突破 Si 的瓶頸，SiC/GaN 具備性能上的優勢。

Si 作為集成電路最基礎的材料，構築了整個信息產業的最底層支撐。人類對 Si 性能的探索已經非常成熟，然而一些固有的缺點卻無法逾越，如光學性能、高壓高頻性能等。與此同時所謂第三代半導體（寬禁帶半導體）以其恰好彌補 Si 的不足而逐步受到半導體行業青睞，成為繼 Si 之後最有前景的半導體材料。隨著 5G、汽車等新市場出現，SiC/GaN 不可替代的優勢使得相關產品的研發與應用加速；隨著製備技術的進步，SiC 與 GaN 器件與模塊在成本上已經可以納入備選方案內，需求拉動疊加成本降低， SiC/GaN 的時代即將迎來。

SiC：極限功率器件的理想材料。SiC 器件相對於 Si 器件的優勢主要來自三個方面：降低電能轉換過程中的能量損耗、更容易實現小型化、更耐高溫高壓。SiC 最大的應用市場來自汽車，與傳統解決方案相比，基於 SiC的解決方案使系統效率更高、重量更輕及結構更加緊湊。目前 SiC 器件在EV/HEV 上應用主要是功率控制單元（PCU）、逆變器、DC-DC 轉換器、車載充電器等方面。全球 SiC 產業格局呈現美國、歐洲、日本三足鼎立態勢。其中美國全球獨大，佔全球 SiC 產量的 70%~80%；歐洲擁有完整的SiC 襯底、外延、器件以及應用產業鏈；日本是設備和模塊開發方面的領先者。中國企業在襯底、外延和器件方面均有所佈局，但是體量均較小。

GaN：5G 應用的關鍵材料。相較於已經發展十多年的 SiC，GaN 功率器件是後進者，它擁有類似 SiC 性能優勢的寬禁帶材料，但擁有更大的成本控制潛力，在射頻微波領域和電力電子領域都有廣泛的應用。GaN 是射頻器件的合適材料，特別是高頻應用，這在 5G 時代非常重要。電力電子方面，GaN 功率器件因其高頻高效率的特點而在消費電子充電器、新能源充電樁、數據中心等領域有著較大的應用潛力。目前 GaN 產業仍舊以海外企業為主，國內企業在襯底外延和設計製造領域都逐漸開始涉足，其中三安集成已經能提供成熟的 GaN RF/GaN Power 代工工藝。

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一、硅的瓶頸與寬禁帶半導體的興起

（一）Si 材料的歷史與瓶頸

上世紀五十年代以來，以硅（Si）材料為代表的第一代半導體材料取代了笨重的電子管引發了集成電路（IC）為核心的微電子領域迅速發展。然而，由於硅材料的帶隙較窄、電子遷移率和擊穿電場較低，Si 在光電子領域和高頻高功率器件方面的應用受到諸多限制，在高頻下工作性能較差，不適用於高壓應用場景，光學性能也得不到突破。

隨著 Si 材料的瓶頸日益突出，以砷化鎵（GaAs）為代表的第二代半導體材料開始嶄露頭角，使半導體材料的應用進入光電子領域，尤其是在紅外激光器和高亮度的紅光二極管等方面。第三代半導體材料的興起，則是以氮化鎵（GaN）材料 p 型摻雜的突破為起點，以高亮度藍光發光二極管（LED）和藍光激光器（LD）的研製成功為標誌，包括 GaN、碳化硅（SiC）和氧化鋅（ZnO）等寬禁帶材料。

第三代半導體（本文以 SiC 和 GaN 為主）又稱寬禁帶半導體，禁帶寬度在 2.2eV 以上，具有高擊穿電場、高飽和電子速度、高熱導率、高電子密度、高遷移率等特點，逐步受到重視。SiC 與 GaN 相比較，前者相對 GaN 發展更早一些，技術成熟度也更高一些；兩者有一個很大的區別是熱導率，這使得在高功率應用中，SiC 佔據統治地位；同時由於 GaN具有更高的電子遷移率，因而能夠比 SiC 或 Si 具有更高的開關速度，在高頻率應用領域，GaN 具備優勢。

