拓墣产业研究 2019-4-11
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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。本文将从 sic 衬底、gan 材料外延、器件设计和制造三个环节来阐述。
sic 衬底
行业观察
sic 衬底产品按照晶体结构主要分 4h-sic 和 6h-sic，4h-sic 为主流产品，按照性能主要分为半导电型和半绝缘型。硅片拉晶时和单晶种子大小无关，但是 sic 的单晶种子的尺寸却直接决定了 sic 的尺寸，目前主流尺寸是 4-6 英寸，8 英寸衬底已由 ii-vi 公司和 cree 公司研制成功。半导电型 sic 衬底以 n 型衬底为主，主要用于外延 gan基 led 等光电子器件、sic 基电力电子器件等。半绝缘型 sic 衬底主要用于外延制造gan 高功率射频器件。
sic 衬底市场的主要供应商有美国 cree（wolfspeed）、 dowcorning、日本罗姆、美国 ii-vi、日本新日铁住金、瑞典 norstel（中国资本收购）等。cree公司的sic衬底占据整个市场40%左右的份额，其次为ⅱ-ⅵ公司、日本 rohm，三者合计占据 75%左右的市场份额。6”半导电型衬底均价约为 1200 美元，6”衬底价格在 4”衬底价格 2 倍以上。
cree 目前的 4”产品没有价格优势，现阶段主要生产 6” sic 产品，占比 95%以上。据拓璞了解，其半导电型 sic 衬底和外延产品在中国由住友商事代理，半绝缘型 sic 衬底目前产线紧张，未能卖往中国市场。
sic 衬底国内供应商主要有山东天岳、天科合达、同光晶体、中科节能、中电科 46 所和北电新材料。目前主要量产的产品为 3 英寸和 4 英寸，山东天岳、天科合达、同光晶体和中科节能均已完成 6 英寸衬底的研发，天科合达可批量提供 6 寸半导电性 sic 衬底。
中国 sic 衬底发展很快，但是仍显不足，目前 70%-80%仍以 cree等公司的进口产品为主，国内厂商的产品约占 10%-20%，主要用于研发和试样，主要原因是供货能力、质量及可靠性方面稍显不足。下游需求主要是中国中车、中电科 55 所和国家电网等企业。但是中国 sic衬底发展很快，目前可以实现 4”衬底的量产，价格相比 cree 有较大优势，2017 年底 4”衬底产能可达 15 万片/年。
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（1）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。
（2）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。
（3）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。
（4）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。
（5）北电新材料
norstel 成立于 2005 年，是从硅晶圆片制造商 okmetic oyj 分离出来的企业，位于瑞典 norrköping 的工厂建成于 2006 年。norstel采用用高温化学气相沉积(htcvd)专利技术，生产高质量大尺寸的sic 衬底和外延片。2017 年三安光电参与管理的基金收购 norstel，其后成立福建北电新材料，2019 年三安选择将 norstel55%股权出售给意法半导体，拓璞推测原因为三安已 norstel 的技术吸收完毕。
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 deviceinnovations）、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。
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（1）住友电工
日本住友电工旗下的 sedi 公司（sumitomo electric deviceinnovations）主要生产 gaas 低噪声放大器（lna）、 gan 放大器、光收发器及模块，其中 gan 放大器可应用于卫星通信、无线基站、雷达站等领域，基站端 gan 放大器包括驱动级 pa 和末级 pa，主要产品为 40w 以下产品，频率在 dc~3.7ghz，主工作频率为 2.65ghz。住友电工为全球 gan 射频器件第一大供应商，同时也是华为gan 射频器件第一大供应商，住友电工还向华为供应大量的光收发器及模块，位列华为 50 大核心供应商之列。除此之外，住友电工垄断全球 gan 衬底市场，其技术在业内处于领先地位。
