智芯研报 | 中国5G氮化镓PA产业及市场分析

第三代半导体联合创新孵化中心

2021年6月17日 14:37

GaN 放大器的应用优势

▌ GaN 放大器介绍

GaN 是属于异质结 HEMT（High Electron Mibility Transistro），异质结就是利用一种比 GaN 禁带宽度更高的(Al，Ga)GaN 与 GaN 组合在一起。

由于(Al，Ga)GaN 和 GaN 的异质结存在两种极化效应：自发极化(RSP)和压电极化(RPE)，正是由于这两种极化共同作用，所以在(Al，Ga)GaN 和 GaN 的界面处产生极化静电荷，从而形成两维电子气（2DEG:2-D electron gas)，2DEG 的速度比普通的电子快 2.7 倍，因此其拥有更高的工作频率。

GaN 器件有 Si 基和 SiC 基两种，GaN-on-Si 主要应用于电力电子领域，用作高功率开关，GaN-on-SiC 主要应用于射频领域，主要得益于 SiC 的高导热率以及低 RF loss，适用于功率较大的宏基站。小基站射频器件对功率要求较低，GaN-on-Si 有望凭借其低成本的优势在未来大规模应用。

▌ GaN 放大器的优势

GaN属于第三代半导体材料，禁带宽度达到3.4eV，禁带宽度越大，耐高电压和高温性能越好；电子饱和迁移速度达2.7107cm/s，高电子饱和漂移速度与低介电常数的半导体材料具有更高的频率特性。

GaN的禁带宽度、电子饱和迁移速度、击穿场强和工作温度远远大于Si和GaAs，具有作为电力电子器件和射频器件的先天优势。GaN器件相比于目前主流技术——GaAs器件和Si基横向扩散金属氧化物半导体器件（LDMOS），具有性能优势。

GaAs 材料热导率较低，散热较差，GaAs 器件可承受功率较低，低于 50W，则 GaAs 适用于终端射频前端等小功率市场。LDMOS 器件的缺点是工作频率存在极限，LDMOS 放大器带宽会随着频率的增加而大幅减少，仅在不超过约 3.5GHz 的频率范围内有效，采用 0.25μm 工艺的 GaN 器件频率可以达到其 4 倍，带宽可增加 20%，功率密度可达 6~8 W/mm。

GaN 拥有较高的热导率及电子迁移速度，配合 SiC 衬底，GaN 器件可同时适用高功率和高频率。目前商用的 GaN 射频器件工作频率可达到 40GHz，进入 Ka 波段。

GaN 放大器市场规模

GaN 射频器件的应用市场包括国防、卫星通信、无线通信基站，无线通信基站市场是 GaN 射频器件最大应用市场。2017 年全球 GaN射频市场规模约为 3.5 亿-4 亿美元，中国 GaN 射频市场规模约为 12亿人民币，约占全球市场近一半需求，其主要原因是华为、中兴等公司在全球基站设备市场份额占比较大。

▌ 宏基站对 GaN 放大器需求预测

根据工信部数据，截至 2017 年 12 月底，中国 4G 宏基站数量为328 万座，依据蜂窝通信理论计算，中国 5G 宏基站数量约为 500 万座，达 4G 基站数量的 1.5 倍。

根据三大运营商的资本支出计划及产业调研，预计中国 5G 宏基站建设计划将于 2019 年正式开始，约为 10 万站，2023 年预计将达到建设顶峰，年建设数量达 115.2 万座。

参考目前设备商展开试验 5G 基站的上游采购价格，拓璞分析，目前用于 3.5GHz 频段的 5G 基站，采用 LDMOS 工艺的功率放大器单扇区的价格超过了 400 美元，采用 GaN 工艺的功率放大器价格超过了 700 美元，假设 LDMOS 和 GaN 射频价格均以 5%的比例递减。截止 2018 年 12 月，中国 4G 基站数量为 372 万座，其中中国移动为241 万站，占比 64.7%。

5G 授权频段方面，中国移动为 2515-2675MHZ和 4800-4900MHZ，中国电信为 3400-3500MHZ，中国联通为 35003600MHZ，基于成本考虑，中国移动势必先建设 2515-2675MHZ 频段基站。

