6 英寸，預計到 2020 年，隨著 6 英寸 SiC 襯底價格不斷下降，6 英寸外延將成為重點。此外，基于高阻硅的 GaN-on-Si 未來有望在高頻 - 低功率市場打破 GaN-on-SiC 在射頻器件的壟斷局面，例如未來 5G 將大規(guī)模應用的小基站市場，美國 MACOM 公司主要采用 GaNon-Si 技術制造射頻器件。

GaN 射頻外延企業(yè)主要有比利時的 EpiGaN、英國的 IQE、日本的 NTT-AT。中國廠商有蘇州晶湛、蘇州能華和世紀金光，蘇州晶湛 2014 年就已研發(fā)出 8”硅基外延片，現(xiàn)階段已能批量生產。蘇州能華主要面向太陽能發(fā)電、電力傳輸等電力領域。世紀金光在 SiC、GaN 領域的粉料、單晶、外延、器件和模塊都有涉及。

GaN 器件設計與制造

GaN 射頻器件主要有 HEMT 和 HBT 兩大工藝。射頻工藝主要跟柵長及偏置電壓（Bias）有關，工藝制程越低，器件頻率越高。0.5μm 柵長和高偏置(40 到 50V)，主要瞄準高功率、頻率 Sub-8GHz 器件；0.25μm 柵長和中偏置(28 到 30V)，主要瞄準更高頻率(約 18GHz)的器件； 0.15μm-0.1μm 柵長，主要瞄準毫米波器件(30GHz 以上)。現(xiàn)階段 GaN 射頻器件主流工藝制程正從 0.25μm-0.5μm 向 0.15μm-0.1μm 過渡。Qorvo 正在進行 90nm 工藝的研發(fā)，Cree 及穩(wěn)懋主要制程工藝在 0.25-0.5μm 之間。粉料、單晶、外延、器件和模塊都有涉及。

IDM 企業(yè)

全球基站端射頻器件的供應商以 IDM 企業(yè)為主，主要有日本住友電工旗下的 SEDI 公司（Sumitomo Electric Device Innovations）、Infineon（RF 部門已出售給 Cree）、美國 Cree 旗下 Wolfspeed 公司、Qorvo 公司、MACOM 公司、Ampleon、韓國 RFHIC 等。

全球 GaN 射頻器件供應商中，住友電工和 Cree 是行業(yè)的龍頭企業(yè)，市場占有率均超過 30%，其次為 Qorvo 和 MACOM。住友電工在無線通信領域市場份額較大，其已成為華為核心供應商，為華為 GaN 射頻器件最大供應商。Cree 收購英飛凌 RF 部門后實力大增，LDMOS 產品和 GaN 產品在全球都比較有競爭力。Qorvo 在國防和航天領域市場份額排名第一。

中國 GaN 器件 IDM 企業(yè)有蘇州能訊、英諾賽科，大連芯冠科技正在布局，海威華芯和三安集成可提供 GaN 器件代工服務，其中海威華芯主要為軍工服務。中電科 13 所、55 所同樣擁有 GaN 器件制造能力。

代工企業(yè)

代工廠商主要有環(huán)宇通訊半導體（GCS）、穩(wěn)懋半導體、日本富士通、Cree、中國臺灣嘉晶電子、臺積電、歐洲聯(lián)合微波半導體公司（UMS），以及中國的三安集成和海威華芯。此前恩智浦 RF 部門（安譜隆前身）、英飛凌 RF 部門（已出售給 Cree）、韓國 RFHIC 將 GaN 射頻器件委托 Cree 公司代工。MACOM 收購 Nitronex 在 2011 年就與環(huán)宇通訊半導體（GCS）公司合作生產 Si 基 GaN 器件，一直合作至今。2016 年三安光電收購 GCS 被美國否決，其后三安光電與 GCS 合資設立廈門三安環(huán)宇集成電路公司，前期主要生產 6 英寸 GaAs 晶圓。

