GaN:5G應用的關鍵材料，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°C，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，600VGaNHEMT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，GaNRF器件市場規模達到13億美元。

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。

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。

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的生長速度是於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GaNLED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、PowerFET電力電子器件工藝兩大類。

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，LDMOSPA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6~8W/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)，GaAsPA是目前市場主流，出貨佔比佔9成以上。GaAsRF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(3.4eVVS1.42eV)，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MassiveMIMO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GaNIC廠商Navitas和Exagan推出了帶有集成GaN解決方案(GaNFastTM)的45W快速充電電源適配器，此45W充電器與AppleUSB-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。

由於SiC與GaN產業鏈全球來看仍處於起步階段，國內企業更是大部分處於早期研發階段，遠未成熟，行業體量較小，重點關注已經在SiC與GaN研發上投入大量資源並且取得一定成果的公司。（報告來源：中泰證券／分析師：劉翔、劉尚）

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