bet98官网GaN 放大器产业链

  GaN-on-SiC 射频器件的供应商主要为 IDM 企业,核心产业链环节包括 SiC 衬底材料制作、GaN 材料外延生长、器件设计和制造、封装测试。本文将从 SiC 衬底、GaN 材料外延、器件设计和制造三个环节来阐述。

  SiC 衬底

  行业观察

  SiC 衬底产品按照晶体结构主要分 4H-SiC 和 6H-SiC,4H-SiC 为主流产品,按照性能主要分为半导电型和半绝缘型。硅片拉晶时和单晶种子大小无关,但是 SiC 的单晶种子的尺寸却直接决定了 SiC 的尺寸,目前主流尺寸是 4-6 英寸,8 英寸衬底已由 II-VI 公司和 Cree 公司研制成功。半导电型 SiC 衬底以 n 型衬底为主,主要用于外延 GaN基 LED 等光电子器件、SiC 基电力电子器件等。半绝缘型 SiC 衬底主要用于外延制造GaN 高功率射频器件。

  SiC 衬底市场的主要供应商有美国 Cree(Wolfspeed)、 DowCorning、日本罗姆、美国 II-VI、日本新日铁住金、瑞典 Norstel(中国资本收购)等。Cree公司的SiC衬底占据整个市场40%左右的份额,其次为Ⅱ-Ⅵ公司、日本 ROHM,三者合计占据 75%左右的市场份额。6”半导电型衬底均价约为 1200 美元,6”衬底价格在 4”衬底价格 2 倍以上。

  Cree 目前的 4”产品没有价格优势,现阶段主要生产 6” SiC 产品,占比 95%以上。据拓璞了解,其半导电型 SiC 衬底和外延产品在中国由住友商事代理,半绝缘型 SiC 衬底目前产线紧张,未能卖往中国市场。

  SiC 衬底国内供应商主要有山东天岳、天科合达、同光晶体、中科节能、中电科 46 所和北电新材料。目前主要量产的产品为 3 英寸和 4 英寸,山东天岳、天科合达、同光晶体和中科节能均已完成 6 英寸衬底的研发,天科合达可批量提供 6 寸半导电性 SiC 衬底。

  中国 SiC 衬底发展很快,但是仍显不足,目前 70%-80%仍以 Cree等公司的进口产品为主,国内厂商的产品约占 10%-20%,主要用于研发和试样,主要原因是供货能力、质量及可靠性方面稍显不足。下游需求主要是中国中车、中电科 55 所和国家电网等企业。但是中国 SiC衬底发展很快,目前可以实现 4”衬底的量产,价格相比 Cree 有较大优势,2017 年底 4”衬底产能可达 15 万片/年。

  重点企业介绍

  (1)山东天岳

  2018 年 11 月,山东天岳在湖南浏阳启动中国最大的 SiC 衬底项目-湖南天玥科技有限公司。项目资料显示,该项目总投资 30 亿元,项目分两期建设,一期占地 156 亩,主要生产碳化硅导电衬底,预估年产值 13 亿元;二期主要生产功能器件,包括电力器件封装、模块及装置、新能源汽车及充电站装置、轨道交通牵引变流器、太阳光伏逆变器等,预估年产值 50-60 亿元。

  (2)天科合达

  天科合达主要产品包括 4” SiC 晶片生产(6 英寸未量产)和 SiC 单晶生长设备。根据从天科合达总经理杨健处所获得的信息,天科合达约有 100 多台长晶炉,4”半导电型 SiC 晶片产能约为 2 万片/年。天科合达的前 4 客户需求为 20 万片/年。天科合达正在继续扩充产能,计划扩充 3 倍。2018 年 10 月,天科合达在徐州经开区投资的碳化硅晶片项目正式签约。

  (3)河北同光

  河北同光主要产品包括 4”和 6”导电型、半绝缘碳化硅衬底,其中 4 英寸衬底已达到世界先进水平。2017 年 10 月,同光联合清华大学、北京大学宽禁带半导体研究中心、中国科学院半导体研究所、河北大学共同搭建了“第三代半导体材料检测平台”,推动了国内第三代半导体产业的发展。

