前言：【核芯觀察】是電子發(fā)燒友編輯部出品的深度系列專欄，目的是用最直觀的方式令讀者盡快理解電子產(chǎn)業(yè)架構(gòu)，理清上、中、下游的各個(gè)環(huán)節(jié)，同時(shí)迅速了解各大細(xì)分環(huán)節(jié)中的行業(yè)現(xiàn)狀。我們計(jì)劃會(huì)對(duì)包括集成電路、分立器件、傳感器、光電器件等半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)上下游進(jìn)行梳理。在本次GaN專題中，我們將GaN產(chǎn)業(yè)鏈的上中下游各分為幾個(gè)部分：上游主要是原材料，包括襯底、外延片；中游主要是IC設(shè)計(jì)、GaN晶圓制造、封裝測(cè)試；下游是應(yīng)用部分，包括射頻器件、功率器件、以及光電器件。這期帶來的是氮化鎵產(chǎn)業(yè)鏈下游梳理。


一、GaN下游

1.GaN射頻器件市場(chǎng)格局

根據(jù)Yole Développement的數(shù)據(jù)，2020年GaN射頻器件市場(chǎng)規(guī)模為8.91億美元，復(fù)合年增長(zhǎng)率將達(dá)18%，預(yù)計(jì)到2026年GaN射頻器件市場(chǎng)規(guī)模會(huì)達(dá)到26億美元以上。 同時(shí)，由于在高頻、高溫領(lǐng)域有較大優(yōu)勢(shì)，GaN射頻器件市場(chǎng)會(huì)由國(guó)防（大功率雷達(dá)、衛(wèi)星）以及5G電信基礎(chǔ)設(shè)施等應(yīng)用為主導(dǎo)，在2026年這兩個(gè)應(yīng)用分別占整個(gè)市場(chǎng)的49%和41%。

在GaN射頻器件市場(chǎng)上，Woflspeed、住友電氣、Qorvo等共三家企業(yè)占據(jù)大部分市場(chǎng)份額。電子發(fā)燒友網(wǎng)統(tǒng)計(jì)，截至2022年7月1日，Mouser在售的GaN射頻產(chǎn)品共有623款，而截至2020年6月底的這個(gè)數(shù)字是451款，兩年時(shí)間增加了172款產(chǎn)品，產(chǎn)品線持續(xù)完善。

在性能上，工作頻率和輸出功率是GaN射頻器件/模塊的主要技術(shù)指標(biāo)。從Mouser的數(shù)據(jù)庫(kù)中，可以發(fā)現(xiàn)目前市面上GaN射頻放大器最大工作頻率可以達(dá)到42.5GHz（Qorvo），最大功率800W；GaN射頻HEMT最大輸出功率高達(dá)1800W（Qorvo，1GHz-1.1GHz），最高工作頻率為DC to 25 GHz（Qorvo，輸出功率7.2W）。

縱觀整個(gè)射頻器件市場(chǎng)，目前硅基LDMOS和GaAs依然占據(jù)主流，但GaN在工作頻率、功率密度等方面都擁有明顯優(yōu)勢(shì)。隨著5G通信高頻通信應(yīng)用持續(xù)迭代發(fā)展，對(duì)射頻前端等器件的性能要求不斷提高，以及載波聚合、MIMO、包絡(luò)跟蹤等技術(shù)的廣泛應(yīng)用，GaN射頻器件需求規(guī)模將不斷擴(kuò)大。

5G基站AAU的能耗占比 圖源：優(yōu)鎵科技

從5G基站AAU（有源天線處理單元）的能耗占比中，可以發(fā)現(xiàn)功率放大器占到最大的一部分，同時(shí)5G基站中射頻通道數(shù)量從4G宏基站RRU（射頻拉遠(yuǎn)單元）中的4通道變?yōu)?4通道，單個(gè)基站中的PA數(shù)量增加16倍。因此GaN PA尺寸小、效率高、功率密度大等特點(diǎn)，更加適合5G基站的應(yīng)用場(chǎng)景。

工信部的最新數(shù)據(jù)顯示，截至2022年4月末，我國(guó)已經(jīng)建成5G基站161.5萬(wàn)個(gè)，預(yù)計(jì)2025年前我國(guó)5G宏基站將建設(shè)超過500萬(wàn)站。隨著5G基站高能效、小體積等需求，在未來幾年，預(yù)計(jì)GaN射頻器件在5G基站市場(chǎng)滲透率將逐步提升至70%。