（二）SiC/GaN：穩定爬升的光明期

雖然學術界和產業界很早認識到 SiC和GaN相對於傳統 Si 材料的優點，但是由於製造設備、製造工藝與成本的劣勢，多年來只是在小範圍內得到應用，無法挑戰 Si 基器件的統治地位，但是隨著 5G、汽車等新市場出現，SiC/GaN 不可替代的優勢使得相關產品的研發與應用加速；隨著製備技術的進步，SiC 與 GaN 器件與模塊在成本上已經可以納入備選方案內，需求拉動疊加成本降低， SiC/GaN 的時代即將迎來。

二、SiC：極限功率器件的理想材料

（一）SiC：極限功率器件的理想的材料

SiC 是由硅和碳組成的化合物半導體材料，在熱、化學、機械方面都非常穩定。C 原子和 Si 原子不同的結合方式使 SiC 擁有多種晶格結構，如4H、6H、3C 等等。4H-SiC 因為其較高的載流子遷移率，能夠提供較高的電流密度，常被用來做功率器件。

SiC 從上個世紀 70 年代開始研發，2001 年 SiC SBD 商用，2010 年 SiC MOSFET 商用，SiC IGBT 還在研發當中。隨著 6 英寸 SiC 單晶襯底和外延晶片的缺陷降低和質量提高，使得 SiC 器件製備能夠在目前現有 6英寸Si 基功率器件生長線上進行，這將進一步降低SiC材料和器件成本，推進 SiC 器件和模塊的普及。

SiC 器件相對於 Si 器件的優勢主要來自三個方面：降低電能轉換過程中的能量損耗、更容易實現小型化、更耐高溫高壓。

• 降低能量損耗。SiC 材料開關損耗極低，全 SiC 功率模塊的開關損耗大大低於同等 IGBT模塊的開關損耗，而且開關頻率越高，與 IGBT模塊之間的損耗差越大，這就意味著對於 IGBT 模塊不擅長的高速開關工作，全 SiC 功率模塊不僅可以大幅降低損耗還可以實現高速開關。
• 低阻值使得更易實現小型化。SiC 材料具備更低的通態電阻，阻值相同的情況下可以縮小芯片的面積，SiC 功率模塊的尺寸可達到僅為 Si 的 1/10 左右。
• 更耐高溫。SiC 的禁帶寬度 3.23ev，相應的本徵溫度可高達 800 攝氏度，承受的溫度相對 Si 更高；SiC 材料擁有 3.7W/cm/K 的熱導率，而硅材料的熱導率僅有 1.5W/cm/K，更高的熱導率可以帶來功率密度的顯著提升，同時散熱系統的設計更簡單，或者直接採用自然冷卻。

（二）SiC 產業鏈：歐美佔據關鍵位置

SiC 生產過程分為 SiC 單晶生長、外延層生長及器件製造三大步驟，對應的是產業鏈襯底、外延、器件與模組三大環節。

• SiC 襯底：SiC 晶體通常用 Lely 法制造，國際主流產品正從 4 英寸向 6 英寸過渡，且已經開發出 8 英寸導電型襯底產品，國內襯底以4 英寸為主。由於現有的 6 英寸的硅晶圓產線可以升級改造用於生產 SiC 器件，所以 6 英寸 SiC 襯底的高市佔率將維持較長時間。
• SiC 外延：通常用化學氣相沉積（CVD）方法制造，根據不同的摻雜類型，分為 n 型、p 型外延片。國內瀚天天成、東莞天域已能提供 4 寸/6 寸 SiC 外延片。
• SiC 器件：國際上 600~1700V SiC SBD、MOSFET 已經實現產業化，主流產品耐壓水平在 1200V 以下，封裝形式以 TO 封裝為主。價格方面，國際上的 SiC 產品價格是對應 Si 產品的 5~6 倍，正以每年 10%的速度下降，隨著上游材料器件紛紛擴產上線，未來 2~3年後市場供應加大，價格將進一步下降，預計價格達到對應 Si 產品2~3 倍時，由系統成本減少和性能提升帶來的優勢將推動 SiC 逐步佔領 Si 器件的市場空間。

