集微網報道 9月初的股市，并沒有秋后的天高氣爽之勢，反而是不斷滑落的大盤指數帶給股民陣陣涼意。然而，有一個板塊卻逆勢而動，在破萬億成交額的護航下一路飄紅。

這就是第三代半導體板塊。在整個產業即將進入國家戰略規劃消息的鼓舞下，第三代半導體技術再次成為了網紅。作為行業雙星之一的氮化鎵（GaN），也因為在5G和功率市場的表現而再受矚目。

破圈的2020年

小米在2020年初的一場發布會改變了GaN的命運。雷軍展示了小米研發的65W GaN充電器，GaN材料也因此破圈成名。盡管已被業界內看做天選之子，GaN可從未獲得如此高的待遇。

在媒體一輪又一輪的密集轟炸之下，GaN的優勢已經人盡皆知：更大的禁帶寬度更大，更高的臨界擊穿電場，更高的熱導率更高，更高的飽和電子速率和電子遷移率等。因為性能上較第一、二代半導體材料有質的飛躍，GaN成為制作短波長發光器件、光電探測器以及高溫、高頻、大功率電子器件的不二之選。

LED照明、激光器與探測器方向是目前GaN最大的應用市場，在2019年就達到了400億美元的營收規模。但是，業界更希望GaN在5G射頻和功率器件兩個方向實現突破，因為那里有更大的市場空間。

5G系統需要更高的峰值功率、更寬的帶寬以及更高的頻率，這些因素都促成了對GaN器件的接受。業內人士告訴記者，憑借高頻下更高的功率輸出和更小的占板面積，GaN已經在射頻領域贏得良好的口碑。根據Yole預測，GaN 射頻市場將從 2018 年的 6.45 億美元增長到 2024 年的約 20 億美元，這主要受電信基礎設施和國防兩個方向應用的推動。

商業化GaN射頻器件產品目前有三大類:一種是應用于 4G 宏基站等系統的大功率PA（功率放大器），飽和功率等級為100～300W甚至更大;另一種是應用于0.5～6GHz的5G 宏基站的GaN PA，單模塊輸出平均功率為5～10W，要求高集成、小體積；第三種是應用于5G高頻頻段的GaN單片集成電路(MMIC)，飽和輸出功率為2～10W，主要用于人員密集的場所。

PA是射頻系統中的關鍵組成，目前以GaAs（砷化鎵）PA為主流。但隨著5G的到來，GaAs器件將無法滿足在如此高的頻率下保持高集成度，GaN得以大展身手。

5G宏基站以64通道的大規模陣列天線為主，按三個扇區計算，單基站PA需求量將高達 192 個。根據拓墣產業研究院的預測，國內5G宏基站建設將于2023年左右達到高峰，年新增 115 萬個以上，對應PA需求高達 2.21 億個。隨著GaN器件成本的下降和工藝的成熟，GaN PA滲透率將不斷提升，拓墣產業研究院估計2019年5G宏基站PA中GaN占比在50%左右，預計到2023年GaN占比將達到80%。

相較光電和射頻，GaN在功率器件中的應用爆發最晚，可謂是厚積薄發。“從過去三年來看，成本每年以20%～30%的比重在下降，終于讓GaN接近爆發式增長的關鍵節點。”納微（Navitas）中國區總經理查瑩杰這樣認為。

GaN功率器件開關頻率高、導通電阻小、電容小，可在高頻情況下保持高效率水平。并且，由于是平面架構，GaN功率器件可以集成外圍驅動和控制電路，將IC體積做小，顯著降低成本。

在蘋果、三星、華為、小米等手機廠商均入局GaN電源適配器的形勢下，預計2024年全球GaN功率半導體市場規模將超過 7.5億美元。

從光電到射頻器件，再到功率器件，GaN在應用上經歷了一個不斷擴展，層層突破的過程。

全面爆發？還要等等

“第三代半導體現在是一片欣欣向榮的景象，走到哪里都能收到這方面的BP（項目計劃書）。”擔任芯力量·云路演點評嘉賓的盛世投資管理合伙人陳立志曾發出這樣的感慨。

媒體熱捧、資本追逐、項目遍地開花，無論是GaN還是SiC，都給人以行業進入“井噴狀態”的印象。

實際上，從GaN本身來說，還只是處在爆發前夜。以紅得發紫的GaN快充為例，半導體行業資深投資人老周（化名）給記者算了筆賬：“小米GaN快充的單價是149元，目標是年銷售100萬個，這就是1.5億元銷售額。對一個產品來說，是很不錯的成績。但如果把使用的GaN芯片換算成晶圓，也就是300～500片的數量。對于晶圓廠，這都不算量產，至多是個樣品生產階段。”

