一、第三代半导体GaN：射频、电源、光电子广泛运用

1.1 5G时代，第三代半导体优势明显

第一代半导体材料主要是指硅（Si）、锗（Ge）元素半导体。它们在国际信息产业技术中的各类分立器件和集成电路、电子信息网络工程等领域得到了极为广泛的应用。

第二代半导体材料是指化合物半导体材料，如砷化镓（GaAs）、锑化铟（InSb）、磷化铟（InP），以及三元化合物半导体材料，如铝砷化镓（GaAsAl）、磷砷化镓（GaAsP）等。还有一些固溶体半导体材料，如锗硅（Ge-Si）、砷化镓-磷化镓（GaAs-GaP）等；玻璃半导体（又称非晶态半导体）材料，如非晶硅、玻璃态氧化物半导体等；有机半导体材料，如酞菁、酞菁铜、聚丙烯腈等。第二代半导体材料主要用于制作高速、高频、大功率以及发光电子器件，是制作高性能微波、毫米波器件及发光器件的优良材料。

第三代半导体材料主要是以碳化硅（SiC）、氮化镓（GaN）、氧化锌（ZnO）、金刚石、氮化铝（AlN）为代表的宽禁带（禁带宽度Eg>2.3eV）的半导体材料。

宽禁带半导体是高温、高频、抗辐射及大功率器件的适合材料。与第一代和第二代半导体材料相比，第三代半导体材料具有更宽的禁带宽度、更高的击穿电场、更高的热导率、更大的电子饱和速度以及更高的抗辐射能力，更适合制作高温、高频、抗辐射及大功率器件。从目前第三代半导体材料及器件的研究来看，较为成熟的第三代半导体材料是SiC和GaN，而ZnO、金刚石、氮化铝等第三代半导体材料的研究尚属起步阶段。

1.2 GaN优势明显，5G时代拥有丰富的应用场景

氮化镓（GaN）是极其稳定的化合物，又是坚硬和高熔点材料，熔点为1700℃。GaN具有高的电离度，在三五族化合物中是最高的（0.5或0.43）。在大气压下，GaN晶体一般是六方纤锌矿结构，因为其硬度大，所以它又是一种良好的涂层保护材料。GaN具有出色的击穿能力、更高的电子密度和电子速度以及更高的工作温度。GaN的能隙很宽，为3.4eV，且具有低导通损耗、高电流密度等优势。

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二、射频：5G基站、雷达——GaN射频器件大有可为

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在常用半导体工艺中，CMOS低功耗、高集成度、低成本等优势显著。SiGe工艺兼容性优势突出，几乎能与硅半导体超大规模集成电路行业中的所有新工艺技术兼容。GaAs在高功率传输领域具有优异的物理性能。GaN在高温、高频、大功率射频组件应用独具优势。基于功耗和成本等因素，消费终端产品明显更多采用CMOS技术；CPE采用CMOS和SiGeBiCMOS；低功耗接入点则采用CMOS、SiGeBiCMOS和GaAs；而高功率基站领域则是GaAs和GaN的天下。

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与4G系统相比，5G mMIMO具有更多收发器和天线单元，使用波束赋形信号处理将射频能量传递给用户。mMIMO系统可将192个天线单元连接到64个发送/接收（TRx）FEM，这些TRxFEM具有16个收发器RFIC和4个数字前端（DFE)，与典型的LTE4TMIMO中的4个收发器相比，数字信号处理性能可提高16倍。5G mMIMO设计下，急剧增加的信号处理硬件极大影响了系统尺寸，信号处理的功耗也在逼近板载功率放大器的功耗，在某些情况下，甚至已经超过了板载功率放大器的功耗。

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GaN非常适合毫米波领域所需的高频和宽带宽，可满足性能和小尺寸要求。使用mmWave频段的应用将需要高度定向的波束成形技术，这意味着射频子系统将需要大量有源元件来驱动相对紧凑的孔径。GaN非常适合这些应用，因为小尺寸封装的强大性能是GaN最显著的特征之一。