全球 SiC 產業格局呈現美國、歐洲、日本三足鼎立態勢。其中美國全球獨大，全球 SiC 產量的 70%~80%來自美國公司，典型公司是 Cree、Ⅱ -Ⅵ；歐洲擁有完整的 SiC 襯底、外延、器件以及應用產業鏈，典型公司是英飛凌、意法半導體等；日本是設備和模塊開發方面的領先者，典型公司是羅姆半導體、三菱電機、富士電機等。

國內企業在 SiC 方面也多有佈局。SiC 襯底方面，天科合達、山東天嶽、同光晶體等均能供應 3 英寸~6 英寸的單晶襯底。SiC 外延片方面，廈門瀚天天成與東莞天域生產 3 英寸~6 英寸 SiC 外延片。SiC 器件 IDM 方面，中電科55所是國內少數從4-6寸碳化硅外延生長、芯片設計與製造、模塊封裝領域實現全產業鏈的企業單位，其 6 英寸碳化硅中試線已投入運行，旗下的控股子公司揚州國揚電子為“寬禁帶電力電子器件國家重點實驗室”的重要實體單位，專業從事以碳化硅為代表的新型半導體功率模塊的研製和批產，現有一條於 2017 年投產、產能 50 萬隻/年的模塊工藝線。泰科天潤已經量產 SiC SBD，產品涵蓋 600V/5A～50A、 1200V/5A～50A 和 1700V/10A 系列。深圳基本半導體擁有獨創的 3D SiC 技術，推出的 1200V SiC MOSFET 性能達到業界領先水平。SiC 器件 Fabless 方面，上海瞻芯電子於 2018 年 5 月成功地在一條成熟量產的 6 英寸工藝生產線上完成 SiC MOSFET 的製造流程。代工方面，三安光電旗下的三安集成於 2018 年 12 月公佈商業版本的 6 英寸碳 SiC 晶圓製造流程，並將其加入到代工組合當中。根據公司新聞稿，目前三安SiC 工藝技術可以為 650V、1200V 和更高額定電壓的肖特基勢壘二極管（SBD）提供器件結構，公司預計在不久後會推出針對 900V、1200V和更高額定電壓的 SiC MOSFETs 產品。

（三）SiC 市場：汽車是最大驅動力

SiC 器件正在廣泛地被應用在電力電子領域中，典型市場包括軌交、功率因數校正電源（PFC）、風電（wind）、光伏（PV）、新能源汽車（EV/HEV）、充電樁、不間斷電源（UPS）等。根據 Yole 的預測，2017~2023 年， SiC 功率器件市場將以每年 31%的複合增長率增長，2023 年將超過 15億美元；而 SiC 行業龍頭 Cree 則更為樂觀，其預計短期到 2022 年， SiC 在電動車用市場空間將快速成長到 24 億美元，是 2017 年車用 SiC整體收入（700 萬美元）的 342 倍。

SiC 是製作高溫、高頻、大功率、高壓器件的理想材料之一，技術也已經趨於成熟，令其成為實現新能源汽車最佳性能的理想選擇。與傳統解決方案相比，基於 SiC 的解決方案使系統效率更高、重量更輕及結構更加緊湊。目前SiC器件在 EV/HEV上應用主要是功率控制單元、逆變器、 DC-DC 轉換器、車載充電器等方面。

