国产氮化镓器件发展机遇与挑战

1. 能讯半导体——氮化镓 IDM 龙头

苏州能讯高能半导体有限公司（Dynax，下称“苏州能讯”）由海外归国的张乃千博士创办，是国内最早从事第三代半导体氮化镓（GaN）电子器件的设计研发及规模化生产的高新技术企业。苏州能讯从成立至今已经进行了五轮融资，融资额约 20 亿。目前注册资本 2.79 亿元，总部位于昆山高新区内。公司首条 3 寸晶圆产线 2013年试产，2014 年投产，2015 年开始批量生产。2019 年初公司扩建 4 寸晶圆产线。公司计划 2022 年建设第二工厂，采用 8 寸晶圆产线。

苏州能讯专注于宽禁带半导体氮化镓电子器件技术与产业化，为 5G 移动通讯、宽频带通信等射频微波领域和工业控制、电源、电动汽车等电力电子领域等两大领域提供半导体产品与服务。能讯的“讯”代表通信领域，而“能”则代表电力电子领域的功率应用。

作为中国氮化镓产业领军企业，苏州能讯采用整合设计与制造（IDM）的模式，自主开发了氮化镓材料生长、芯片设计、晶圆工艺、封装测试、可靠性与应用电路技术。

2020 年 1 月 9 日，美国 II-VI 公司作为无线射频设备的碳化硅衬底供应商，获得了苏州能讯的最佳战略合作伙伴奖。II-VI 为苏州能讯提供了半绝缘碳化硅（SiC）衬底，从而使氮化镓/碳化硅（GaN-on-SiC）RF 功率放大器能够部署在 4G 和 5G 无线基站中。

2. 能讯技术优势、产能优势与业务布局

2.1. 三大技术平台构筑技术优势，服务业务布局

苏州能讯正在建设 RF、MF、HF 三大技术平台，以支撑当前 5G Sub 6GHz 射频业务线的发展，与未来其他业务条线的业务布局。5G 频段分为 FR1 与 FR2 两个频段，FR1 即通常所说的 Sub 6GHz 频段，对应450MHz-6GHz，波长为 60-5 厘米。FR2 即是通常所说的 5G 毫米波频段，对应 24GHz-52GHz，波长为 12.5-5.7 毫米。我国三大运营商与欧洲主要运营商都以 Sub 6GHz 作为 5G 首先建设的频段，远期再进行 5G 毫米波频段建设，目前仅有美国运营商 AT&T 使用了毫米波技术。

RF 低频技术平台对应 6GHz 以下，采用 0.4 与 0.2 微米工艺，服务 4G与 5G Sub 6GHz 频段的应用，以分立器件功率放大器(PA)为主要产品形式。MF 中频技术平台对应 6-18GHz，服务微波频段。HF 高频技术平台对应 20GHz 以上的频率，服务 5G 毫米波频段的应用。

2020 年 RF(低频)平台进行了 3 次迭代，RF 系列产品成熟，是能讯当前应对 5G Sub 6GHz 基站建设需求的主要产品系列。面向远期 5G 毫米波市场，能讯将在 2021 年三季度推出 MF(中频)产品，在 2022 年发布 HF(高频)产品。

能讯拥有完整的氮化镓射频功率器件专利布局，涵括：材料生长、工艺制造、器件设计、封装技术、应用电路技术、设备改进及终端应用等全技术链。截至目前，公司在 GaN 终端应用方向已布局专利 26 项，在 GaN电力电子方向已布局专利 137 项。

2.2. 能讯近远期业务布局

能讯已基本完成 RF（低频）技术平台建设，RF 系列产品是当前主要产品系列。未来 5 年 5G 宏基站在每年建站数量将在百万左右，Sub 6GHz宏基站需求占据绝对主导。RF 氮化镓射频功放定位 Sub 6GHz，相比上一代 LDMOS 与砷化镓器件，有节能、高功率密度、高带宽、高开关速度、高散热、小体积、降低系统整体成本等诸多优点，未来 5 年具有广泛的市场前景。

