聚焦GaN：高频性能引领5G器件新纪元

半导体材料研究热点，GaN 射频器件应用前景明朗

氮化镓（GaN）是由氮和镓组成的一种半导体材料，因为其禁带宽度大于 2.2eV，故被称为宽禁带半导体材料。GaN 材料作为微波功率晶体管的优良材料与蓝色光发光器件中的一种具有重要应用价值的半导体，是目前全球半导体研究的前沿和热点。与传统半导体材料硅相比，由于 GaN 禁带宽度是硅的 3-4 倍、热导率是硅的 2 倍，使得 GaN 器件可在 300℃以上的高温下工作，能够承载更高的能量密度，可靠性更高；其击穿场强比硅高 10 倍，使得器件导通电阻减少，有利于提升器件整体的能效；饱和电子迁移速度是硅的 2-4 倍，因此允许器件更高速地工作。GaN 器件在光电子、高温大功率器件和高频微波器件应用方面有着广阔的前景。

GaN 外延片可分为同质外延片与异质外延片。在GaN 单晶衬底上生长的GaN为同质外延片，以GaN 单晶材料作为衬底可以大大提高外延膜的晶体质量，降低错位密度，提高器件工作寿命。但由于GaN 材料硬度高，熔点高，衬底制作难度高，位错缺陷密度较高导致良率低，技术进步缓慢。

因此GaN 晶圆的成本仍然居高不下，GaN 厚膜衬底的应用受到限制。除了同质外延片外，GaN 还可以生长在其他衬底材料上，称之为异质外延片。目前常用的衬底材料包括蓝宝石、SiC、硅与金刚石。其中蓝宝石GaN 只能用来做LED；硅基GaN（GaN on Si）可以做功率器件和小功率的射频器件；碳化硅基GaN（GaN on SiC）可以制造大功率LED、功率器件和大功率射频芯片。GaN on SiC 和 GaN on Si 是未来的主流技术方向。

GaN 器件产业链各环节依次为：衬底、材料外延、器件设计与制造及下游应用。目前产业以IDM 企业为主，但是设计与制造环节已经开始出现分工。在上游衬底方面，GaN 衬底大部分由日本公司生产，包括住友电工、三菱化学等。其中，住友电工的市场份额已经超过90%。GaN 外延片相关企业主要有比利时的EpiGaN、英国的IQE、日本的NTT-AT。GaN 器件设计厂商方面，美国的EPC、MACOM、Transphom，德国的Dialog 等为主要参与者。IDM企业中日本的住友电工与美国的Cree 为行业龙头，市场占有率均超过30%。

亚太地区占据了全球GaN 衬底市场的主要份额。2019 年亚太地区占全球GaN衬底市场的36.34%。由于GaN 终端应用日益普及，Transparency MarketResearch 预计，2019 至2027 年亚太地区将继续占据主导地位。除亚太地区外，北美与欧洲地区也成为GaN衬底的重要市场，2019年分别占有28.18%、23.94%的市场份额，GaN 在汽车行业中应用为北美与欧洲两个地区的GaN 市场提供了巨大的机遇。

在应用领域方面，目前GaN 主要应用于射频器件和电力电子器件的制造。2019年，射频GaN 的市场规模占GaN 器件整体规模的比重达91%，电力电子GaN市场规模仅占9%。2019 年国内GaN 产业实现高速增长。据CASA 初步统计，2019 年国内GaN 微波射频产值规模近38 亿元，同比增长74%。未来随着5G商用的扩大，现行厂商将进一步由原先的4G 设备更新至5G。5G 基站的布建密度高于4G，而基站内部使用的材料多为GaN 材料，赛迪顾问预计，到2022 年国内GaN 衬底市场规模将达到5.67 亿元。

5G 射频与基站持续渗透，GaN 在快充领域大放光彩

GaN 作为第三代半导体材料，有更高的禁带宽度，是迄今理论上电光、光电转换效率最高的材料体系，下游应用包括微波射频器件（通信基站等），电力电子器件（电源等），光电器件（LED 照明、激光等），其中光电器件仍是GaN 的主要应用方向。目前GaN 器件多应用于军工电子，如军事通讯、电子干扰、雷达等领域；在民用领域，GaN 主要被应用于通讯基站、功率器件等领域。据YoleDevelopment 数据，2019 年全球GaN 功率器件市场规模为1996.4 万美元，预计GaN 市场将在2025 年达到6.8 亿美元以上，CAGR 高达80.04%。随着5G时代的到来，5G 基站与数据中心的建设将大幅度带动GaN 射频与功率器件市场，GaN 在快充等电源控制方面的应用也成为的新的需求增长点。

