GaN下游：功率、射频市场格局；国内外产业发展现状

前言：【核芯观察】是电子发烧友编辑部出品的深度系列专栏，目的是用最直观的方式令读者尽快理解电子产业架构，理清上、中、下游的各个环节，同时迅速了解各大细分环节中的行业现状。我们计划会对包括集成电路、分立器件、传感器、光电器件等半导体产业上下游进行梳理。在本次GaN专题中，我们将GaN产业链的上中下游各分为几个部分：上游主要是原材料，包括衬底、外延片；中游主要是IC设计、GaN晶圆制造、封装测试；下游是应用部分，包括射频器件、功率器件、以及光电器件。这期带来的是氮化镓产业链下游梳理。


一、GaN下游

1.GaN射频器件市场格局

根据Yole Développement的数据，2020年GaN射频器件市场规模为8.91亿美元，复合年增长率将达18%，预计到2026年GaN射频器件市场规模会达到26亿美元以上。

同时，由于在高频、高温领域有较大优势，GaN射频器件市场会由国防（大功率雷达、卫星）以及5G电信基础设施等应用为主导，在2026年这两个应用分别占整个市场的49%和41%。

在GaN射频器件市场上，Woflspeed、住友电气、Qorvo等共三家企业占据大部分市场份额。电子发烧友网统计，截至2022年7月1日，Mouser在售的GaN射频产品共有623款，而截至2020年6月底的这个数字是451款，两年时间增加了172款产品，产品线持续完善。

在性能上，工作频率和输出功率是GaN射频器件/模块的主要技术指标。从Mouser的数据库中，可以发现目前市面上GaN射频放大器最大工作频率可以达到42.5GHz（Qorvo），最大功率800W；GaN射频HEMT最大输出功率高达1800W（Qorvo，1GHz-1.1GHz），最高工作频率为DC to 25 GHz（Qorvo，输出功率7.2W）。

纵观整个射频器件市场，目前硅基LDMOS和GaAs依然占据主流，但GaN在工作频率、功率密度等方面都拥有明显优势。随着5G通信高频通信应用持续迭代发展，对射频前端等器件的性能要求不断提高，以及载波聚合、MIMO、包络跟踪等技术的广泛应用，GaN射频器件需求规模将不断扩大。

5G基站AAU的能耗占比 图源：优镓科技

从5G基站AAU（有源天线处理单元）的能耗占比中，可以发现功率放大器占到最大的一部分，同时5G基站中射频通道数量从4G宏基站RRU（射频拉远单元）中的4通道变为64通道，单个基站中的PA数量增加16倍。因此GaN PA尺寸小、效率高、功率密度大等特点，更加适合5G基站的应用场景。

工信部的最新数据显示，截至2022年4月末，我国已经建成5G基站161.5万个，预计2025年前我国5G宏基站将建设超过500万站。随着5G基站高能效、小体积等需求，在未来几年，预计GaN射频器件在5G基站市场渗透率将逐步提升至70%。



2.GaN功率器件市场格局

GaN的功率应用起步较晚，市场规模目前相比于射频GaN较小。根据Yole Développement数据，2021全球GaN功率器件市场规模为1.26亿美元，预计2021-2027年期间复合年增长率为59%，2027年全球市场规模高达20亿美元。

在TrendForce此前的2021年全球GaN功率厂商出货量市占率排名预测中，纳微半导体、PI、英诺赛科、EPC分列前四，四大玩家揽下全球接近90%的市场份额。其中排名第一的纳微半导体市占率达到29%，PI和英诺赛科分别占到24%和20%的份额，EPC则占有14%的市场份额。

GaN主要主要是面向650V以下中低压应用，功率器件产品性能上，击穿电压集中在650V以及300V以下，导通电流最高150A（GaN Systems，650V），Transphorm的产品最高耐压值达到900V。更高耐压的GaN功率器件也即将推出市场，目前包括东芝、Transphorm、GaN Power、博世等都已经对外透露了1200V GaN功率管的研发进度，预计很快会推出市场。

目前GaN功率器件最大的应用市场是消费电子，比如PC电源、手机充电器等，其次是数据中心、5G通信基站电源等应用。2021年，GaN功率市场中消费电子应用占比约为63%，通信基站、数据中心等应用占比约21%，而工业和汽车应用的占比分别为7%、4%左右。