拓璞分析，5G 基站数量方面，中国移动占比超过 50%，前期建设情况下，LDMOS 放大器拥有一定比例的市场，推测 GaN 射频器件约占 50%，预计到 2025 年，GaN 射频器件占比 85%以上。

5G 基站天线采用 Massive MIMO 技术，天线和 RRU（射频拉远单元）合设，组成 AAU。Massive MIMO 天线假设为 64T64R，则单个宏基站天线数量为 192 个，放大器数量为 192 个。

根据表 3 的测算，GaN 放大器市场需求规模将在 2023 年迎来顶峰，达 112.6 亿元，GaN放大器数量达 17694 万个，就增速而言，2020 年 YOY 达 340%。

▌ 小基站对 GaN 放大器需求预测

5G 蜂窝网络布置有一定的极限，但是在热点地区的网络需求旺盛，需要在垂直方向上布置以小基站为站点的微蜂窝网络。小基站的频率会高于宏基站（避免造成干扰），以 Sub-6GHZ 为主，因此 GaN射频器件便成了唯一选择，依据赛迪智库测算的数据，中国 5G 网络小基站需求约为宏基站的 2 倍，即需要 1000 万站小基站。以华为LampSite 小基站为例，天线为单扇 2T2R MIMO，则每个小基站需要2 个放大器。小基站建设进度假设落后宏基站 1 年，年度比例以此类推。

根据表 4 的测算，2024 年小基站端对 GaN 放大器的需求将达到最大规模，为 9.4 亿元，就增速而言，2021 年 YOY 达 260%。

▌ 中国 5G 网络对 GaN 放大器需求预测

2017 年中国 GaN 射频市场规模约为 12 亿元，无线通信基站约占 20%，即 2.4 亿元，2018 年由于 5G 通信试验基站的建设，基站端GaN 射频器件同比增长达 75%，达 4.2 亿元。

2019 年为中国 5G 建设元年，基站端 GaN 放大器同比增长达 71.4%；2020 年为 5G 建设爆发年，基站端 GaN 放大器市场规模达 32.7 亿元，同比增长 340.8%；预计到 2023 年基站端 GaN 放大器市场规模达 121.7 亿元，但 2021~2023 年同比增速逐渐下降。

依据拓璞分析，GaN 放大器需求数量在 2019-2023 年保持快速增长，2023 年达 18117 万个，按照 4” GaN 晶圆切 400 个计算，则需要 GaN 晶圆数量达 45 万片。就增速而言，2020 年增速最高，YOY达 369%。

GaN 放大器产业链

GaN-on-SiC 射频器件的供应商主要为 IDM 企业，核心产业链环节包括 SiC 衬底材料制作、GaN 材料外延生长、器件设计和制造、封装测试。

▌ SiC 衬底

山东天岳

2018 年 11 月，山东天岳在湖南浏阳启动中国最大的 SiC 衬底项目-湖南天玥科技有限公司。项目资料显示，该项目总投资 30 亿元，项目分两期建设，一期占地 156 亩，主要生产碳化硅导电衬底，预估年产值 13 亿元；二期主要生产功能器件，包括电力器件封装、模块及装置、新能源汽车及充电站装置、轨道交通牵引变流器、太阳光伏逆变器等，预估年产值 50-60 亿元。

天科合达

天科合达主要产品包括 4” SiC 晶片生产(6 英寸未量产)和 SiC 单晶生长设备。根据从天科合达总经理杨健处所获得的信息，天科合达约有 100 多台长晶炉，4”半导电型 SiC 晶片产能约为 2 万片/年。天科合达的前 4 客户需求为 20 万片/年。天科合达正在继续扩充产能,计划扩充 3 倍。2018 年 10 月，天科合达在徐州经开区投资的碳化硅晶片项目正式签约。

河北同光

河北同光主要产品包括 4”和 6”导电型、半绝缘碳化硅衬底，其中 4 英寸衬底已达到世界先进水平。2017 年 10 月，同光联合清华大学、北京大学宽禁带半导体研究中心、中国科学院半导体研究所、河北大学共同搭建了“第三代半导体材料检测平台”，推动了国内第三代半导体产业的发展。