老周一直在關注GaN功率市場的狀況。據他連續5年的觀察來看，整個市場還沒有真正起量。

蘇州能訊總經理任勉亦認為，功率GaN還是一個充滿競爭的領域，對其成本要求比較高，需要與硅材料比拼成本、性能，其產業發展還不夠成熟。

5G市場情況同樣如此。根據業界的共識，2W以下的場景主要使用了GaAs PA，2W以上的場景由LDMOS（橫向擴散金屬氧化物半導體）PA和GaN PA占據。GaAs比較適合微基站，而GaN工藝適合用于宏基站大功率輸出場景。

LDMOS是GaN在宏基站中最主要的對手。5G頻譜分布在6GHz以下及28GHz以上毫米波的波段，頻率越高，LDMOS工藝的器件性能下降越多，因此其主要用在低頻段部署中。

國內一家做宏基站PA的公司負責人趙林（化名）說：“5G的宏基站中，3GHz以上GaN在替代LDMOS，但是3GHz以內仍然以LDMOS為主。”

價格是一個重要的因素。根據5G 基站的上游采購價格，拓璞分析，目前用于 3.5GHz 頻段的 5G 宏基站，采用 LDMOS 工藝的PA單扇區的價格超過了400美元，采用 GaN 工藝的PA價格則超過了700 美元。”

不過，5G基礎設施對高密度、小尺寸天線陣列的需求，導致射頻系統中對功率和熱管理處理的難度大增，GaN能效高、功率密度高，適應頻率范圍更寬，有能力應對5G基站小型化的趨勢。

因此，GaN占主導的趨勢愈發明顯。國內的基站設備商在部署5G時采用了大量GaN PA，其他國家的基站廠商在PA技術上也在跟隨。

雖然形勢大好，但是因為技術成熟度和5G部署的原因，“這個市場真正要起量，還是在明年。”老周判斷。

GaN-on-Si還是GaN-on-SiC

GaN產業鏈包括上游的材料（襯底和外延）、中游的器件和模組、下游的系統和應用。

GaN材料的制備，主要包括襯底制備和外延工藝兩大環節。襯底是由半導體單晶材料制造而成的晶圓片，可以直接進入晶圓制造環節生產半導體器件，也可以進行外延工藝加工生產外延片。外延是指在單晶襯底上生長一層新單晶的過程，新單晶可以與襯底為同一材料，也可以是不同材料。外延可以生產種類更多的材料，使器件設計有更多選擇。

藍寶石是GaN最初使用的襯底材料，也是最成熟的材料，大部分光電應用的GaN器件都是通過這種襯底制造的。新興的兩種襯底是Si和SiC，即GaN-on-Si（硅基氮化鎵）和GaN-onON-SiC（碳化硅基氮化鎵）。

圖GaN-on-SiC、GaN-on-Si、GaN-on-Diamond 發展預測（來自Yole De?veloppement）

大部分的廠商使用GaN-on-SiC來生產GaN射頻器件。SiC和GaN的晶格匹配度良好，而且SiC還有高熱導率的性能，便于功率密度很高的GaN射頻器件快速導出熱量。

后起之秀Si襯底有更低的價格，但同時熱導率也比SiC低。憑借成熟的Si工藝，GaN-ONon-Si可以用標準工藝處理更大的晶圓，大幅降低了生產成本，其晶圓成本只有SiC基的百分之一。

SiC 襯底的主流尺寸是 4～6 英寸，8 英寸襯底已由 II-VI 公司和 Cree 公司研制成功。其中，半導電型 SiC 襯底以 n 型襯底為主，主要用于光電子器件、電力電子器件等。半絕緣型 SiC 襯底主要用于外延制造GaN 高功率射頻器件。

相比之下，GaN-on-Si性能略遜于GaN-on-SiC，但目前工藝水平制造的器件已能達到 LDMOS 原始功率密度的5～8 倍，在高于2GHz的頻率工作時，成本與同等性能的LDMOS 出入不大。

MACOM公司就公布了一組數據，顯示如果設計恰當，Si基GaN的性能是可以和SiC基GaN性能一樣可靠的。

ST（意法半導體）是GaN-on-Si RF行業的領先者，目前在與MACOM合作，瞄準全球5G基站應用，正在擴大6英寸GaN-on-Si產能，并計劃進一步擴展至8英寸晶圓。雙方在意大利 Catania 和新加坡分別建設射頻放大器晶圓廠，主要是 6寸/8寸的 GaN-onON-Si 產品，兩個基地在 2022 年產值預計達 30 億美元，制程工藝由 0.5μm向 0.25μm 和 0.15μm 演進。

看好GaN的前景，臺積電、英特爾等巨頭也開始涉足于該領域，進行GaN-onON-Si的代工開發。由于這些公司掌握了先進的制程工藝和龐大的資源，整個行業的天平已經開始向GaN-onON-Si傾斜了。