新能源車的功率控制單元（PCU）。PCU 是汽車電驅系統的中樞神經，管理電池中的電能與電機之間的流向、傳遞速度。傳統 PCU 使用硅基材料半導體制成，強電流與高壓電穿過硅制晶體管和二極管的時的電能損耗是混合動力車最主要的電能損耗來源。而使用 SiC 則大大降低了這一過程中能量損失，將傳統 PCU 配備的 Si 二極管置換成 SiC 二極管，Si IGBT 置換成 SiC MOSFET，就可以降低 10%的總能量損耗，同時也可以大幅降低器件尺寸，使得車輛更為緊湊。豐田中央研發實驗室（CRDL）和電裝公司從 1980 年代就開始合作開發 SiC 半導體材料， 2014 年雙方正式發佈了基於 SiC 半導體器件的新能源汽車 PCU，是這一領域的典型代表。

車用逆變器。SiC 用在車用逆變器上，能夠大幅度降低逆變器尺寸及重量，做到輕量化與節能。在相同功率等級下，全 SiC 模塊的封裝尺寸顯著小於 Si 模塊，同時也可以使開關損耗降低 75％（芯片溫度為 150°C）；在相同封裝下，全 SiC 模塊具備更高電流輸出能力，支持逆變器達到更高功率。特斯拉 Model 3 採用了意法半導體（後來增加了英飛凌）生產的SiC逆變器，是第一家在主逆變器中集成全SiC功率模塊的車企。2017年 12 月 2 日，ROHM 為 VENTURI 車隊在電動汽車全球頂級賽事“FIAFormula E” 錦標賽第四賽季中提供了採用全SiC 功率模塊製造的逆變器，使得相對於第二賽季的逆變器尺寸下降 43%，重量輕了 6kg。

車載充電器。SiC 功率器件正在加速其在車載充電器領域的應用趨勢，在今年的功率器件展 PCIM Europe 2018（2018 年 6 月 5~7 日在德國紐倫堡舉行）上，多家廠商推出了面向 HEV/EV 等電動汽車充電器的 SiC功率器件產品。據 Yole 統計，截至 2018 年有超過 20 家汽車廠商在自家車載充電器中採用 SiC SBD或 SiC MOSFET 器件，且這一市場在2023 年之前保持 44%的增長。

（四）重要 SiC 企業梳理

1、Cree

Cree 旗下的 Wolfspeed 是生產 SiC 肖特基二極管、SiC MOSFET 元件以及模塊，以及 GaN 器件的先驅公司，在 SiC/GaN 材料方面具有 30年經驗，在 SiC 功率市場與 GaN 射頻器件市場具有領導地位。

在 SiC 功率器件市場，Wolfspeed 佔據市場最大的份額，是行業第一家商用 SiC MOSFET 的企業，服務上千家客戶；在GaN 射頻器件市場， Wolfspeed 市場份額位居第二，具備十年以上的 GaN HEMT 生產經驗，出貨量超過 1500 萬隻；在 SiC 材料市場，Wolfspeed 是第一家提供商業化 SiC 晶圓產品的企業（1991 年），且在其後的 30 年發展中引領了SiC 晶圓尺寸的由小變大（目前為 8 寸），是名副其實的市場引領者。

Wolfspeed同時提供 GaN-on-SiC 代工服務，改變了行業傳統的 IDM業態。作為 GaN-on-SiC MMIC 技術的領導者，公司運用世界上最大的寬禁帶半導體生產線為客戶提供從設計協助到製造、測試服務，縮短下游客戶產品推出週期。國內三安集成的 GaN 代工服務與之類似。

Wolfspeed雖然目前是Cree三大部門（LED、LED照明應用、Wolfspeed）中體量最小的，但已經是公司最核心的業務部門。Wolfspeed 2018 年實現營收 3.29 億美元，同比增長 25.47%；毛利率高達 47%。根據公開業績說明會，Wolfspeed 的目標是在 2022 年收入番兩番，達到 8.5 億美元，屆時將成為 Cree 最大的收入來源。在 Wolfspeed 看來，到 2022年只要有25%的目標市場轉換為SiC和GaN，就將是20億美元的市場，是現今市場的 8 倍，公司為極具潛力的 SiC 和 GaN 已經做好了準備。