重點企業(yè)介紹

（1）住友電工

日本住友電工旗下的 SEDI 公司（Sumitomo Electric DeviceInnovations）主要生產 GaAs 低噪聲放大器（LNA）、 GaN 放大器、光收發(fā)器及模塊，其中 GaN 放大器可應用于衛(wèi)星通信、無線基站、雷達站等領域，基站端 GaN 放大器包括驅動級 PA 和末級 PA，主要產品為 40W 以下產品，頻率在 DC~3.7GHZ，主工作頻率為 2.65GHZ。住友電工為全球 GaN 射頻器件第一大供應商，同時也是華為 GaN 射頻器件第一大供應商，住友電工還向華為供應大量的光收發(fā)器及模塊，位列華為 50 大核心供應商之列。除此之外，住友電工壟斷全球 GaN 襯底市場，其技術在業(yè)內處于領先地位。

（2）Cree

Cree 公司是全球最大的 SiC 和 GaN 器件制造商，主要由其子公司 Wolfspeed 經營 RF 業(yè)務。2018 年，Cree 以 3.45 億歐元收購英飛凌 RF 部門，英飛凌為 LDMOS 放大器主要供應商，同時擁有 GaNon-SiC/Si 器件生產能力。收購完成后，Cree 將成為全球最大的 GaN 射頻器件供應商。Cree 除自身生產 GaN 射頻器件外，還擁有 GaN 代工生產能力。Wolfspeed 現(xiàn)主要有電力器件、RF 器件及材料三大業(yè)務，2018 財年營收為 3.29 億美元，占 Cree 總營收的比例為 22%，相比于 2017 年 2.2 億美元同比增長 49%。增長的主要原因是器件銷售同比增長 30%，器件的平均售價（ASP）同比增長 21%。

Cree 公司射頻放大器產品種類合計 81 個，頻率涵蓋范圍從 0.47GHz 到 6.0GHz，其中 3.0GHz 以下采用 LDMOS 技術，3.0GHz 采用 GaN HEMT 技術。GTRA364002FC 、 GTRA362802FC 和 GTRA362002FC 為 GaN 放大器高功率產品，最高峰值功率達 400W，主要應用于 5G 基站。此外，Cree 擁有眾多低功率 GaN 射頻產品，平均功率為 10W 以下，主要應用于 WiMax 和 BWA，未來有望于在小基站領域應用。

（3）QorvoQorvo

QorvoQorvo 從 1999 年起推動 GaN 研究，Qorvo 能提供 Sub-6GHz、厘米波 / 毫米波無線射頻產品。Qorvo 在國防和有線行業(yè)的 GaN-onSiC 解決方案供應量全球第一。Qorvo 的所有 GaN 產品在 200℃條件下的平均無故障時間（MTTF）均超過 107 小時，還是能承受高加速應力測試（HAST）的器件。此項測試在 105℃、85%相對濕度且大氣壓不超過 4atm 的條件下對器件性能進行 96 小時的測量。

Qorvo 營收主要由兩大部門構成，即移動器件部門（MP）和基礎設施及國防器件部門（IDP）。 IDP 器件部門提供 GaAs 和 GaN 放大器、LNA、射頻開關等。IDP 部門 2018 財年營收為 7.9 億美元，同比增長 29.9%，主要原因是國防及航空領域的旺盛需求，以及 WIFI 模塊的銷售高速增長。

Qorvo 在 2018 年 3 月推出了全球功率最高的碳化硅基氮化鎵(GaN-on-SiC) RF 晶體管 -QPD1025，QPD1025 在 65V 下運行 1.8KW，與 LDMOS 相比，QPD1025 的漏極效率有了顯著提升，效率高出近 15 個百分點， QPD1025 主要應用在航空及國防領域。Qorvo 在 5G 基礎設施領域的產品眾多，包括放大器、低噪聲放大器（LNA）、數字步進衰減器、射頻開關等。18GHz 以上的 PA 合計達 13 款，最高頻率可達 47GHz?；径说闹饕a品是 QPA 系列和 QPD 系列，QPD0020 的漏極效率達到了 77.8%，行業(yè)內處于領先地位。