  (4)中科节能

  2017 年 7 月,中科节能与青岛莱西市、国宏中晶签订合作协议,投资建设 SiC 长晶生产线项目。该项目总投资 10 亿元,项目分两期建设,一期投资约 5 亿元,预计 2019 年 6 月建成投产,建成后可年产 5 万片 4” N 型 SiC 晶体衬底片和 5 千片 4” 高纯度半绝缘型 SiC 晶体衬底片;二期投资约 5 亿元,建成后可年产 5 万片 6” N 型 SiC 晶体衬底片和 5 千片 4”高纯度半绝缘型 SiC 晶体衬底片。

  (5)北电新材料

  Norstel 成立于 2005 年,是从硅晶圆片制造商 Okmetic Oyj 分离出来的企业,位于瑞典 Norrk?ping 的工厂建成于 2006 年。Norstel采用用高温化学气相沉积(HTCVD)专利技术,生产高质量大尺寸的SiC 衬底和外延片。2017 年三安光电参与管理的基金收购 Norstel,其后成立福建北电新材料,2019 年三安选择将 Norstel55%股权出售给意法半导体,拓璞推测原因为三安已 Norstel 的技术吸收完毕。

  GaN 材料外延

  射频器件主要以GaN-on-SiC为主要技术路线,主流尺寸是4英寸和6英寸,预计到2020年,随着6英寸SiC衬底价格不断下降,6英寸外延将成为重点。此外,基于高阻硅的GaN-on-Si未来有望在高频-低功率市场打破GaN-on-SiC在射频器件的垄断局面,例如未来5G将大规模应用的小基站市场,美国MACOM公司主要采用GaNon-Si技术制造射频器件。

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  GaN射频外延企业主要有比利时的EpiGaN、英国的IQE、日本的NTT-AT。中国厂商有苏州晶湛、苏州能华和世纪金光,苏州晶湛2014年就已研发出8”硅基外延片,现阶段已能批量生产。苏州能华主要面向太阳能发电、电力传输等电力领域。世纪金光在SiC、GaN领域的粉料、单晶、外延、器件和模块都有涉及。

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  GaN 器件设计与制造

  GaN射频器件主要有HEMT和HBT两大工艺。射频工艺主要跟栅长及偏置电压(Bias)有关,工艺制程越低,器件频率越高。0.5μm栅长和高偏置(40到50V),主要瞄准高功率、频率Sub-8GHz器件;0.25μm栅长和中偏置(28到30V),主要瞄准更高频率(约18GHz)的器件; 0.15μm-0.1μm栅长,主要瞄准毫米波器件(30GHz以上)。现阶段GaN射频器件主流工艺制程正从0.25μm-0.5μm向0.15μm-0.1μm过渡。Qorvo正在进行90nm工艺的研发,Cree及稳懋主要制程工艺在0.25-0.5μm之间。 粉料、单晶、外延、器件和模块都有涉及。

  IDM 企业

  全球基站端射频器件的供应商以 IDM 企业为主,主要有日本住友电工旗下的 SEDI 公司(Sumitomo Electric Device Innovations)、Infineon(RF 部门已出售给 Cree)、美国 Cree 旗下 Wolfspeed 公司、Qorvo 公司、MACOM 公司、Ampleon、韩国 RFHIC 等。

  全球 GaN 射频器件供应商中,住友电工和 Cree 是行业的龙头企业,市场占有率均超过 30%,其次为 Qorvo 和 MACOM。住友电工在无线通信领域市场份额较大,其已成为华为核心供应商,为华为 GaN射频器件最大供应商。Cree 收购英飞凌 RF 部门后实力大增,LDMOS产品和 GaN 产品在全球都比较有竞争力。Qorvo 在国防和航天领域市场份额排名第一。

  中国 GaN 器件 IDM 企业有苏州能讯、英诺赛科,大连芯冠科技正在布局,海威华芯和三安集成可提供 GaN 器件代工服务,其中海威华芯主要为军工服务。中电科 13 所、55 所同样拥有 GaN 器件制造能力。