2、英飛凌

Infineon是市場上唯一一家提供涵蓋 Si、SiC 和 GaN 等材料的全系列功率產品的公司，開發的CoolSiC技術具備非常大的潛力。Infineon於1992年開始 SiC 領域研發，2001 全球首次 SiC 二極管推出商業市場，於 2006年推出全球首個採用 SiC 組件的商用電源模塊，目前已經已經發展至第五代。公司近年在奧地利投入三千五百萬歐元對 SiC 設備和相關工藝的研發。

2018 年 2 月 Infineon 與 Cree 宣佈簽訂了戰略性長期供貨協議，負責向後者提供SiC 晶圓；11 月收購 Siltectra 獲得 Cold Split 技術，相比傳統研磨 90％的材料浪費，該技術將耗材成本降低 50％，並將整體切片成本降低 30％。

3、ROHM（羅姆半導體）

ROHM 是日本首家、全球第四傢俱備 SiC 器件量產能力的半導體廠商，其優勢在於實現從襯底到模塊的垂直整合。根據 Yole 的統計，Infineon和 Cree 兩家公司佔據了整個 SiC 市場份額 68%，其後便是 ROHM。為了把握 SiC 材料快速增長的機遇，根據公開業績說明會，公司計劃分批投入共計 600 億日幣，至 2025 年時將 SiC 的產能提升至 2017 年的 16倍。力爭到 2025 年，ROHM 能在全球 SiC 市場的份額達到 30%。

ROHM 專注於汽車和工業市場。截至 2017 財年，汽車和工業的銷售已經佔到總銷售額的 44%，根據公司業績說明會，預計 2020 年更將達到50%，其中汽車佔 35%，工業佔 15%。公司預計汽車、工業方面將分別實現年均增長 11%、13%(2017 年 3 月—2021 年 3 月)。

三、GaN：5G 應用的關鍵材料

（一）GaN：承上啟下的寬禁帶半導體材料

GaN 材料與 Si/SiC 相比有獨特優勢。GaN 與 SiC 同屬於第三代寬禁帶半導體材料，相較於已經發展十多年的 SiC，GaN 功率器件是後進者，它擁有類似 SiC 性能優勢的寬禁帶材料，但擁有更大的成本控制潛力。與傳統 Si 材料相比，基於 GaN 材料製備的功率器件擁有更高的功率密度輸出，以及更高的能量轉換效率，並可以使系統小型化、輕量化，有效降低電力電子裝置的體積和重量，從而極大降低系統製作及生產成本。

GaN 是極穩定的化合物，又是堅硬的高熔點材料，熔點約為 1700℃， GaN 具有高的電離度，在Ⅲ—Ⅴ族化合物中是最高的（0.5 或 0.43）。在大氣壓力下，GaN 晶體一般是六方纖鋅礦結構。

GaN 器件逐步步入成熟階段。基於 GaN 的 LED 自上世紀 90 年代開始大放異彩，目前已是 LED 的主流，自 20 世紀初以來，GaN 功率器件已經逐步商業化。2010 年，第一個 GaN 功率器件由 IR 投入市場，2014年以後，600V GaN HEMT 已經成為 GaN 器件主流。2014 年，行業首次在 8 英寸 SiC 上生長 GaN 器件。

