GaN下游：功率、射頻市場格局；國內(nèi)外產(chǎn)業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀

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、下游的各個環(huán)節(jié)，同時迅速了解各大細分環(huán)節(jié)中的行業(yè)現(xiàn)狀。我們計劃會對包括集成電路、分立器件、傳感器、光電器件等半導體產(chǎn)業(yè)上下游進行梳理。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部分：上游主要是原材料，包括襯底、外延片；中游主要是IC設計、GaN晶圓制造、封裝測試；下游是應用部分，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射頻器件市場格局

根據(jù)Yole Développement的數(shù)據(jù)，2020年GaN射頻器件市場規(guī)模為8.91億美元，復合年增長率將達18%，預計到2026年GaN射頻器件市場規(guī)模會達到26億美元以上。 同時，由于在高頻、高溫領(lǐng)域有較大優(yōu)勢，GaN射頻器件市場會由國防（大功率雷達、衛(wèi)星）以及5G電信基礎設施等應用為主導，在2026年這兩個應用分別占整個市場的49%和41%。

在GaN射頻器件市場上，Woflspeed、住友電氣、Qorvo等共三家企業(yè)占據(jù)大部分市場份額。電子發(fā)燒友網(wǎng)統(tǒng)計，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月底的這個數(shù)字是451款，兩年時間增加了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。從Mouser的數(shù)據(jù)庫中，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到42.5GHz（Qorvo），最大功率800W；GaN射頻HEMT最大輸出功率高達1800W（Qorvo，1GHz-1.1GHz），最高工作頻率為DC to 25 GHz（Qorvo，輸出功率7.2W）。

縱觀整個射頻器件市場，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。隨著5G通信高頻通信應用持續(xù)迭代發(fā)展，對射頻前端等器件的性能要求不斷提高，以及載波聚合、MIMO、包絡跟蹤等技術(shù)的廣泛應用，GaN射頻器件需求規(guī)模將不斷擴大。

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5G基站中射頻通道數(shù)量從4G宏基站RRU（射頻拉遠單元）中的4通道變?yōu)?4通道，單個基站中的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，更加適合5G基站的應用場景。

工信部的最新數(shù)據(jù)顯示，截至2022年4月末，我國已經(jīng)建成5G基站161.5萬個，預計2025年前我國5G宏基站將建設超過500萬站。隨著5G基站高能效、小體積等需求，在未來幾年，預計GaN射頻器件在5G基站市場滲透率將逐步提升至70%。



2.GaN功率器件市場格局

GaN的功率應用起步較晚，市場規(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功率器件市場規(guī)模為1.26億美元，預計2021-2027年期間復合年增長率為59%，2027年全球市場規(guī)模高達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測中，納微半導體、PI、英諾賽科、EPC分列前四，四大玩家攬下全球接近90%的市場份額。其中排名第一的納微半導體市占率達到29%，PI和英諾賽科分別占到24%和20%的份額，EPC則占有14%的市場份額。

GaN主要主要是面向650V以下中低壓應用，功率器件產(chǎn)品性能上，擊穿電壓集中在650V以及300V以下，導通電流最高150A（GaN Systems，650V），Transphorm的產(chǎn)品最高耐壓值達到900V。更高耐壓的GaN功率器件也即將推出市場，目前包括東芝、Transphorm、GaN Power、博世等都已經(jīng)對外透露了1200V GaN功率管的研發(fā)進度，預計很快會推出市場。

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

電動汽車是GaN功率器件未來最具潛力的市場之一。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、系統(tǒng)效率優(yōu)勢、功率密度優(yōu)勢。在電動汽車驅(qū)動和電池平臺上，目前中高端車型的趨勢是800V系統(tǒng)，但由于成本等原因，預計2030年全球范圍內(nèi)主流還會是400V平臺。而SiC相比于GaN在功率應用上的優(yōu)勢主要在于1200V以上的超高壓，所以在電動汽車上，隨著成本、產(chǎn)能等優(yōu)勢凸顯，GaN功率器件有望在電動汽車400V平臺上得到廣泛應用。

根據(jù)納微半導體的規(guī)劃，預計在2025年左右車規(guī)級GaN功率產(chǎn)品能夠?qū)崿F(xiàn)大批量出貨。

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

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

GaN單晶襯底方面，我們在第一期有提到，同樣是日本廠商占據(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都宣布將會在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合作宣布成功研制出6英寸GaN襯底。

國內(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，東莞中稼半導體宣布，在國內(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，目前國際上GaN射頻應用的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，主要海外供應商有恩智浦、住友、Qorvo等等。不過國內(nèi)5G發(fā)展迅速，基站PA需求巨大，國內(nèi)廠商在GaN PA上同樣在加速導入市場，包括蘇州能訊、中興微電子、海特高新（旗下與中國電子29所合資公司嘉納海威設計、旗下海威華芯代工）等等，都已經(jīng)有相關(guān)產(chǎn)品在5G宏基站上進行測試或量產(chǎn)應用。

功率器件方面，GaN功率市場目前來看主要應用于手機充電器。從市場份額上看，國內(nèi)以英諾賽科為代表，占全球20%份額，同時英諾賽科也在加速開啟國際業(yè)務?？梢园l(fā)現(xiàn)，目前全球GaN功率市場份額排名前列的納微半導體、EPC、GaN system等都走Fabless模式，走IDM模式的英諾賽科在供貨能力、價格上會有一些優(yōu)勢，預計打開國際市場后，英諾賽科份額將會繼續(xù)有進一步提升。

在汽車應用上，國內(nèi)方面聞泰科技旗下安世半導體較為領(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)，預計未來繼續(xù)推進1200V GaN功率產(chǎn)品。國外方面，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，且應用規(guī)模還比較小，要廣泛應用于電驅(qū)等汽車核心動力模塊上，預計要到2025年后。

產(chǎn)能方面，CASA統(tǒng)計2020年國內(nèi)折合4英寸GaN-on-SiC的射頻器件、模塊年產(chǎn)能為16萬片，折合6英寸GaN-on-Si的電力電子器件、模塊年產(chǎn)能為22萬片。根據(jù)推算，由于英諾賽科等國內(nèi)廠商的擴產(chǎn)落地，今年國內(nèi)GaN-on-Si的電力電子器件、模塊產(chǎn)能增速較快，年產(chǎn)能預計會超過60萬片（折合6英寸），GaN-on-SiC射頻器件、模塊方面增速稍慢，但預計2022年國內(nèi)年產(chǎn)能也將超過35萬片（折合4英寸）。