在 Sub 6GHz 基站建设基本完成后，运营商远期的 5G 宏基站建设方向为5G 毫米波频段基站。在 5G 毫米波应用上，氮化镓的高功率密度特性在实现相同覆盖条件及用户追踪功能下，可有效减少收发通道数及整体方案的尺寸，保持高性能同时降低基站整体成本。能讯未来将推出 MF 高频产品以响应 5G 毫米波射频需求，同时 MF 产品将不再采用 RF 低频的分立器件形式，而采用 MMIC（单片微波集成电路）产品形式，提高系统集成度。

除 5G 基站射频市场，能讯 RF 低频氮化镓器件的另一个目标市场是 5G手机端功放(PA)市场。相比目前主流的砷化镓 PA（功放），氮化镓器件有合并 PA，减少 PA 数量，降低手机系统复杂度与成本，提高可靠性等优点。但目前在手机中以氮化镓替代砷化镓器件，仍需解决氮化镓器件线性度优化、提高手机工作电压、提高晶圆尺寸以降本等问题。这些问题若能成功解决，将在几年后开辟新的市场机遇。

2.3. 能讯已有产能先发优势

能讯早在 2013 年就开始投建氮化镓产线，第二工厂建设在即，通过次第布局 Sub 6GHz、毫米波相关器件产能，积累了产能先发优势。能讯第一工厂已扩产至每年 1 万片氮化镓晶圆处理能力，2021 年可扩至每年2.5 万片 4 寸。第一工厂产线占地 55 亩，其 RF 射频产品覆盖 Sub 6Ghz全频段，功率从 7~500W。能讯集成了外延生长、晶圆制造、封装测试生全流程，实现了全产业链 IDM。

能讯第二工厂规划为 8 寸工厂，兼容 GaN-on-SiC 与 GaN-on-Si，总投资60-70 亿元。第一期工程将完成 Fab2 土建，并建设一条 6 寸 SiC/Si 基GaN 产线，补充氮化镓中低频段射频器件产能，满足 5G 毫米波氮化镓MMIC 市场，预计投资 20 亿元。第二期工程将补充设备设施，完成GaN-on-Si 8 寸线建设，扩展产品到集成射频前端 SoC FEM、产能补充，预计投资 40-50亿元。

3. 氮化镓器件行业纵览

3.1. 氮化镓领域发展历程与性能

半导体材料的发展对半导体器件系统的发展有颠覆性的作用。目前半导体材料已发展到第三代，第一代为硅（Si），锗（Ge）为代表，第二代为化合物半导体材料，如砷化镓（GaAs）,第三代为以碳化硅（SiC）、氮化镓（GaN）为代表的宽禁带半导体材料。

氮化镓最早应用于光电领域，用做 LED 芯片材料。当前氮化镓开始应用于射频领域与功率器件。在射频领域，氮化镓目前主要用在 5G 通信基站，未来有望用到手机射频器件里。在功率器件领域，当前用于消费电子的快充，未来可用在激光雷达、数据存储及新能源汽车等领域。

氮化镓在 LED 中应用较为简单，器件结构简单，依靠材料本身的优良特性即可达到良好性能。与 LED 不同，射频与功率器件对材料性能和器件结构设计要求都很高，氮化镓从 LED 逐渐进入射频与功率器件领域，体现了基础材料应用向工程技术应用提升的过程。

氮化镓主要应用在 600-1000 伏特的电压区间，具备低导通电阻、高频率等优势，可在高温、高电压环境下工作。根据衬底材料的不同，氮化镓外延片可分为蓝宝石衬底(GaN-on-Diamond)、Si 基衬底(GaN-on-Si)、SiC 基衬底(GaN-on-SiC)和 GaN 衬底(GaN-on-GaN)四种，分别主要用于 LED、电力电子、射频和激光器。其晶体质量依次提高，成本依次升高。