隨著成本降低，GaN 市場空間持續放大。

GaN與 SiC、Si 材料各有其優勢領域，但是也有重疊的地方。GaN 材料電子飽和漂移速率最高，適合高頻率應用場景，但是在高壓高功率場景不如 SiC；隨著成本的下降， GaN 有望在中低功率領域替代二極管、IGBT、MOSFET 等硅基功率器件。以電壓來分，0~300V 是 Si 材料佔據優勢，600V 以上是 SiC 佔據優勢，300V~600V 之間則是 GaN 材料的優勢領域。根據 Yole 估計，在0~900V 的低壓市場，GaN 都有較大的應用潛力，這一塊佔據整個功率市場約68%的比重，按照整體市場 154 億美元來看，GaN 潛在市場超過 100 億美元。

GaNRF 市場即將大放異彩。根據 Yole 估計，大多數低於 6GHz 的宏網絡單元實施將使用 GaN 器件，到 2023 年，GaN RF 器件市場規模達到13 億美元。

（二）GaN 在電力電子領域與微波射頻領域均有優勢

GaN 在電力電子領域主要優勢在於高效率、低損耗與高頻率。GaN 材料的這一特性使得其在消費電子充電器、新能源充電樁、數據中心等領域具有很大的應用前景。

• 高轉換效率：GaN 的禁帶寬度是 Si 的 3 倍，擊穿電場是 Si 的 10倍。因此，同樣額定電壓的 GaN 開關功率器件的導通電阻比 Si 器件低 3 個數量級，大大降低了開關的導通損耗。
• 低導通損耗：GaN 的禁帶寬度是 Si 的 3 倍，擊穿電場是 Si 的 10倍。因此，同樣額定電壓的 GaN 開關功率器件的導通電阻比 Si 器件低 3 個數量級，大大降低了開關的導通損耗。
• 高工作頻率：GaN 開關器件寄生電容小，工作效率可以比 Si 器件提升至少 20 倍，大大減小了電路中儲能原件如電容、電感的體積，從而成倍地減少設備體積，減少銅等貴重原材料的消耗。

GaN 在微波射頻領域主要優勢在於高效率、大帶寬與高功率。為射頻元件材料，GaN 在電信基礎設施和國防軍工方面應用已經逐步鋪展開來。

• 更高效率：降低功耗，節省電能，降低散熱成本，降低總運行成本。
• 更大的帶寬：提高信息攜帶量，用更少的器件實現多頻率覆蓋，降低客戶產品成本。也適用於擴頻通信、電子對抗等領域。
• 更高的功率：在 4GHz 以上頻段，可以輸出比 GaAs 高得多的頻率，特別適合雷達、衛星通信、中繼通信等領域。

（三）GaN 產業鏈：海外企業為主，國內企業逐步涉足

GaN 與 SiC 產業鏈類似，GaN 器件產業鏈各環節依次為：GaN 單晶襯底（或 SiC、藍寶石、Si）→GaN 材料外延→器件設計→器件製造。目前產業以 IDM 企業為主，但是設計與製造環節已經開始出現分工，如傳統硅晶圓代工廠臺積電開始提供 GaN 製程代工服務，國內的三安集成也有成熟的 GaN 製程代工服務。各環節相關企業來看，基本以歐美企業為主，中國企業已經有所涉足。

GaN 襯底：主流產品以 2~3 英寸為主，4 英寸也已經實現商用。GaN襯底主要由日本公司主導，日本住友電工的市場份額達到 90%以上。我國目前已實現產業化的企業包括蘇州納米所的蘇州納維科技公司和北京大學的東莞市中鎵半導體科技公司。