终端射频：5G 时代射频器件要求提高，GaN 器件优势凸显透

5G 终端蓄势待发，大用量规模与技术创新为射频前端带来红利。2020 年，5G已经进入商用部署的快车道。IDC 预计2020 年，中国5G 连接终端用户将超过2 亿，VR/AR 等虚拟现实市场也将在未来三年呈现爆发增长的态势。Qorvo 表示在未来10 年内，5G 终端将会成为手机产业中发展最快的部分。5G 需要满足行业海量物联网设备的通信需求。在人与人的连接场景之外，连接技术与行业数字化场景的融合也将成为5G 通信发展的新机遇。IDC 预测，到2024 年全球物联网的联接量将接近650 亿，是手机联接量的11.4 倍，以5G 为代表的蜂窝物联网技术将发挥重要作用。

5G 时代GaN 射频市场占比进一步上升，未来将不断占领LDMOS 市场空间。5G 时代高速增长的数据流量使得调制解调难度不断增加，需要的频段越来越多，对射频前端器件的性能要求也越来越高。目前在射频前端应用中，硅基LDMOS器件和GaAs 仍是主流器件。通常来说，LDMOS 适用于3.5GHz 以下的应用，GaAs 适用于40GHz 以下的场景，但器件尺寸较大。GaN 在高频环境下能够保持高功率输出，可以有效减少晶体管的数量，从而缩小器件尺寸。从电压角度来看，LDMOS 的工作电压约为6V，GaAs 为10V，GaN 可以工作于28V 或更高

的电压，工作性能优于LDMOS 与GaAs，潜在市场空间巨大。据YoleDevelopment 数据，2015 年射频功率放大器市场中，LDMOS 市场有率为第一，占比约为50%，GaN 射频器件约占20%，预计到2025 年，GaN 射频器件将以55%的占有率取代LDMOS 第一的市场地位，LDMOS 市场占有率则下降至11.8%。GaN 发展势头良好，5G 时代中GaN 射频器件的市场占比将进一步上升。

5G 基站+数据中心：“新基建”重要组成部分，GaN 应用前景明朗

5G 基站射频系统非常复杂，GaN 器件的小尺寸、高效率和大功率密度等特点可实现高集化的解决方案。5G 射频系统需要使用高载波频率和宽频带的新技术，包括载波聚合、Massive MIMO 等，GaN 在性能、体积、重量以及效率等方面具备独特优势，使其成为高射频、大功耗应用的技术首选。以Qorvo 的MIMO天线为例，与锗化硅基MIMO 天线相比，GaN 基MIMO 天线功耗降低了40%，裸片面积减少94%，成本降低80%。据Qorvo 数据显示，2022 年全球用于Sub-6GHz 频段的M-MIMO PA 器件年复合增长率将达到135%，用于5G 毫米波频段的射频前端模块年复合增长率将达到119%。

通信基站应用领域中，GaN 是未来最具增长潜质的第三代半导体材料之一。5G基站是“新基建”重要组成部分之一，根据工信部的数据，截至2020 年底国内已建成全球最大5G 网络，累计建成5G 基站71.8 万个，推动共建共享5G 基站33 万个。宏基站建设将会拉动基站端GaN 射频器件的需求量。由于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。假设Massive MIMO 天线为64T64R，则单个宏基站天线数量为192 个，放大器数量为192 个。考虑到5G 基站的建设周期，拓墣产业研究院预计到2023 年基站端GaN 射频器件规模达到顶峰，达到112.6 亿元。

5G 小基站布局带动GaN 射频器件规模增大。5G 的高传输速度和广覆盖将需要搭建更多更复杂的基站，大量的毫米波微基站、Sub-6GHz 微基站对于GaN 器件的需求也将大幅提升。由于小基站不能对宏基站造成干扰，故频率较宏基站更高，GaN 射频器件成为不二之选。据赛迪智库测算数据，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。按照每个小基站需要2 个放大器，小基站建设进度落后宏基站1 年测算，拓墣产业研究院预计，到2024 年基站端GaN 射频器件规模达到峰值，市场规模可达9.4 亿元。

数据中心电源效率要求提升，GaN 的市场前景明朗。随着网络、云计算的发展，新物联网设备和边缘计算需求的激增，数据中心重要程度逐渐凸显。受新冠疫情影响，Gartner 调查显示，2020 年数据中心基础设施支出同比下降了10.3%，约60%的新数据中心设施建设受阻。但疫情导致的远程工作比例提高，实际上数据中心处理的数据量有大幅增长，能源效率与功率、数据密度的需求持续提升。GaN 技术使得电源体积进一步缩小，从而允许在同一机架空间中添加更多的存储和内存，并使数据中心的功率密度由30 瓦/立方英寸提升至50-60 瓦/立方英寸甚至更高，即无需实际构建更多的数据中心即可增加数据中心的容量。2023年欧盟将提高对数据中心电源效率的要求，将进一步促进GaN 在数据中心中的使用。Gartner 预计2021 年全球最终用户数据中心基础设施支出将以6%的增速达到2000 亿美元。