  代工企业

  代工厂商主要有环宇通讯半导体(GCS)、稳懋半导体、日本富士通、Cree、台湾嘉晶电子、台积电、欧洲联合微波半导体公司(UMS),以及中国的三安集成和海威华芯。此前恩智浦 RF 部门(安谱隆前身) 、英飞凌 RF 部门(已出售给 Cree)、韩国 RFHIC 将 GaN 射频器件委托Cree 公司代工。MACOM 收购 Nitronex 在 2011 年就与环宇通讯半导体(GCS)公司合作生产 Si 基 GaN 器件,一直合作至今。2016 年三安光电收购 GCS 被美国否决,其后三安光电与 GCS 合资设立厦门三安环宇集成电路公司,前期主要生产 6 英寸 GaAs 晶圆。

  重点企业介绍

  (1)住友电工

  日本住友电工旗下的 SEDI 公司(Sumitomo Electric DeviceInnovations)主要生产 GaAs 低噪声放大器(LNA)、 GaN 放大器、光收发器及模块,其中 GaN 放大器可应用于卫星通信、无线基站、雷达站等领域,基站端 GaN 放大器包括驱动级 PA 和末级 PA,主要产品为 40W 以下产品,频率在 DC~3.7GHZ,主工作频率为 2.65GHZ。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。除此之外,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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  (2)Cree

  Cree 公司是全球最大的 SiC 和 GaN 器件制造商,主要由其子公司 Wolfspeed 经营 RF 业务。2018 年,Cree 以 3.45 亿欧元收购英飞凌 RF 部门,英飞凌为 LDMOS 放大器主要供应商,同时拥有 GaNon-SiC/Si 器件生产能力。收购完成后,Cree 将成为全球最大的 GaN射频器件供应商。Cree 除自身生产 GaN 射频器件外,还拥有 GaN 代工生产能力。Wolfspeed 现主要有电力器件、RF 器件及材料三大业务,2018 财年营收为 3.29 亿美元,占 Cree 总营收的比例为 22%,相比于 2017 年 2.2 亿美元同比增长 49%。增长的主要原因是器件销售同比增长 30%,器件的平均售价(ASP)同比增长 21%。

  Cree 公司射频放大器产品种类合计 81 个,频率涵盖范围从0.47GHz 到 6.0GHz,其中 3.0GHz 以下采用 LDMOS 技术,3.0GHz 采用 GaN HEMT 技术。GTRA364002FC 、 GTRA362802FC 和GTRA362002FC 为 GaN 放大器高功率产品,最高峰值功率达 400W,主要应用于 5G 基站。此外,Cree 拥有众多低功率 GaN 射频产品,平均功率为 10W 以下,主要应用于 WiMax 和 BWA,未来有望于在小基站领域应用。

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  (3)QorvoQorvo

  QorvoQorvo 从 1999 年起推动 GaN 研究,Qorvo 能提供 Sub-6GHz、厘米波/毫米波无线射频产品。Qorvo 在国防和有线行业的 GaN-onSiC 解决方案供应量全球第一。Qorvo 的所有 GaN 产品在 200℃条件下的平均无故障时间(MTTF)均超过 107 小时,还是能承受高加速应力测试(HAST)的器件。此项测试在 105℃、85%相对湿度且大气压不超过 4atm 的条件下对器件性能进行 96 小时的测量。

  Qorvo 营收主要由两大部门构成,即移动器件部门(MP)和基础设施及国防器件部门(IDP)。 IDP 器件部门提供 GaAs 和 GaN 放大器、LNA、射频开关等。IDP 部门 2018 财年营收为 7.9 亿美元,同比增长 29.9%,主要原因是国防及航空领域的旺盛需求,以及 WIFI 模块的销售高速增长。