GaN 外延片：根據襯底的不同主要分為 GaN-on-Si、GaN-on-SiC、 GaN-on-sapphire、GaN-on-GaN 四種。GaN-on-Si：目前行業生產良率較低，但是在降低成本方面有著可觀的潛力：因為 Si 是最成熟、無缺陷、成本最低的襯底材料；同時 Si可以擴展到 8 寸晶圓廠，降低單位生產成本，使其晶圓成本與 SiC 基相比只有其百分之一；Si 的生長速度是 SiC 晶體材料的 200 至 300 倍，還有相應的晶圓廠設備折舊以及能耗成本上的差別等。GaN-on-Si 外延片主要用於製造電力電子器件，其技術趨勢是優化大尺寸外延技術。GaN-on-SiC：結合了 SiC 優異的導熱性和的 GaN 高功率密度和低損耗的能力，是 RF 的合適材料。受限於SiC 的襯底，目前尺寸仍然限制在 4 寸與 6 寸，8 寸還沒有推廣。GaN-on-SiC外延片主要用於製造微波射頻器件。GaN-on- sapphire：主要應用在 LED 市場，主流尺寸為 4 英寸，藍寶石襯底 GaN LED 芯片市場佔有率達到 90%以上。

GaN- on- GaN：採用同質襯底的 GaN 主要應用市場是藍/綠光激光器，應用於激光顯示、激光存儲、激光照明等領域。

GaN 器件設計與製造：GaN 器件分為射頻器件和電力電子器件，射頻器件產品包括 PA、LNA、開關器、MMIC 等，面向基站衛星、雷達等市場；電力電子器件產品包括 SBD、常關型 FET、常開型 FET、級聯（Cascode）FET 等產品，面向無線充電、電源開關、包絡跟蹤、逆變器、變流器等市場。按工藝分，則分為 HEMT、HBT 射頻工藝和 SBD、 Power FET 電力電子器件工藝兩大類。

（四）GaN 市場：射頻是主戰場，5G 是重要機遇

GaN 是射頻器件的合適材料。目前射頻市場主要有三種工藝：GaAs 工藝，基於 Si 的 LDMOS（橫向擴散金屬氧化物半導體）工藝，以及 GaN工藝。GaAs 器件的缺點是器件功率較低，低於 50W。LDMOS 器件的缺點是工作頻率存在極限，最高有效頻率在3GHz 以下。GaN 彌補了GaAs 和 Si 基 LDMOS 兩種老式技術之間的缺陷，在體現GaAs 高頻性能的同時，結合了 Si 基 LDMOS 的功率處理能力。

在射頻 PA 市場， LDMOS PA 帶寬會隨著頻率的增加而大幅減少，僅在不超過約 3.5GHz 的頻率範圍內有效，採用 0.25微米工藝的 GaN 器件頻率可以高達其 4 倍，帶寬可增加 20%，功率密度可達 6~8 W/mm （LDMOS 為 1~2W/mm），且無故障工作時間可達 100萬小時，更耐用，綜合性能優勢明顯。

在更高的頻段（以及低功率範圍），GaAs PA 是目前市場主流，出貨佔比佔 9 成以上。GaAs RF 器件相比，GaN 優勢主要在於帶隙寬度與熱導率。帶隙寬度方面，GaN 的帶隙電壓高於 GaAs（3.4 eV VS1.42 eV），GaN 器件具有更高的擊穿電壓，能滿足更高的功率需求。熱導率方面， GaN-on-SiC 的熱導率遠高於 GaAs，這意味著器件中的功耗可以更容易地轉移到周圍環境中，散熱性更好。

GaN 是 5G 應用的關鍵技術。5G 將帶來半導體材料革命性的變化，隨著通訊頻段向高頻遷移，基站和通信設備需要支持高頻性能的射頻器件， GaN 的優勢將逐步凸顯，這正是前一節討論的地方。正是這一優勢，使得 GaN 成為 5G 的關鍵技術。

在 Massive MIMO 應用中，基站收發信機上使用大數量（如 32/64 等）的陣列天線來實現了更大的無線數據流量和連接可靠性，這種架構需要相應的射頻收發單元陣列配套，因此射頻器件的數量將大為增加，使得器件的尺寸大小很關鍵，利用 GaN 的尺寸小、效率高和功率密度大的特點可實現高集化的解決方案，如模塊化射頻前端器件。除了基站射頻收發單元陳列中所需的射頻器件數量大為增加，基站密度和基站數量也會大為增加，因此相比 3G、4G 時代，5G 時代的射頻器件將會以幾十倍、甚至上百倍的數量增加。在

