GaN射頻應用優勢明顯，功率玩家厚積薄發
GaN中游我們可以將其分為器件設計、晶圓制造、封裝測試三個部分。作為化合物半導體的一類，與SiC類似，全球產能普遍集中在IDM廠商上，不過相比于SiC，GaN在設計和制造環節正在往垂直分工的模式轉變，不少專注GaN器件的Fabless公司正在有著越來越大的影響力。
GaN器件設計根據類型我們可以分為三個部分，分別是：射頻、功率和光電子，這次主要關注的是射頻以及功率方面的應用。
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GaN射頻器件設計GaN射頻器件主要可以分為三種：大功率功放管（比如GaN射頻 HEMT）、PA模塊、5G毫米波等高頻段MMIC（單片微波集成電路）。目前GaN已經在射頻功率應用中成為LDMOS和GaAS的有力競爭對手。 為了提升性能，降低器件尺寸，GaN射頻器件集成度在不斷提高。隨著5G等高頻應用以及小尺寸需求提高，GaN工藝制程正在從0.25μm-0.5μm，向0.15μm推進，射頻領域領先的Qorvo甚至早已開始推進60nm工藝，用于毫米波等更高頻應用。 GaN射頻器件目前主流采用GaN-on-SiC技術，占比約90%，其余采用GaN-on-Si技術。Wolfspeed憑借先發優勢以及GaN-on-SiC技術，在射頻應用的GaN HEMT專利上擁有領先地位。 Si基GaN技術在近幾年由于成本優勢、以及解決缺陷密度問題后，在射頻領域有崛起的趨勢。2022年5月，ST和MACOM宣布射頻GaN-on-Si原型芯片制造成功，ST表示相關器件已達到成本和性能目標，完全能夠與市場上現有的LDMOS和GaN-on-SiC技術展開有效競爭，同時這些原型即將進入認證測試和量產階段，GaN-on-Si射頻商用進程正在加速。 在GaN射頻器件設計領域，海外主要玩家有：Wolfspeed、住友電工、東芝、富士通、三菱電機、MACOM、英飛凌、NXP、Qorvo、ADI、Raytheon。 國內主要玩家有：蘇州能訊、中興微電子、Ampleon（埃賦隆半導體，2015年建廣資本全資收購NXP射頻功率事業部后成立）、蘇州本然微電子、中電科十三所、OMMIC（四川益豐） GaN功率器件設計
GaN功率器件目前大多采用GaN-on-Si的技術，相比于昂貴的SiC襯底，采用Si襯底的GaN功率器件優勢主要在中低壓領域，市面上產品工作電壓主流產品在1000V以下，但近年也出現1200V甚至更高電壓的GaN-on-Si功率器件。在中低壓領域，GaN-on-Si功率器件有望可以部分取代傳統的Si基功率器件，比如在600V以下，取代硅基IGBT。 除此之外，隨著GaN單晶襯底的進一步成熟，垂直型GaN-on-GaN器件也受到很多廠商關注，各大高校、以及相關企業都在進行研究。相比于Si、SiC等襯底上的GaN外延層會因為晶格不匹配而產生缺陷，GaN襯底或GaN-on-GaN允許垂直傳導的GaN 晶體管具有更少的缺陷。同時，垂直型結構GaN器件相比目前市面上主流的橫向GaN器件，可以支持更高電壓的應用。不過，目前垂直型GaN器件距離商業化還很遙遠。 在GaN功率器件設計領域，海外主要玩家有：Wolfspeed、EPC、GaN Systems、 Power Integrations（PI）、Transphorm、Navitas、英飛凌、TI、安森美、松下、瑞薩、ST、GaNPower 國內主要玩家有：安世半導體、英諾賽科、氮矽科技、芯冠科技、東科半導體、聚能創芯、能華微電子、鎵未來、芯干線