（2）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 经营 rf 业务。2018 年，cree 以 3.45 亿欧元收购英飞凌 rf 部门，英飞凌为 ldmos 放大器主要供应商，同时拥有 ganon-sic/si 器件生产能力。收购完成后，cree 将成为全球最大的 gan射频器件供应商。cree 除自身生产 gan 射频器件外，还拥有 gan 代工生产能力。wolfspeed 现主要有电力器件、rf 器件及材料三大业务，2018 财年营收为 3.29 亿美元，占 cree 总营收的比例为 22%，相比于 2017 年 2.2 亿美元同比增长 49%。增长的主要原因是器件销售同比增长 30%，器件的平均售价（asp）同比增长 21%。
cree 公司射频放大器产品种类合计 81 个，频率涵盖范围从0.47ghz 到 6.0ghz，其中 3.0ghz 以下采用 ldmos 技术，3.0ghz 采用 gan hemt 技术。gtra364002fc 、 gtra362802fc 和gtra362002fc 为 gan 放大器高功率产品，最高峰值功率达 400w，主要应用于 5g 基站。此外，cree 拥有众多低功率 gan 射频产品，平均功率为 10w 以下，主要应用于 wimax 和 bwa，未来有望于在小基站领域应用。
（3）qorvoqorvo
qorvoqorvo 从 1999 年起推动 gan 研究，qorvo 能提供 sub-6ghz、厘米波/毫米波无线射频产品。qorvo 在国防和有线行业的 gan-onsic 亚博88体育的解决方案供应量全球第一。qorvo 的所有 gan 产品在 200℃条件下的平均无故障时间（mttf）均超过 107 小时，还是能承受高加速应力测试（hast）的器件。此项测试在 105℃、85%相对湿度且大气压不超过 4atm 的条件下对器件性能进行 96 小时的测量。qorvo 营收主要由两大部门构成，即移动器件部门（mp）和基础设施及国防器件部门（idp）。 idp 器件部门提供 gaas 和 gan 放大器、lna、射频开关等。idp 部门 2018 财年营收为 7.9 亿美元，同比增长 29.9%，主要原因是国防及航空领域的旺盛需求，以及 wifi 模块的销售高速增长。
qorvo 在 2018 年 3 月推出了全球功率最高的碳化硅基氮化镓(gan-on-sic) rf晶体管-qpd1025，qpd1025在65v下运行1.8kw，与 ldmos 相比，qpd1025 的漏极效率有了显著提升，效率高出近15 个百分点， qpd1025 主要应用在航空及国防领域。qorvo 在 5g 基础设施领域的产品众多，包括放大器、低噪声放大器（lna）、数字步进衰减器、射频开关等。18ghz 以上的 pa 合计达 13 款，最高频率可达 47ghz。基站端的主要产品是 qpa 系列和qpd 系列，qpd0020 的漏极效率达到了 77.8%，行业内处于领先地位。
（4）macom
macom 收购 nitronex，获得了 gan-on-si 技术，成本比 ganon-si 低许多。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。macom 和意法半导体（st）展开合作，将在意大利 catania 和新加坡分别建设射频放大器晶圆厂，主要是 6”/8”的 gan-on-si 产品，两个基地在 2022 年产值预计达 30 亿美元，制程工艺由 0.5μm向 0.25μm 和 0.15μm 演进。2019mwc 会议上，macom 发布了 magx-102731-180 pa 产品，频率范围为 2.7-3.1ghz，峰值输出功率达 180w，漏极效率大于50%。从图 7 上看，50v/100ma 情形下，gan-on-sic 产品和 macomgan-on-si 产品 pout 值高于 ldmos 产品，macom gan-on-si 产品甚至优于 gan-on-sic 产品。
macom 公司的 gan-on-si 放大器产品如表10 所示，高频段产品 magx-011086 输出功率和效率不是很高，2019mwc 大会发布的magx-102731-180 未来有望在市场上有较好的表现。
（5）ampleon
2015 年，ampleon 承接了从 nxp 中剥离出来的射频部门，北京建广资产收购后组建 ampleon 集团。2016 年，ampleon 在合肥开设rf 能源卓越中心，ampleon 生产的 ldmos 和 gan 射频器件供应全球通讯设备厂商，如华为、诺基亚、爱立信、中兴以及三星等。ampleon 产品可应用于国防及航空航天、手机射频、广播及无线通信领域。ampleon 现阶段出货量最大的仍是 ldmos 产品，主要为 2.4ghz-2.7ghz 频段。ampleon 的 gan 放大器产品主要分 2 个频段，3.5ghz 以下和6.1ghz 以下，clf1g0035-200p 的最高输出功率达 200w，漏极效率为 48%。clf1g0035 系列产品为高功率产品，主要应用于宏基站、国防及航空领域。clf1g0060 系列产品为低功率产品，输出功率不高于30w，主要应用为小基站。