GaN-on-Si 主要应用于电力电子领域，用作高功率开关，快充是目前看来产业化最快的领域。GaN-on-SiC 主要应用于射频领域，得益于 SiC 的高导热率以及低射频损耗，适用于 5G中功率较大的宏基站。小基站射频器件对功率要求较低，GaN-on-Si 有望凭借其低成本的优势在未来大规模应用。

3.2. 氮化镓射频器件：5G 基站为主要应用

Qorvo 在 2016 年提出氮化镓作为 5G 的关键技术，相较于上一代 GaAs射频，其尺寸减小82%，能量密度达到原来的四倍。

根据 Wolfspeed2019 年 6 月发布的白皮书， GaN-on-SiC 是唯一可行的 5G 长期解决方案，因为 5G 在技术要求上比上一代无线技术需要更宽的带宽、更高范围的频率和较小的尺寸以满足基站的布局。而GaN-on-SiC 与上一代 LDMOS（Si 射频器件）相比：拥有更宽的带宽、更高范围的频率、更好的散热性、更小的单位体积、更坚固耐用、在 5G频段内效率更高。

氮化镓具有集成射频链路各独立器件的潜力：现有射频链路由许多独立器件组成，有放大器、开关、低噪声放大器、VCO 等。在 5G 的情形下，所有独立器件都有高带宽、高效率、高功率的需求，而所有独立器件都可以使用氮化镓半导体制作。当前技术可以将所有独立器件封装到一个MCM（Multi-Chips Module）模块里，由于氮化镓统一了独立器件的材料，未来射频链路可能被进一步集成到一个芯片（即 SoC），使效率大幅提升，供应链整合，可靠性提高，成本降低。

3.3. 氮化镓射频器件市场空间

全球氮化镓射频器件的市场空间。根据 YOLE 最新的统计，到 2018 年底，全球 RF GaN（射频氮化镓）市场规模接近 6.45 亿美元，其总体规模将在 2024 年底扩大 3.1 倍达到20 亿美元左右，2018-2024 年期间的复合年增长率达到 21%。其中，通讯用氮化镓市场（基站）规模在 2018年达到 3.04 亿美元，预计 2024 年达到 7.522 亿美元，复合年增长率达到16.3%，而 5G 将成为未来通讯领域的主力。

国内四大运营商（移动、联通、电信、广电）2020 年已经完成 65 万 5G宏基站安装，预计年底总计完成 70 万 5G 宏基站装机。根据 5G 频谱及相应覆盖增强方案，国内 5G 宏基站数量约为 4G 基站的 1-1.2 倍，合计约 500-600 万个，未来 5 年 5G 宏基站在每年建站数量将在百万左右。

5G 宏基站之外，还需要建设更多的 5G 微基站。伴随 5G 频谱频率上升，单个宏基站的覆盖范围大幅缩小，单一宏基站无法实现区域覆盖，需配合微基站弥补市内信号衰减问题，需要的微基站数量为宏基站的 4 到 10倍。单个微基站采购金额较宏基站大幅下降，微基站射频器件的市场规模为宏基站射频市场 30%左右。苏州能迅预测，2022 年中国 5G 基站射频功率器件的市场空间为 200 亿人民币，氮化镓器件为主要的市场参与者。

3.4. 氮化镓有望替代智能手机中的砷化镓器件

智能手机中的功率放大器目前主要用砷化镓 GaAs 制造，其数量取决于通信标准的调试方式和频段数量（频模切换）。现在 5G 手机里面已经用到 16 个 PA。氮化镓器件的高带宽优势能合并放大器，减少手机中功放数量，从而减少手机系统复杂度，提高可靠性，降低成本。