目前來看，GaN射頻器件領域供應商以IDM為主，GaN功率領域則偏向于選擇代工，設計與制造環節分工，也就是Fablss模式要相比SiC產業更加廣泛。不過與此同時，GaN國際企業上下游互相滲透的趨勢也在一些傳統IDM大廠中體現出來，比如Wolfspeed收購英飛凌的射頻功率業務，利用其SiC襯底優勢，加強其射頻GaN-on-SiC技術的優勢地位；NXP旗下6英寸射頻GaN晶圓廠在2020年投產；ST收購GaN外延、器件廠商Exagan等等。 在制程工藝上，GaN HEMT射頻器件的制程目前主流在0.5μm-0.25μm左右，逐漸向0.15μm發展。而比如Qorvo、OMMIC等廠商，已經開始嘗試60nm的工藝去制造射頻GaN器件，工藝制程的提升意味著可以實現更小的柵極長度，可以達到的頻率也就越高。通常來說，器件工作頻率越高，需要用到的工藝制程也越高。不過另一方面，據Qorvo介紹，GaN HEMT器件中電壓和柵極長度也成正比，所以當采用更高的工藝制程，獲得更高頻率時，往往器件輸出功率也會較低。 海外主要玩家有：Wolfspeed、住友電工、東芝、富士通、松下、三菱電機、MACOM、英飛凌、NXP、Qorvo、ADI、、TI、Transphorm、ST、X-Fab、UMS、OMMIC、環宇通訊半導體（GCS） 國內主要玩家有：海威華芯、三安集成、英諾賽科、能華微電子、蘇州能訊、芯冠科技、東科半導體、中電科十三所、安世半導體、聚能創芯、OMMIC（四川益豐）、TSMC（中國臺灣）、穩懋（中國臺灣）、世界先進（中國臺灣）、漢磊科技（中國臺灣）
GaN領域的封測環節，在光電子領域有比如德豪潤達、木林森等專注LED封裝的企業，射頻以及功率應用的封測部分企業如下. 海外主要企業：Wolfspeed、住友電工、東芝、富士通、松下、三菱電機、英飛凌、TI、NXP、Qorvo、ADI、MACOM、Transphorm、Amkor 國內主要企業：英諾賽科、蘇州能訊、東科半導體、長電科技、通富微電、天水華天、TSMC（中國臺灣）、日月光（中國臺灣）
無論是在射頻還是功率應用中，GaN器件是處于多種技術路線百花齊放的局面，包括襯底、結構等，都未有行業公認的最佳發展路線。這或許意味著，GaN器件未來會針對更多細分應用，通過多種技術路線的優勢去打細分市場，畢竟技術路線沒有好壞之分，只是需要衡量性能與成本找到合適的應用領域。 而從中游的情況來看，越來越多廠商加入到GaN功率器件的領域中，隨著電力電子行業的發展，傳統Si功率器件也將會受到越來越大的沖擊。與此同時，GaN中游設計、制造、封測三方面，海外公司的技術實力和產能優勢都較為明顯，特別在射頻領域上。但隨著GaN電力電子應用進一步鋪開，國內企業將會在GaN市場上占得一席之地。 下一期，我們將會帶來GaN產業下游的內容，包括射頻器件、功率器件的市場格局和中外產業現狀對比等。
器件設計
GaN器件設計根據類型我們可以分為三個部分，分別是：射頻、功率和光電子，這次主要關注的是射頻以及功率方面的應用。
??GaN射頻器件設計GaN射頻器件主要可以分為三種：大功率功放管（比如GaN射頻 HEMT）、PA模塊、5G毫米波等高頻段MMIC（單片微波集成電路）。目前GaN已經在射頻功率應用中成為LDMOS和GaAS的有力競爭對手。 為了提升性能，降低器件尺寸，GaN射頻器件集成度在不斷提高。隨著5G等高頻應用以及小尺寸需求提高，GaN工藝制程正在從0.25μm-0.5μm，向0.15μm推進，射頻領域領先的Qorvo甚至早已開始推進60nm工藝，用于毫米波等更高頻應用。 GaN射頻器件目前主流采用GaN-on-SiC技術，占比約90%，其余采用GaN-on-Si技術。Wolfspeed憑借先發優勢以及GaN-on-SiC技術，在射頻應用的GaN HEMT專利上擁有領先地位。 Si基GaN技術在近幾年由于成本優勢、以及解決缺陷密度問題后，在射頻領域有崛起的趨勢。2022年5月，ST和MACOM宣布射頻GaN-on-Si原型芯片制造成功，ST表示相關器件已達到成本和性能目標，完全能夠與市場上現有的LDMOS和GaN-on-SiC技術展開有效競爭，同時這些原型即將進入認證測試和量產階段，GaN-on-Si射頻商用進程正在加速。 在GaN射頻器件設計領域，海外主要玩家有：Wolfspeed、住友電工、東芝、富士通、三菱電機、MACOM、英飛凌、NXP、Qorvo、ADI、Raytheon。 國內主要玩家有：蘇州能訊、中興微電子、Ampleon（埃賦隆半導體，2015年建廣資本全資收購NXP射頻功率事業部后成立）、蘇州本然微電子、中電科十三所、OMMIC（四川益豐） GaN功率器件設計