消费电子：GaN 快充市场迎来爆发期，音频应用为新亮点

GaN 电源市场成长动力十足。随着多端口适配器的兴起，OEM 厂商将推出更多GaN 充电器。凭借设备设计、性能等要求的提高，GaN 充电器满足了便携、快充等不断发展的客户需求，并逐渐转变为主流标准。从技术角度分析，采用GaN技术的充电器外形尺寸可比传统的基于硅的充电器减少30-50%，整体系统效率可提升至95%，在相同尺寸和相同输出功率的情况下，充电器外壳温度将比传统充电器更低。此外，GaN 充电器可以使用较小的变压器和较小的机械散热器，因此整体重量可减少15-30%。Yole Development 预测，2019 年GaN 电源目标市场约为9000 万美元，2021 年将达到1.6 亿美元，而在2022 年将增长到2.4亿美元。2020 年美国CES 展会中，参展的GaN 充电器数量已经多达66 款，涵盖了18W、30W、65W、100W 等多个功率段，GaN 充电器市场迎来爆发期。

音频设备为GaN 器件应用新亮点。音频是一个拥有众多细分市场的庞大的市场，从专业音响，家庭音响到便携音响的所有细分市场中，高质量音频均为首要评判标准。引入GaN D 类放大器的音频系统能在不需要牺牲声音质量的前提下，以更小更轻的设计提供更多的功率和更多的通道，满足消费者市场对出色音质的追求。2020 年，GaN System 发布了一款为高音质12V 音频系统开发的参考设计，该参考设计有两个通道，每通道（8 欧姆负载）Class-D 音频放大器支持200 瓦功率，允许12V 电源升压到18V 给音频系统供电，并支持+-32V 输出。GaN 器件使用，在保证音质的前提下，将这款400 瓦音频产品的成本和功率输出能力上做到了很好的平衡。Semiconductor Digest 认为，到2021 年底，音频市场会有更多品牌配备GaN 音频放大器和配套电源，对高质量音频的需求正在推动D类音频放大器市场的增长。BCC Research 数据显示，全球D 类音频放大器市场将从2020 年的24 亿美元增长到2025 年的35 亿美元，2020-2025 年CAGR为7.7%。

竞争格局：美国、欧洲、日本三足鼎立

GaN 下游应用行业拥有大量的市场参与者。这些公司包括恩智浦、英飞凌、GaNSystem、Efficient Power、Qorvo、Cree 等。全球GaN 市场的主要参与者通过在销售、市场和技术方面的密切合作显示出协同效应。GaN 衬底供应商也通过与同行以及各种研究机构建立战略联盟来扩大规模，以建立自己在全球市场的参与者地位。意法半导体在2018 年与CEA-Leti 展开功率GaN 合作，主要涉及常关型氮化镓HEMT 和氮化镓二极管设计及研发，并于2020 年3 月收购法国GaN创新企业Exagan 公司的多数股权；2018 年，Cree 收购了英飞凌的RF 部门成为了全球最大的GaN 射频器件供应商；国内企业闻泰科技2019 年以268 亿元成功收购行业内唯一量产交付客户GaN FET 产品的化合物功率半导体公司安世半导体，成为国内首家世界级IDM 半导体公司。

住友电工：全球GaN 射频器件IDM 龙头厂商

住友电工集团是世界上最著名的通信厂商之一，其光纤光缆产销量多年来名列世界前列。集团总部位于日本大阪，于1897 年成立，在全球约40 个国家拥有大约28 万名员工。住友电工自成立以来，一直以电线、电缆的制造技术为基础，通过独创性的研究开发和对新事业的不懈挑战，不断创造新产品和新技术，扩大事业领域。目前，通过汽车、信息通信、电子、环境能源、产业原材料这五大事业领域，在全球范围内开展事业。

2017-2021 财年，住友电工营业收入与净利润相对稳定，2021 年公司营业收入为29185.80 亿日元，净利润为563.44 亿日，同比均小幅滑落。住友电工毛利率稳定，近5 年始终维持在18%左右，2021 年净利率为2.36%。

住友电工历史悠久，公司技术研发紧跟时代发展。早在2000 年，着眼于GaN潜力的公司的技术团队开始着手开发“GaN HEMT”，并于2005 年实现样品顺利出货，2006 年开始量产，2007 年该商品被采用于日本国内3G 基站。SEDI在全世界范围内率先实现了“GaN HEMT”的产品化，并且全力推进低成本化，从而推动了GaN HEMT 在全世界范围内的广泛应用。

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