GaN 放大器產業鏈

　　GaN-on-SiC 射頻器件的供應商主要為 IDM 企業，核心產業鏈環節包括 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節來闡述。

　　SiC 襯底

　　行業觀察

　　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”產品沒有價格優勢，現階段主要生產 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、同光晶體和中科節能均已完成 6 英寸襯底的研發，天科合達可批量提供 6 寸半導電性 SiC 襯底。

　　中國 SiC 襯底發展很快，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。但是中國 SiC襯底發展很快，目前可以實現 4”襯底的量產，價格相比 Cree 有較大優勢，2017 年底 4”襯底產能可達 15 萬片/年。

　　重點企業介紹

　?。?）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。

　?。?）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。天科合達正在繼續擴充產能,計劃擴充 3 倍。2018 年 10 月，天科合達在徐州經開區投資的碳化硅晶片項目正式簽約。

　?。?）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的發展。

　　（4）中科節能

　　2017 年 7 月，中科節能與青島萊西市、國宏中晶簽訂合作協議，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。

　?。?）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，位于瑞典 Norrk?ping 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年就已研發出8”硅基外延片，現階段已能批量生產。蘇州能華主要面向太陽能發電、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)?，F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，Cree及穩懋主要制程工藝在0.25-0.5μm之間。 粉料、單晶、外延、器件和模塊都有涉及。

　　IDM 企業

　　全球基站端射頻器件的供應商以 IDM 企業為主，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 是行業的龍頭企業，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

　　代工廠商主要有環宇通訊半導體（GCS）、穩懋半導體、日本富士通、Cree、臺灣嘉晶電子、臺積電、歐洲聯合微波半導體公司（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宇集成電路公司，前期主要生產 6 英寸 GaAs 晶圓。

　　重點企業介紹

　?。?）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、光收發器及模塊，其中 GaN 放大器可應用于衛星通信、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，其技術在業內處于領先地位。

　?。?）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 現主要有電力器件、RF 器件及材料三大業務，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。

　?。?）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 大會發布的MAGX-102731-180 未來有望在市場上有較好的表現。

　?。?）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在已經進行了三輪融資，總共投入約 10 億人民幣，其第一規模工廠（FAB1）位于蘇州昆山高新區，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，蘇州能訊未來將規劃建設 FAB2， FAB2 規劃為 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。

　?。?）英諾賽科

　　英諾賽科由海歸創業團隊成立，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，主要建設 8 英寸增強型硅基氮化鎵外延與器件大規模量產生產線，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。

　?。?）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，是國內較為領先的 6”GaAs 晶圓代工企業，主要為軍工企業服務。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。

　?。?）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，規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）產業園，總投資為 30 億元。規劃產能為 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。

　　2

　　拓璞觀點

　　觀點一：

　　GaN 放大器市場將在 2020 年迎來爆發2019 年中國 5G 建設元年， 2020 年為爆發年，依據本文的測算，基站端 GaN 放大器市場規模達 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 放大器企業將迎來大機遇。山東天岳、天科合達、同光晶體、中科節能、中電科 46 所和北電新材料是構成中國 SiC 襯底的主要企業，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 襯底市場將持續緊張。GaN 放大器以 IDM 企業為主，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。

　　現階段 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 放大器企業提供了巨大機遇。