中科节能

2017 年 7 月，中科节能与青岛莱西市、国宏中晶签订合作协议，投资建设 SiC 长晶生产线项目。该项目总投资 10 亿元，项目分两期建设，一期投资约 5 亿元，预计 2019 年 6 月建成投产，建成后可年产 5 万片 4” N 型 SiC 晶体衬底片和 5 千片 4” 高纯度半绝缘型 SiC 晶体衬底片；二期投资约 5 亿元，建成后可年产 5 万片 6” N 型 SiC 晶体衬底片和 5 千片 4”高纯度半绝缘型 SiC 晶体衬底片。

▌ GaN 材料外延

射频器件主要以GaN-on-SiC为主要技术路线，主流尺寸是4英寸和6英寸，预计到2020年，随着6英寸SiC衬底价格不断下降，6英寸外延将成为重点。此外，基于高阻硅的GaN-on-Si未来有望在高频-低功率市场打破GaN-on-SiC在射频器件的垄断局面，例如未来5G将大规模应用的小基站市场，美国MACOM公司主要采用GaNon-Si技术制造射频器件。

GaN射频外延企业主要有比利时的EpiGaN、英国的IQE、日本的NTT-AT。中国厂商有苏州晶湛、苏州能华和世纪金光，苏州晶湛2014年就已研发出8”硅基外延片，现阶段已能批量生产。苏州能华主要面向太阳能发电、电力传输等电力领域。世纪金光在SiC、GaN领域的粉料、单晶、外延、器件和模块都有涉及。

▌ GaN 器件设计与制造

GaN射频器件主要有HEMT和HBT两大工艺。射频工艺主要跟栅长及偏置电压（Bias）有关，工艺制程越低，器件频率越高。0.5μm栅长和高偏置(40到50V)，主要瞄准高功率、频率Sub-8GHz器件；0.25μm栅长和中偏置(28到30V)，主要瞄准更高频率(约18GHz)的器件； 0.15μm-0.1μm栅长，主要瞄准毫米波器件(30GHz以上)。现阶段GaN射频器件主流工艺制程正从0.25μm-0.5μm向0.15μm-0.1μm过渡。Qorvo正在进行90nm工艺的研发，Cree及稳懋主要制程工艺在0.25-0.5μm之间。粉料、单晶、外延、器件和模块都有涉及。

IDM 企业

全球基站端射频器件的供应商以 IDM 企业为主，主要有日本住友电工旗下的 SEDI 公司（Sumitomo Electric Device Innovations）、Infineon（RF 部门已出售给 Cree）、美国 Cree 旗下 Wolfspeed 公司、Qorvo 公司、MACOM 公司、Ampleon、韩国 RFHIC 等。

全球 GaN 射频器件供应商中，住友电工和 Cree 是行业的龙头企业，市场占有率均超过 30%，其次为 Qorvo 和 MACOM。住友电工在无线通信领域市场份额较大，其已成为华为核心供应商，为华为 GaN射频器件最大供应商。Cree 收购英飞凌 RF 部门后实力大增，LDMOS产品和 GaN 产品在全球都比较有竞争力。Qorvo 在国防和航天领域市场份额排名第一。

中国 GaN 器件 IDM 企业有苏州能讯、英诺赛科，大连芯冠科技正在布局，海威华芯和三安集成可提供 GaN 器件代工服务，其中海威华芯主要为军工服务。中电科 13 所、55 所同样拥有 GaN 器件制造能力。

代工企业

代工厂商主要有环宇通讯半导体（GCS）、稳懋半导体、日本富士通、Cree、台湾嘉晶电子、台积电、欧洲联合微波半导体公司（UMS），以及中国的三安集成和海威华芯。此前恩智浦 RF 部门（安谱隆前身）、英飞凌 RF 部门（已出售给 Cree）、韩国 RFHIC 将 GaN 射频器件委托Cree 公司代工。MACOM 收购 Nitronex 在 2011 年就与环宇通讯半导体（GCS）公司合作生产 Si 基 GaN 器件，一直合作至今。2016 年三安光电收购 GCS 被美国否决，其后三安光电与 GCS 合资设立厦门三安环宇集成电路公司，前期主要生产 6 英寸 GaAs 晶圆。

| 来源：拓墣产业研究，王平

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