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在高功率放大器方面，LDMOS技术由于其低频限制只在高射频功率方面取得了很小进展。GaAs技术能够在100GHz以上工作，但其低导热率和工作电压限制了其输出功率水平。50VGaN/SiC技术在高频下可提供数百瓦的输出功率，并能提供雷达系统所需的坚固性和可靠性。HVGaN/SiC能够实现更高的功率，同时可显著降低射频功率晶体管的数量、系统复杂性和总成本。

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GaN在射频市场更关注高功率、高频率场景。由于GaN在高频下具有较高的功率输出和较小的面积，GaN已被射频行业广泛采用。随着5G到来，GaN在Sub-6GHz宏基站和毫米波（24GHz以上）小基站中找到一席之地。GaN射频市场将从2018年的6.45亿美元增长到2024年的约20亿美元，这主要受电信基础设施和国防两个方向应用推动，卫星通信、有线宽带和射频功率也做出了一定贡献。

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随着新的基于GaN的有源电子扫描阵列（AESA）雷达系统的实施，基于GaN的军用雷达预计将主导GaN军事市场，从2018年的2.7亿美元增长至2024年的9.77亿美元，CAGR达23.91％，具有很大的增长潜力。GaN无线基础设施的市场规模将从2018年的3.04亿美元增长至2024年的7.52亿美元，CAGR达16.3%。GaN有线宽带市场规模从2018年的1,550万美元增长至2024年的6,500万美元，CAGR达26.99%。GaN射频功率市场规模从2018年的200万美元增长至2024年的10,460万美元，CAGR达93.38%，具有很大的成长空间。

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在要求高频高功率输出的卫星通信中，预计GaN将逐渐取代GaAs解决方案。在有线电视（CATV）和民用雷达市场，与LDMOS或GaAs相比GaN的成本仍然较高，但其附加值显而易见。对于代表GaN巨大的消费级射频功率传输市场，GaN-on-Si可提供更具成本效益的解决方案。

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据Yole统计，2019年全球3750多项专利一共可分为1700多个专利家族。这些专利涉及RFGaN外延、RF半导体器件、集成电路和封装等。Cree（Wolfspeed）拥有最强的专利实力，在RF应用的GaN HEMT专利竞争中，尤其在GaN-on-SiC技术方面处于领先地位，远远领先于其主要专利竞争对手住友电工和富士通。英特尔和MACOM是目前最活跃的RFGaN专利申请者，主要聚焦在GaN-on-Si技术领域。GaN RF HEMT相关专利领域的新进入者主要是中国厂商，例如HiWafer（海威华芯），三安集成、华进创威。

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与RF GaN-on-Si相关的专利自2011年以来一直稳定增长，与GaN-onSiC相关的专利则一直在波动。RF GaN-on-Si专利中，17%的RFGaN专利明确声明用于GaN衬底。主要专利受让人是英特尔和MACOM，其次是住友电工、英飞凌、松下、HiWafer、CETC、富士通和三菱电机。

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GaN MMIC领域，Toshiba和Cree（Wolfspeed）拥有最重要的专利组合。Cree在该领域的IP地位最强，但是东芝目前是最活跃的专利申请人，在未来几年中将进一步巩固其IP地位。主要新进入者是TigerMicrowave（泰格微波）和华进创威。在RFGaNPA领域，Cree（Wolfspeed）处于领先地位。其他主要的IP厂商是东芝、富士通、三菱电机、Qorvo、雷神公司和住友电机，新进者有MACOM。GaNRF开关领域，英特尔表现最活跃，新进者有TagoreTechnology。Intel是GaNRF滤波器的主要专利请人。

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由于材料特性的差异，SiC在高于1200V的高电压、大功率应用具有优势，而GaN器件更适合40-1200V的高频应用，尤其是在600V/3KW以下的应用场合。因此，在微型逆变器、伺服器、马达驱动、UPS等领域，GaN可以挑战传统MOSFET或IGBT器件的地位。GaN让电源产品更为轻薄、高效。

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硅正在逐渐达到其物理极限，特别是在功率密度方面。这反过来限制了配备硅功率组件的设备的紧凑程度。在非常高的电压、温度和开关频率下，GaN与硅相比具有优越的性能，可显着提高能源效率。功率GaN于2018年中后期在售后市场中出现，主要是Anker、Aukey和RAVpower的24至65瓦充电器。