（6）苏州能讯
苏州能讯成立于 2007 年，是中国比较领先的 gan 射频功率器件的 idm 公司。根据从苏州能讯半导体总经理任勉所获得的信息，苏州能讯从成立到现在已经进行了三轮融资，总共投入约 10 亿人民币，其第一规模工厂（fab1）位于苏州昆山高新区，工厂占地 55 亩，厂房面积为 18000 平方米，经过第三轮 5 亿元融资后，现有产线改造扩容结束将具备年处理 4 英寸 gan 晶圆 5 万片/年（约折合 2000 万支器件）的能力。若 gan 器件在 5g 市场部署时如期爆发，苏州能讯未来将规划建设 fab2， fab2 规划为 6 英寸产线，资本投入将会是 fab1的三倍以上。苏州能讯推出了频率高达 6ghz、工作电压 48/28v、输出功率从10w-390w 的射频器件。在移动通信方面，苏州能讯可提供适应 4g及 5g 的高效率和高增益的射频器件，工作频率涵盖 1.8-3.8ghz，工作电压 48v，设计功率从 130w-390w，平均功率为 16w-55w。
（7）英诺赛科
英诺赛科由海归创业团队成立，拥有硅基 gan 外延生长及器件制造能力。一期项目位于珠海市国家级高新区，主要建设 8 英寸增强型硅基氮化镓外延与器件大规模量产生产线，主要产品包括 100v650v 8 英寸硅基氮化镓外延片、100v-650v 氮化镓功率器件、氮化镓集成电路。2018 年，英诺赛科斥资 60 亿在苏州吴江建立生产线，产品规划覆盖低压至高压半导体功率器件和射频器件。目前还没有gan-on-sic 射频产品。
（8）海威华芯
成都海威华芯科技有限公司由海特高新和央企中电科 29 所合资组建。2015 年 1 月，海特高新以 5.55 亿元收购海威华芯原股东股权，并以增资的方式取得海威华芯 52.91%的股权，成为其控股股东，从而涉足高端化合物半导体集成电路芯片研制领域。海威华芯是一家纯晶圆代工企业，是国内较为领先的 6”gaas 晶圆代工企业，主要为军工企业服务。海威华芯 6 英寸第二代/第三代半导体集成电路芯片生产线于 2011 年开工建设， 2016 年 4 月完成工程建设，于 2016 年 8 月投入试生产。该生产线设计产能为 6” gaas芯片 40000 片/年，gan 芯片 30000 片/年，sip 封装（微波组件）30000 片/年。但实际工程建设中，sip 封装（微波组件）并未建设。此外，海威华芯正在积极涉足 gan 功率器件及射频器件领域，其 0.5μm 的 hemt 工艺技术在 6” gan 上验证成功。
（9）三安集成
三安集成是中国第一家 6 英寸化合物半导体晶圆制造企业，规划中的产品包括用于射频、毫米波、电力电子和光通信市场的砷化镓(gaas) hbt、phemt、bihemt、ipd、滤波器、氮化镓(gan)功率器件hemt、碳化硅(sic)和磷化铟(inp)。三安集成通讯微电子器件项目位于厦门火炬（翔安）产业园，总投资为 30 亿元。规划产能为 30 万片/年 gaas 高速半导体外延片及 30 万片/年 gaas 高速半导体芯片、6万片/年 gan 高功率半导体外延片及 6 万片/年 gan 高功率半导体芯片。根据渠道消息获知，三安集成的 pa、电力电子器件已经正常出货。
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拓璞观点
观点一：
gan 放大器市场将在 2020 年迎来爆发2019 年中国 5g 建设元年， 2020 年为爆发年，依据本文的测算，基站端 gan 放大器市场规模达 32.7 亿元，同比增长 340.8%。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。
观点二：
中国 sic 衬底和 gan 放大器企业将迎来大机遇。山东天岳、天科合达、同光晶体、中科节能、中电科 46 所和北电新材料是构成中国 sic 衬底的主要企业，目前主要生产 4” 半导电型 sic 衬底，年产能约为 15 万片/年，市场需求在 20 万片/年以上，产能将继续扩张。
但是用于 gan 放大器生产用的半绝缘型 sic 衬底目前出货较少，河北同光和中科节能能少量出货。由于 cree 半绝缘型产品产能紧张，中国半绝缘型 sic 衬底市场将持续紧张。gan 放大器以 idm 企业为主，中国苏州能讯和将在合肥落地的安谱隆是少数几家拥有出货能力的 gan 放大器企业。
现阶段 50v 工作电压，频率在 3.5ghz 以下的 gan 放大器价格在 10 美元-12 美元之间。若苏州能讯 4 英寸 gan 晶圆 5 万片的年产能完全达产，产值将达 2 亿美元。此外，英诺赛科、大连芯冠、海威华芯、三安集成都在积极布局 gan 放大器市场。中国 5g 建设给 gan 放大器企业提供了巨大机遇。