2.GaN功率器件市場(chǎng)格局

GaN的功率應(yīng)用起步較晚，市場(chǎng)規(guī)模目前相比于射頻GaN較小。根據(jù)Yole Développement數(shù)據(jù)，2021全球GaN功率器件市場(chǎng)規(guī)模為1.26億美元，預(yù)計(jì)2021-2027年期間復(fù)合年增長(zhǎng)率為59%，2027年全球市場(chǎng)規(guī)模高達(dá)20億美元。 在TrendForce此前的2021年全球GaN功率廠商出貨量市占率排名預(yù)測(cè)中，納微半導(dǎo)體、PI、英諾賽科、EPC分列前四，四大玩家攬下全球接近90%的市場(chǎng)份額。其中排名第一的納微半導(dǎo)體市占率達(dá)到29%，PI和英諾賽科分別占到24%和20%的份額，EPC則占有14%的市場(chǎng)份額。

GaN主要主要是面向650V以下中低壓應(yīng)用，功率器件產(chǎn)品性能上，擊穿電壓集中在650V以及300V以下，導(dǎo)通電流最高150A（GaN Systems，650V），Transphorm的產(chǎn)品最高耐壓值達(dá)到900V。更高耐壓的GaN功率器件也即將推出市場(chǎng)，目前包括東芝、Transphorm、GaN Power、博世等都已經(jīng)對(duì)外透露了1200V GaN功率管的研發(fā)進(jìn)度，預(yù)計(jì)很快會(huì)推出市場(chǎng)。

目前GaN功率器件最大的應(yīng)用市場(chǎng)是消費(fèi)電子，比如PC電源、手機(jī)充電器等，其次是數(shù)據(jù)中心、5G通信基站電源等應(yīng)用。2021年，GaN功率市場(chǎng)中消費(fèi)電子應(yīng)用占比約為63%，通信基站、數(shù)據(jù)中心等應(yīng)用占比約21%，而工業(yè)和汽車應(yīng)用的占比分別為7%、4%左右。

電動(dòng)汽車是GaN功率器件未來最具潛力的市場(chǎng)之一。短期來看，GaN功率器件在11kW、6.6kW、22kW的OBC，以及4kW的DC-DC中，相比于SiC具有非常明顯的成本優(yōu)勢(shì)、系統(tǒng)效率優(yōu)勢(shì)、功率密度優(yōu)勢(shì)。在電動(dòng)汽車驅(qū)動(dòng)和電池平臺(tái)上，目前中高端車型的趨勢(shì)是800V系統(tǒng)，但由于成本等原因，預(yù)計(jì)2030年全球范圍內(nèi)主流還會(huì)是400V平臺(tái)。而SiC相比于GaN在功率應(yīng)用上的優(yōu)勢(shì)主要在于1200V以上的超高壓，所以在電動(dòng)汽車上，隨著成本、產(chǎn)能等優(yōu)勢(shì)凸顯，GaN功率器件有望在電動(dòng)汽車400V平臺(tái)上得到廣泛應(yīng)用。

根據(jù)納微半導(dǎo)體的規(guī)劃，預(yù)計(jì)在2025年左右車規(guī)級(jí)GaN功率產(chǎn)品能夠?qū)崿F(xiàn)大批量出貨。

二、國(guó)內(nèi)外GaN產(chǎn)業(yè)各環(huán)節(jié)發(fā)展現(xiàn)狀

對(duì)GaN技術(shù)的研究最早起步于20世紀(jì)70年代初的日本，從技術(shù)專利上看，日美起步相對(duì)較早。2010年以前，日本在GaN技術(shù)專利申請(qǐng)數(shù)上處于明顯領(lǐng)先，中國(guó)在2010年后專利申請(qǐng)數(shù)開始高速增長(zhǎng)，并保持至今。 中、美、日三國(guó)GaN技術(shù)專利申請(qǐng)趨勢(shì)圖 來源：Patsnap

GaN單晶襯底方面，我們?cè)诘谝黄谟刑岬剑瑯邮侨毡緩S商占據(jù)領(lǐng)先地位，住友電工在2003年成為全球首家量產(chǎn)GaN襯底的廠商。目前主流的GaN襯底尺寸是2英寸，住友電工和三菱化學(xué)都宣布將會(huì)在2022年開始量產(chǎn)4英寸GaN單晶襯底，2022年3月，豐田合成與大阪大學(xué)合作宣布成功研制出6英寸GaN襯底。