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在1990年代对分立GaN及2000年代对集成GaN进行了多年学术研究之后，Navitas的GaNFast源集成电路现已成为业界公认的，具有商业吸引力的下一代解决方案。它可以用来设计更小、更轻、更快的充电器和电源适配器。单桥和半桥的GaNFast电源IC是由驱动器和逻辑单片集成的650V硅基GaNFET，采用四方扁平无引线（QFN）封装。GaNFast技术允许高达10MHz的开关频率，从而允许使用更小、更轻的无源元件。此外，寄生电感限制了Si和较早的分立GaN电路的开关速度，而集成可以最大限度地减少延迟和消除寄生电感。

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据Yole预测，受消费者快速充电器应用推动，到2024年GaN电源市场规模将超过3.5亿美元，CAGR为85％，有极大增长空间。此外，GaN还有望进入汽车及工业和电信电源应用中。从生产端看，GaN功率半导体已开始批量出货，但其价格仍然昂贵。制造成本是阻碍市场增长的主要障碍，因为到今天GaN仍主要使用6英寸及以下晶圆生产。一旦成本可降低到一定门槛，市场就会爆发。

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基于手机快充的激烈竞争，OPPO、vivo、小米等中国手机厂商将带动GaN功率市场快速增长。GaN功率器件领域一直由EPC，GaN Systems，Transphorm和Navitas等纯GaN初创公司主导，他们的产品主要是TSMC，Episil或X-FAB代工生产。国内新兴代工厂中，三安集成和海威华芯具有量产GaN功率器件的能力。

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随着中国OEM厂商OPPO在其65W快速充电器中采用GaNHEMT，功率GaN正在进入主流消费应用。到2024年，GaN电源市场的价值将超过3.5亿美元，CAGR为85％。在近几年的激烈竞争中，Infineon和Transphorm掌握了最顶级的功率GaN专利。Infineon的专利最全面，可在各个GaN应用场景进行商业活动。而Transphorm则主攻功率GaN，暂时领先其他竞争厂商。

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晶能光电目前硅衬底GaN基LED实现了8英寸量产，并且在单片MOCVD腔体中取得了8英寸外延片内波长离散度小于1nm的优异均匀性，这对于MicroLED来说至关重要。商用的12英寸及以上的硅圆晶已经完全成熟，随着高均匀度MOCVD外延大腔体的推出，硅衬底LED外延升级到更大圆晶尺寸不存在本质困难。因此，硅衬底GaN基技术的特性是制造MicroLED芯片的天然选择。

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氮化镓（GaN）因其材料的高频特性是制备紫外光器件的良好材料，紫外光电芯片具备广泛的军民两用前景。在军事领域，典型的军事应用有：灭火抑爆系统（地面坦克装甲车辆、舰船和飞机）、紫外制导、紫外告警、紫外通信、紫外搜救定位、飞机着舰（陆）导引、空间探测、核辐射和生物战剂监测、爆 炸物检测等。在民用领域，典型的应用有：火焰探测、电晕放电检测、医学监测诊断、水质监测、大气监测、刑事生物检测等。由此可见，GaN在光电子学和微电子学领域有广泛的应用，其中GaN基紫外激光器在紫外固化、紫外杀菌等领域有重要的应用价值，也是国际上的研究热点。

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住友集团具有400年渊源历史，旗下住友电工（SumitomoElectric）主要生产GaAs低噪声放大器（LNA）、GaN放大器、光收发器及模块。住友电工为全球GaN射频器件第一大供应商，同时也是华为GaN射频器件第一大供应商，住友电工还向华为供应大量的光收发器及模块，位列华为50大核心供应商之列。住友电工垄断全球GaN衬底市场，其技术在业内处于领先地位。

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公司技术包括业界首个商用平面功率MOSFET，首个高压功率IC，首个驱动器+MOSFET集成，首个专用功率MOS芯片组，首个级联GaN功率FET以及所有主要功率电子市场中的其他产品。Navitas团队创建了超过40亿美元的新功率半导体业务。小米在2020年2月发布的65WGaN快充即采用了Navitas提供的IC芯片。

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5.7 全球GaN产业链七大版块及代表厂商一览

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