（4）MACOM

MACOM 收購 Nitronex，獲得了 GaN-ON-Si 技術，成本比 GaNON-Si 低許多。Nitronex 在 2011 年就與環(huán)宇通訊半導體（GCS）公司合作生產 Si 基 GaN 器件，一直合作至今。

MACOM 和意法半導體（ST）展開合作，將在意大利 Catania 和新加坡分別建設射頻放大器晶圓廠，主要是 6”/8”的 GaN-ON-Si 產品，兩個基地在 2022 年產值預計達 30 億美元，制程工藝由 0.5μm 向 0.25μm 和 0.15μm 演進。

2019MWC 會議上，MACOM 發(fā)布了 MAGX-102731-180 PA 產品，頻率范圍為 2.7-3.1GHz，峰值輸出功率達 180W，漏極效率大于 50%。從圖 7 上看，50V/100mA 情形下，GaN-on-SiC 產品和 MACOMGaN-on-Si 產品 Pout 值高于 LDMOS 產品，MACOM GaN-on-Si 產品甚至優(yōu)于 GaN-on-SiC 產品。

MACOM 公司的 GaN-on-Si 放大器產品如表 10 所示，高頻段產品 MAGx-011086 輸出功率和效率不是很高，2019MWC 大會發(fā)布的 MAGX-102731-180 未來有望在市場上有較好的表現(xiàn)。

（5）Ampleon

2015 年，Ampleon 承接了從 NXP 中剝離出來的射頻部門，北京建廣資產收購后組建 Ampleon 集團。2016 年，Ampleon 在合肥開設 RF 能源卓越中心，Ampleon 生產的 LDMOS 和 GaN 射頻器件供應全球通訊設備廠商，如華為、諾基亞、愛立信、中興以及三星等。Ampleon 產品可應用于國防及航空航天、手機射頻、廣播及無線通信領域。

Ampleon 現(xiàn)階段出貨量最大的仍是 LDMOS 產品，主要為 2.4GHz-2.7GHz 頻段。Ampleon 的 GaN 放大器產品主要分 2 個頻段，3.5GHz 以下和 6.1GHz 以下，CLF1G0035-200P 的最高輸出功率達 200W，漏極效率為 48%。CLF1G0035 系列產品為高功率產品，主要應用于宏基站、國防及航空領域。CLF1G0060 系列產品為低功率產品，輸出功率不高于 30W，主要應用為小基站。

（6）蘇州能訊

蘇州能訊成立于 2007 年，是中國比較領先的 GaN 射頻功率器件的 IDM 公司。根據從蘇州能訊半導體總經理任勉所獲得的信息，蘇州能訊從成立到現(xiàn)在已經進行了三輪融資，總共投入約 10 億人民幣，其第一規(guī)模工廠（FAB1）位于蘇州昆山高新區(qū)，工廠占地 55 畝，廠房面積為 18000 平方米，經過第三輪 5 億元融資后，現(xiàn)有產線改造擴容結束將具備年處理 4 英寸 GaN 晶圓 5 萬片 / 年（約折合 2000 萬支器件）的能力。若 GaN 器件在 5G 市場部署時如期爆發(fā)，蘇州能訊未來將規(guī)劃建設 FAB2， FAB2 規(guī)劃為 6 英寸產線，資本投入將會是 FAB1 的三倍以上。

蘇州能訊推出了頻率高達 6GHz、工作電壓 48/28V、輸出功率從 10W-390W 的射頻器件。在移動通信方面，蘇州能訊可提供適應 4G 及 5G 的高效率和高增益的射頻器件，工作頻率涵蓋 1.8-3.8GHz，工作電壓 48V，設計功率從 130W-390W，平均功率為 16W-55W。

（7）英諾賽科

英諾賽科由海歸創(chuàng)業(yè)團隊成立，擁有硅基 GaN 外延生長及器件制造能力。一期項目位于珠海市國家級高新區(qū)，主要建設 8 英寸增強型硅基氮化鎵外延與器件大規(guī)模量產生產線，主要產品包括 100V650V 8 英寸硅基氮化鎵外延片、100V-650V 氮化鎵功率器件、氮化鎵集成電路。2018 年，英諾賽科斥資 60 億在蘇州吳江建立生產線，產品規(guī)劃覆蓋低壓至高壓半導體功率器件和射頻器件。目前還沒有 GaN-on-SiC 射頻產品。