5G 毫米波應用上，GaN 的高功率密度特性在實現相同覆蓋條件及用戶追蹤功能下，可有效減少收發通道數及整體方案的尺寸。

GaN 在電力電子器件領域多用於電源設備。由於結構中包含可以實現高速性能的異質結二維電子氣，GaN 器件相比於 SiC 器件擁有更高的工作頻率，加之可承受電壓要低於 SiC 器件，所以 GaN 電力電子器件更適合高頻率、小體積、成本敏感、功率要求低的電源領域，如輕量化的消費電子電源適配器、無人機用超輕電源、無線充電設備等。

GaN 電力電子器件增速最快的是快充市場。2018 年，世界第一家 GaN IC 廠商 Navitas 和 Exagan 推出了帶有集成GaN 解決方案（GaNFast™）的 45W 快速充電電源適配器，此 45W 充電器與 Apple USB-C 充電器相比，兩者功率相差不大，但是體積上完全是不同的級別，內置 GaN 充電器比蘋果充電器體積減少 40%。目前來看，採用 GaN 材料的快速充電器已成星火燎原之勢，有望成為行業主流。

（五）重要 GaN 企業梳理

1、Macom

Macom 是硅基 GaN 的引領者，公司在北美、歐洲和亞洲擁有多個研發中心，具備超過 65 年的射頻微波器件生產歷史。公司產品線廣泛，從射頻到光器件都有所涉及，下游客戶主要包括數據中心，電信以及工業和國防等。Macom 的硅基 GaN 器件主要用於基站，目標是替代 LDMOS以及 SiC 基 GaN。

2、Transphorm

Transphorm創立於 2007 年，覆蓋 GaN 完整產業鏈，從 EPI 到設計、製造，是業內領先的 GaN 器件供應商。公司能生產業內唯一符合 JEDEC認證、AEC-Q101 認證的 GaN 產品，能夠滿足汽車行業的高標準要求。從 2014 年發佈第一代產品開始，至今已經到第三代，產品線逐步完善。公司於 2015 年獲得 KKR 7000 萬美元投資，於 2017 年獲得 1500 萬美元投資。

3、蘇州能訊

蘇州能訊創立於 2007 年，是國內一家 GaN 電子器件生產企業，主要聚焦於 GaN 在微波射頻與電力電子領域。公司採用 IDM 模式，自主開發了氮化鎵材料生長、芯片設計、晶圓工藝、封裝測試、可靠性與應用電路技術。2009 年公司生產出第一個 2000V 高壓開關功率器件產品，並在 2010 年完成了中國第一個通訊基站用 120W 氮化鎵功放芯片的開發， 2014 年全球發佈業界領先的量產氮化鎵射頻微波器件。

蘇州能訊在江蘇崑山國家高新區建成了中國第一家氮化鎵（GaN）電子器件工廠，廠區佔地 55 畝，累計投資 10 億元。首期產能為 3 寸 GaN晶圓 6000 片，2018 年生產線通過升級改造達到年處理 4 寸氮化鎵 5 萬片的能力。

4、三安集成

三安光電是 LED 芯片龍頭，在 2014 年進入三五族化合物半導體領域，目前已經搭建成涵蓋微波射頻、高功率電力電子、光通訊等領域的化合物半導體制造平臺，具備襯底材料、外延生長、以及芯片製造的產業整合能力，擁有大規模、先進製程能力的 MOCVD 外延生長製造線。在微波射頻領域，當前已推出具有國際競爭力的 GaAs HBT、pHEMT 以及GaN、SiC 等面向射頻應用的先進製程工藝，已建成專業化、規模化的4 寸、6 寸化合物晶圓製造產線，來滿足射頻無線通信及毫米波客戶的代工需求，是國內稀缺的 5G 射頻器件代工商。

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