同一個起跑線 競爭更激烈

從1986年兩步生長法得到高質量GaN外延遲開始，該材料已經在歐美日等國經歷了三十多年的發展歷程，形成了較為成熟的產業體系。

國內開展GaN的大規模正式研究是在2008年之后，以政府部門為主導，通過專項的形式開展。經過十多年的發展，現在已經初具規模。特別是近幾年，由于產業投資熱度居高不下，行業發展迅速。2019 年，據 CASA（第三代半導體產業技術創業戰略聯盟）統計，GaN相關的重大投資就有3起，涉及金額45億元。

與國外企業相比，中國本土企業在技術積累上有著較大的差距。但是，雙方現在站在了同一起跑線上。“整個市場才剛剛起步，像手機快充這種市場，本土廠商有更多的機會切入，這樣就能獲得很多的驗證和迭代的機會。”老周認為本土廠商更接近終端市場，有很多機會拉進距離，“如果本土公司能跟終端廠能夠把戰略協同做好，完全有機會成為一個世界級的氮化鎵器件公司。”

機遇都是伴隨著挑戰的。由于技術的演進，巨頭的加入，整個GaN行業也正在分化。傳統的IDM模式和新興的Fabless+代工模式并存，給國內廠商的路徑選擇也帶來一定的困惑。

在GaN射頻端，供應商以IDM企業為主，主要有日本住友電工旗下的 SEDI 公司（Sumitomo Electric Device Innovations）、Infineon（RF 部門已出售給 Cree）、美國 Cree 旗下 Wolfspeed 公司、Qorvo 公司、MACOM 公司、Ampleon、韓國 RFHIC 等。

圖 全球主要射頻GaN廠商（來自Yole De?veloppement）

IDM模式的優點是全生產鏈自我控制，可減少風險。特別是面向基站和汽車等行業市場，產品偏向定制化，更新換代周期長，產品性能的可靠性和穩定性要求更高，技術難度大。加之市場空間較小，難以有足夠的利潤空間供設計企業和制造企業分享，采用IDM模式更能保證產品性能和利潤。

蘇州能訊總經理任勉就表示，IDM模式是從外延材料的生長、器件的設計，到工藝制造基本都由一個工廠獨立完成。這就相當于把過去傳統的材料、設計、工藝整合在一起。只是，在這樣的一個背景下，射頻器件的大量出貨，供應鏈運營是一個最大的難題。

不過，隨著產品的集成度提升，代工模式也自然的在GaN行業產生了。尤其是在功率器件領域，GaN的成本更敏感，需要更大尺寸的晶圓來降低成本，這只有代工廠能走做到。

中國臺灣的穩懋就瞄準5G基站，主打GaN-on-SiC領域。環宇也擁有4寸GaN-on-SiC高功率PA 產能，且6寸GaN-on-SiC 晶圓代工產能已通過認證。

在GaN-on-Si方面，臺積電目前已提供小批量6寸GaN-on-Si晶圓代工服務，650V和 100V GaN芯片技術平臺，預計今年開發完成。世界先進也在2020年對GaN產品將進行小量樣品送樣。

此外，EPC，GaN Systems，Transphorm和VisIC之類的GaN市場初創企業中的早期參與者與成熟的硅功率半導體制造商結成聯盟，例如Transphorm和Fujitsu，GaN Systems和ROHM Semiconductor之間的聯系。

在中國大陸地區，三安集成和海威華芯具有量產GaN功率器件的能力。三安集成是三安光電下屬子公司，主營GaN和GaAs技術相關業務，是一家專門從事化合物半導體制造的代工廠。海威華芯則是國內首家提供6寸GaAs/GaN微波集成電路（GaAs/GaN MMIC）的純晶圓代工服務的制造企業。據悉，公司的氮化鎵已成功突破6寸GaN晶圓鍵合技術。

選擇IDM還是代工模式并無定論，最終還是要看公司在市場中的定位和自身的水平。目前最關鍵的是，對全行業來說，起跑后能否沖出包圍。

任勉認為：“與國外公司相比，國內企業無論是技術的全面性，還是產能規模、供應鏈的運營水平，以及整個解決方案落地能力、客戶渠道等等，都存在差距。所以說我們無法迅速超車，我們應該要正視這個現實。”

“技術層面不是一天兩天能趕上的，近幾年產業頻出彎道超車的說法，但我個人不太認同，公司還是需要吸納人才，耐得住寂寞，不斷積累，練好內功，才能不斷縮小與國際廠商的差距。”趙林表示。

原文標題：【芯視野】紅出圈的氮化鎵（GaN）：爆發前的黎明，突圍還要蓄力

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