（8）海威華芯

成都海威華芯科技有限公司由海特高新和央企中電科 29 所合資組建。2015 年 1 月，海特高新以 5.55 億元收購海威華芯原股東股權，并以增資的方式取得海威華芯 52.91%的股權，成為其控股股東，從而涉足高端化合物半導體集成電路芯片研制領域。

海威華芯是一家純晶圓代工企業(yè)，是國內較為領先的 6”GaAs 晶圓代工企業(yè)，主要為軍工企業(yè)服務。海威華芯 6 英寸第二代 / 第三代半導體集成電路芯片生產線于 2011 年開工建設， 2016 年 4 月完成工程建設，于 2016 年 8 月投入試生產。該生產線設計產能為 6” GaAs 芯片 40000 片 / 年，GaN 芯片 30000 片 / 年，SIP 封裝（微波組件）30000 片 / 年。但實際工程建設中，SIP 封裝（微波組件）并未建設。

此外，海威華芯正在積極涉足 GaN 功率器件及射頻器件領域，其 0.5μm 的 HEMT 工藝技術在 6” GaN 上驗證成功。

（9）三安集成

三安集成是中國第一家 6 英寸化合物半導體晶圓制造企業(yè)，規(guī)劃中的產品包括用于射頻、毫米波、電力電子和光通信市場的砷化鎵(GaAs) HBT、pHEMT、BiHEMT、IPD、濾波器、氮化鎵(GaN)功率器件 HEMT、碳化硅(SiC)和磷化銦(InP)。三安集成通訊微電子器件項目位于廈門火炬（翔安）產業(yè)園，總投資為 30 億元。規(guī)劃產能為 30 萬片 / 年 GaAs 高速半導體外延片及 30 萬片 / 年 GaAs 高速半導體芯片、6 萬片 / 年 GaN 高功率半導體外延片及 6 萬片 / 年 GaN 高功率半導體芯片。根據渠道消息獲知，三安集成的 PA、電力電子器件已經正常出貨。

拓璞觀點

觀點一：

GaN 放大器市場將在 2020 年迎來爆發(fā) 2019 年中國 5G 建設元年， 2020 年為爆發(fā)年，依據本文的測算，基站端 GaN 放大器市場規(guī)模達 32.7 億元，同比增長 340.8%。

GaN 放大器需求數量在 2019-2023 年保持快速增長， 2023 年達 18117 萬個，按照 4” GaN 晶圓切 400 個計算，則需要 GaN 晶圓數量達 45 萬片。

觀點二：

中國 SiC 襯底和 GaN 放大器企業(yè)將迎來大機遇。山東天岳、天科合達、同光晶體、中科節(jié)能、中電科 46 所和北電新材料是構成中國 SiC 襯底的主要企業(yè)，目前主要生產 4” 半導電型 SiC 襯底，年產能約為 15 萬片 / 年，市場需求在 20 萬片 / 年以上，產能將繼續(xù)擴張。

但是用于 GaN 放大器生產用的半絕緣型 SiC 襯底目前出貨較少，河北同光和中科節(jié)能能少量出貨。由于 Cree 半絕緣型產品產能緊張，中國半絕緣型 SiC 襯底市場將持續(xù)緊張。GaN 放大器以 IDM 企業(yè)為主，中國蘇州能訊和將在合肥落地的安譜隆是少數幾家擁有出貨能力的 GaN 放大器企業(yè)。

現(xiàn)階段 50V 工作電壓，頻率在 3.5GHz 以下的 GaN 放大器價格在 10 美元 -12 美元之間。若蘇州能訊 4 英寸 GaN 晶圓 5 萬片的年產能完全達產，產值將達 2 億美元。此外，英諾賽科、大連芯冠、海威華芯、三安集成都在積極布局 GaN 放大器市場。中國 5G 建設給 GaN 放大器企業(yè)提供了巨大機遇。

一文讀懂國產GaN 放大器產業(yè)鏈及主要參與廠商

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