但目前以氮化镓替代砷化镓仍需解决氮化镓器件线性度优化、提高手机工作电压，提高晶圆尺寸以降本等问题。第一，氮化镓射频器件的线性度优化需要有配合数字技术与大量的运算。对算力的要求需要手机设计架构做出调整，需要与下游手机厂商联合设计。第二，为了发挥 GaN 的效率带宽优势，需要提升手机工作电压到 28-36V（人体安全电压）的性能更优。目前智能手机的电压范围是 3-5V，因此需要对智能手机的系统架构进行重新设计。第三，需要加大晶圆尺寸以降低成本。目前砷化镓MMIC（单片微波集成电路）主要使用 6 寸晶圆制造，工艺成熟，良率高；目前主流氮化镓器件使用 4 寸晶圆制作。只有在 6 寸晶圆上制造氮化镓 MMIC，才能有效降低成本，提高良率；而在 8 寸晶圆制造，成本将明显低于砷化镓。

3.5. 氮化镓功率器件：竞争者众，快充率先起飞

GaN-on-Si 主要应用于电力电子领域，用作高功率开关。氮化镓在电力电子器件中最先产业化的是消费电子快速充电器。随着电子产品的续航能力不断优化、充电效率不断提高，充电器的功率也随之增大，氮化镓技术目前是最快的功率开关器件，可以实现在高速开关的情况下保持高效率水平，且能够应用于更小的元件中，应用在充电器时能有效缩小产品尺寸。

但在电力电子领域，GaN-on-Si 也面临 Si 与碳化硅 SiC 的竞争。硅的优势在于其性能不断提升，且足够便宜；SiC 在电子电力领域比 GaN-on-Si更有优势，但价格较贵。具体来看，目前GaN-on-Si 价格是 Si 的 2 倍左右，SiC 价格是 Si 的 7 倍左右。

GaN-on-Si 器件属于平面型器件，成本低、工作速度快, 可用于中低压(<1200V)通用电源，是中等功率、高效率电力电子器件的理想材料，适用于数据中心服务器电源、通信基站电源、新能源光伏逆变、机载电源和消费电子产品电源。而碳化硅材料适合高压(>1200V)大电流领域，如新能源汽车、高铁、智能电网等。在更低的电压领域，氮化镓相对硅的优势并不明显。目前氮化镓功率器件应用于消费电子快充市场，应用于商业与车辆领域尚需提高器件稳定性。

3.6. 技术代差不大，弯道超车更容易

相比欧美日较成熟的 GaN 半导体材料产业体系，我国第三代半导体研究起步较晚，目前尚处于研制阶段，尚未形成初步的产业格局。但第三代半导体材料，国内外的技术代差并不大。

氮化镓领域的专利申请量，从 1996 年全球和美国才开始飞速增长；2012中国的申请量超过美国。氮化镓大规模的产业化尝试都在 2010 年以后。我们认为氮化镓领域，国内和海外的技术代差并不大（5-10 年），弯道超车更容易。2G 到 4G，通信射频器件市场份额由恩智浦、飞思卡尔和英飞凌占据。5G 时代氮化镓射频器件，中国有望实现赶超。

射频或功率器件属于半导体领域中的分立元器件。与通用芯片 Fabless +Foundry 的产业分工不同，分立器件领域仍然以 IDM 模式为主流。国内射频 IDM 主要厂家有中电科 13 所、中电科55 所和苏州能讯，国外主要厂家有住友、Cree（Wolfspeed）、Qorvo、恩智浦（NXP）和英飞凌，2018 年英飞凌射频功率部门被 Cree 收购。国外恩智浦、住友、Qorvo、Wolfspeed 已实现大批量出货，国内中电科 13 所和苏州能讯也开始出货。

射频器件基站市场竞争态势大致如下：恩智浦（NXP）2019 年 10 月率先发布了一体式 5G mMIMO 射频功率放大器模块（MCM）与技术平台，相比分立射频器件提高了集成度。受华为事件影响，日本住友电工全面开放了其氮化镓产品在全球基站设备商的推广，产能丰富，产品综合竞争力强。美国 Qorvo 加强在二线客户的产品推广，以弥补在大客户方面的业务重挫。中电科 13 所（博威）在设计、生产及质量管理方面日趋成熟。随着几轮产品技术的改进更新，客户对能讯的信心越来越强。

来源：国泰君安证券研究

作者：肖洁、鲍雁辛