GaN功率器件目前大多采用GaN-on-Si的技術，相比于昂貴的SiC襯底，采用Si襯底的GaN功率器件優勢主要在中低壓領域，市面上產品工作電壓主流產品在1000V以下，但近年也出現1200V甚至更高電壓的GaN-on-Si功率器件。在中低壓領域，GaN-on-Si功率器件有望可以部分取代傳統的Si基功率器件，比如在600V以下，取代硅基IGBT。 除此之外，隨著GaN單晶襯底的進一步成熟，垂直型GaN-on-GaN器件也受到很多廠商關注，各大高校、以及相關企業都在進行研究。相比于Si、SiC等襯底上的GaN外延層會因為晶格不匹配而產生缺陷，GaN襯底或GaN-on-GaN允許垂直傳導的GaN 晶體管具有更少的缺陷。同時，垂直型結構GaN器件相比目前市面上主流的橫向GaN器件，可以支持更高電壓的應用。不過，目前垂直型GaN器件距離商業化還很遙遠。 在GaN功率器件設計領域，海外主要玩家有：Wolfspeed、EPC、GaN Systems、 Power Integrations（PI）、Transphorm、Navitas、英飛凌、TI、安森美、松下、瑞薩、ST、GaNPower 國內主要玩家有：安世半導體、英諾賽科、氮矽科技、芯冠科技、東科半導體、聚能創芯、能華微電子、鎵未來、芯干線
晶圓制造
目前來看，GaN射頻器件領域供應商以IDM為主，GaN功率領域則偏向于選擇代工，設計與制造環節分工，也就是Fablss模式要相比SiC產業更加廣泛。不過與此同時，GaN國際企業上下游互相滲透的趨勢也在一些傳統IDM大廠中體現出來，比如Wolfspeed收購英飛凌的射頻功率業務，利用其SiC襯底優勢，加強其射頻GaN-on-SiC技術的優勢地位；NXP旗下6英寸射頻GaN晶圓廠在2020年投產；ST收購GaN外延、器件廠商Exagan等等。 在制程工藝上，GaN HEMT射頻器件的制程目前主流在0.5μm-0.25μm左右，逐漸向0.15μm發展。而比如Qorvo、OMMIC等廠商，已經開始嘗試60nm的工藝去制造射頻GaN器件，工藝制程的提升意味著可以實現更小的柵極長度，可以達到的頻率也就越高。通常來說，器件工作頻率越高，需要用到的工藝制程也越高。不過另一方面，據Qorvo介紹，GaN HEMT器件中電壓和柵極長度也成正比，所以當采用更高的工藝制程，獲得更高頻率時，往往器件輸出功率也會較低。 海外主要玩家有：Wolfspeed、住友電工、東芝、富士通、松下、三菱電機、MACOM、英飛凌、NXP、Qorvo、ADI、、TI、Transphorm、ST、X-Fab、UMS、OMMIC、環宇通訊半導體（GCS） 國內主要玩家有：海威華芯、三安集成、英諾賽科、能華微電子、蘇州能訊、芯冠科技、東科半導體、中電科十三所、安世半導體、聚能創芯、OMMIC（四川益豐）、TSMC（中國臺灣）、穩懋（中國臺灣）、世界先進（中國臺灣）、漢磊科技（中國臺灣）
封裝測試
GaN領域的封測環節，在光電子領域有比如德豪潤達、木林森等專注LED封裝的企業，射頻以及功率應用的封測部分企業如下. 海外主要企業：Wolfspeed、住友電工、東芝、富士通、松下、三菱電機、英飛凌、TI、NXP、Qorvo、ADI、MACOM、Transphorm、Amkor 國內主要企業：英諾賽科、蘇州能訊、東科半導體、長電科技、通富微電、天水華天、TSMC（中國臺灣）、日月光（中國臺灣）
小結
無論是在射頻還是功率應用中，GaN器件是處于多種技術路線百花齊放的局面，包括襯底、結構等，都未有行業公認的最佳發展路線。這或許意味著，GaN器件未來會針對更多細分應用，通過多種技術路線的優勢去打細分市場，畢竟技術路線沒有好壞之分，只是需要衡量性能與成本找到合適的應用領域。 而從中游的情況來看，越來越多廠商加入到GaN功率器件的領域中，隨著電力電子行業的發展，傳統Si功率器件也將會受到越來越大的沖擊。與此同時，GaN中游設計、制造、封測三方面，海外公司的技術實力和產能優勢都較為明顯，特別在射頻領域上。但隨著GaN電力電子應用進一步鋪開，國內企業將會在GaN市場上占得一席之地。 下一期，我們將會帶來GaN產業下游的內容，包括射頻器件、功率器件的市場格局和中外產業現狀對比等。
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