國(guó)內(nèi)在GaN襯底方面發(fā)展速度也很快，蘇州納維在2017年率先推出4英寸GaN單晶襯底，并且還表示突破了6英寸的關(guān)鍵核心技術(shù)；2018年2月，東莞中稼半導(dǎo)體宣布，在國(guó)內(nèi)首次試產(chǎn)4英寸自支撐GaN襯底，并在2019年10月發(fā)售4英寸自支撐氮化鎵襯底；2020年3月，鎵特半導(dǎo)體宣布開發(fā)出4英寸摻碳半絕緣GaN晶圓片，并表示“鎵特是第一家，也是唯一一家生產(chǎn)4英寸半絕緣氮化鎵晶圓片的公司”。

外延片方面，目前國(guó)際上GaN射頻應(yīng)用的SiC基GaN外延片4英寸和6英寸并存，海外6英寸代表企業(yè)有Wolfspeed、Qorvo、NXP，4英寸代表企業(yè)為住友電工；國(guó)內(nèi)SiC基GaN外延片主要以4英寸為主，代表企業(yè)有蘇州能訊、聚能晶源等，其中聚能晶源已經(jīng)具備量產(chǎn)6寸SiC基GaN外延片的能力。

射頻器件方面，GaN PA大部分用于6GHz以下宏基站，主要海外供應(yīng)商有恩智浦、住友、Qorvo等等。不過國(guó)內(nèi)5G發(fā)展迅速，基站PA需求巨大，國(guó)內(nèi)廠商在GaN PA上同樣在加速導(dǎo)入市場(chǎng)，包括蘇州能訊、中興微電子、海特高新（旗下與中國(guó)電子29所合資公司嘉納海威設(shè)計(jì)、旗下海威華芯代工）等等，都已經(jīng)有相關(guān)產(chǎn)品在5G宏基站上進(jìn)行測(cè)試或量產(chǎn)應(yīng)用。

功率器件方面，GaN功率市場(chǎng)目前來看主要應(yīng)用于手機(jī)充電器。從市場(chǎng)份額上看，國(guó)內(nèi)以英諾賽科為代表，占全球20%份額，同時(shí)英諾賽科也在加速開啟國(guó)際業(yè)務(wù)。可以發(fā)現(xiàn)，目前全球GaN功率市場(chǎng)份額排名前列的納微半導(dǎo)體、EPC、GaN system等都走Fabless模式，走IDM模式的英諾賽科在供貨能力、價(jià)格上會(huì)有一些優(yōu)勢(shì)，預(yù)計(jì)打開國(guó)際市場(chǎng)后，英諾賽科份額將會(huì)繼續(xù)有進(jìn)一步提升。

在汽車應(yīng)用上，國(guó)內(nèi)方面聞泰科技旗下安世半導(dǎo)體較為領(lǐng)先，目前已經(jīng)推出用于汽車OBC、DC-DC的車規(guī) 650V GaN FET，900V產(chǎn)品也已經(jīng)完成開發(fā)，預(yù)計(jì)未來繼續(xù)推進(jìn)1200V GaN功率產(chǎn)品。國(guó)外方面，ST、英飛凌、Ti、GaN Systems等都有600V以上的車規(guī)GaN功率產(chǎn)品推出?？傮w而言，目前GaN功率器件主要用于汽車OBC上，且應(yīng)用規(guī)模還比較小，要廣泛應(yīng)用于電驅(qū)等汽車核心動(dòng)力模塊上，預(yù)計(jì)要到2025年后。

產(chǎn)能方面，CASA統(tǒng)計(jì)2020年國(guó)內(nèi)折合4英寸GaN-on-SiC的射頻器件、模塊年產(chǎn)能為16萬(wàn)片，折合6英寸GaN-on-Si的電力電子器件、模塊年產(chǎn)能為22萬(wàn)片。根據(jù)推算，由于英諾賽科等國(guó)內(nèi)廠商的擴(kuò)產(chǎn)落地，今年國(guó)內(nèi)GaN-on-Si的電力電子器件、模塊產(chǎn)能增速較快，年產(chǎn)能預(yù)計(jì)會(huì)超過60萬(wàn)片（折合6英寸），GaN-on-SiC射頻器件、模塊方面增速稍慢，但預(yù)計(jì)2022年國(guó)內(nèi)年產(chǎn)能也將超過35萬(wàn)片（折合4英寸）。