电动汽车是GaN功率器件未来最具潜力的市场之一。短期来看，GaN功率器件在11kW、6.6kW、22kW的OBC，以及4kW的DC-DC中，相比于SiC具有非常明显的成本优势、系统效率优势、功率密度优势。在电动汽车驱动和电池平台上，目前中高端车型的趋势是800V系统，但由于成本等原因，预计2030年全球范围内主流还会是400V平台。而SiC相比于GaN在功率应用上的优势主要在于1200V以上的超高压，所以在电动汽车上，随着成本、产能等优势凸显，GaN功率器件有望在电动汽车400V平台上得到广泛应用。

根据纳微半导体的规划，预计在2025年左右车规级GaN功率产品能够实现大批量出货。

二、国内外GaN产业各环节发展现状

对GaN技术的研究最早起步于20世纪70年代初的日本，从技术专利上看，日美起步相对较早。2010年以前，日本在GaN技术专利申请数上处于明显领先，中国在2010年后专利申请数开始高速增长，并保持至今。

中、美、日三国GaN技术专利申请趋势图 来源：Patsnap

GaN单晶衬底方面，我们在第一期有提到，同样是日本厂商占据领先地位，住友电工在2003年成为全球首家量产GaN衬底的厂商。目前主流的GaN衬底尺寸是2英寸，住友电工和三菱化学都宣布将会在2022年开始量产4英寸GaN单晶衬底，2022年3月，丰田合成与大阪大学合作宣布成功研制出6英寸GaN衬底。

国内在GaN衬底方面发展速度也很快，苏州纳维在2017年率先推出4英寸GaN单晶衬底，并且还表示突破了6英寸的关键核心技术；2018年2月，东莞中稼半导体宣布，在国内首次试产4英寸自支撑GaN衬底，并在2019年10月发售4英寸自支撑氮化镓衬底；2020年3月，镓特半导体宣布开发出4英寸掺碳半绝缘GaN晶圆片，并表示“镓特是第一家，也是唯一一家生产4英寸半绝缘氮化镓晶圆片的公司”。

外延片方面，目前国际上GaN射频应用的SiC基GaN外延片4英寸和6英寸并存，海外6英寸代表企业有Wolfspeed、Qorvo、NXP，4英寸代表企业为住友电工；国内SiC基GaN外延片主要以4英寸为主，代表企业有苏州能讯、聚能晶源等，其中聚能晶源已经具备量产6寸SiC基GaN外延片的能力。

射频器件方面，GaN PA大部分用于6GHz以下宏基站，主要海外供应商有恩智浦、住友、Qorvo等等。不过国内5G发展迅速，基站PA需求巨大，国内厂商在GaN PA上同样在加速导入市场，包括苏州能讯、中兴微电子、海特高新（旗下与中国电子29所合资公司嘉纳海威设计、旗下海威华芯代工）等等，都已经有相关产品在5G宏基站上进行测试或量产应用。

功率器件方面，GaN功率市场目前来看主要应用于手机充电器。从市场份额上看，国内以英诺赛科为代表，占全球20%份额，同时英诺赛科也在加速开启国际业务。可以发现，目前全球GaN功率市场份额排名前列的纳微半导体、EPC、GaN system等都走Fabless模式，走IDM模式的英诺赛科在供货能力、价格上会有一些优势，预计打开国际市场后，英诺赛科份额将会继续有进一步提升。

在汽车应用上，国内方面闻泰科技旗下安世半导体较为领先，目前已经推出用于汽车OBC、DC-DC的车规 650V GaN FET，900V产品也已经完成开发，预计未来继续推进1200V GaN功率产品。国外方面，ST、英飞凌、Ti、GaN Systems等都有600V以上的车规GaN功率产品推出。总体而言，目前GaN功率器件主要用于汽车OBC上，且应用规模还比较小，要广泛应用于电驱等汽车核心动力模块上，预计要到2025年后。

产能方面，CASA统计2020年国内折合4英寸GaN-on-SiC的射频器件、模块年产能为16万片，折合6英寸GaN-on-Si的电力电子器件、模块年产能为22万片。根据推算，由于英诺赛科等国内厂商的扩产落地，今年国内GaN-on-Si的电力电子器件、模块产能增速较快，年产能预计会超过60万片（折合6英寸），GaN-on-SiC射频器件、模块方面增速稍慢，但预计2022年国内年产能也将超过35万片（折合4英寸）。