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  Qorvo 在 2018 年 3 月推出了全球功率最高的碳化硅基氮化镓(GaN-on-SiC) RF晶体管-QPD1025,QPD1025在65V下运行1.8KW,与 LDMOS 相比,QPD1025 的漏极效率有了显著提升,效率高出近15 个百分点, QPD1025 主要应用在航空及国防领域。Qorvo 在 5G 基础设施领域的产品众多,包括放大器、低噪声放大器(LNA)、数字步进衰减器、射频开关等。18GHz 以上的 PA 合计达 13 款,最高频率可达 47GHz。基站端的主要产品是 QPA 系列和QPD 系列,QPD0020 的漏极效率达到了 77.8%,行业内处于领先地位。

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  (4)MACOM

  MACOM 收购 Nitronex,获得了 GaN-ON-Si 技术,成本比 GaNON-Si 低许多。Nitronex 在 2011 年就与环宇通讯半导体(GCS)公司合作生产 Si 基 GaN 器件,一直合作至今。

  MACOM 和意法半导体(ST)展开合作,将在意大利 Catania 和新加坡分别建设射频放大器晶圆厂,主要是 6”/8”的 GaN-ON-Si 产品,两个基地在 2022 年产值预计达 30 亿美元,制程工艺由 0.5μm向 0.25μm 和 0.15μm 演进。

  2019MWC 会议上,MACOM 发布了 MAGX-102731-180 PA 产品,频率范围为 2.7-3.1GHz,峰值输出功率达 180W,漏极效率大于50%。从图 7 上看,50V/100mA 情形下,GaN-on-SiC 产品和 MACOMGaN-on-Si 产品 Pout 值高于 LDMOS 产品,MACOM GaN-on-Si 产品甚至优于 GaN-on-SiC 产品。

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  MACOM 公司的 GaN-on-Si 放大器产品如表10 所示,高频段产品 MAGx-011086 输出功率和效率不是很高,2019MWC 大会发布的MAGX-102731-180 未来有望在市场上有较好的表现。

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  (5)Ampleon

  2015 年,Ampleon 承接了从 NXP 中剥离出来的射频部门,北京建广资产收购后组建 Ampleon 集团。2016 年,Ampleon 在合肥开设RF 能源卓越中心,Ampleon 生产的 LDMOS 和 GaN 射频器件供应全球通讯设备厂商,如华为、诺基亚、爱立信、中兴以及三星等。Ampleon 产品可应用于国防及航空航天、手机射频、广播及无线通信领域。

  Ampleon 现阶段出货量最大的仍是 LDMOS 产品,主要为 2.4GHz-2.7GHz 频段。Ampleon 的 GaN 放大器产品主要分 2 个频段,3.5GHz 以下和6.1GHz 以下,CLF1G0035-200P 的最高输出功率达 200W,漏极效率为 48%。CLF1G0035 系列产品为高功率产品,主要应用于宏基站、国防及航空领域。CLF1G0060 系列产品为低功率产品,输出功率不高于30W,主要应用为小基站。

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  (6)苏州能讯

  苏州能讯成立于 2007 年,是中国比较领先的 GaN 射频功率器件的 IDM 公司。根据从苏州能讯半导体总经理任勉所获得的信息,苏州能讯从成立到现在已经进行了三轮融资,总共投入约 10 亿人民币,其第一规模工厂(FAB1)位于苏州昆山高新区,工厂占地 55 亩,厂房面积为 18000 平方米,经过第三轮 5 亿元融资后,现有产线改造扩容结束将具备年处理 4 英寸 GaN 晶圆 5 万片/年(约折合 2000 万支器件)的能力。若 GaN 器件在 5G 市场部署时如期爆发,苏州能讯未来将规划建设 FAB2, FAB2 规划为 6 英寸产线,资本投入将会是 FAB1的三倍以上。

  苏州能讯推出了频率高达 6GHz、工作电压 48/28V、输出功率从10W-390W 的射频器件。在移动通信方面,苏州能讯可提供适应 4G及 5G 的高效率和高增益的射频器件,工作频率涵盖 1.8-3.8GHz,工作电压 48V,设计功率从 130W-390W,平均功率为 16W-55W。

  (7)英诺赛科

  英诺赛科由海归创业团队成立,拥有硅基 GaN 外延生长及器件制造能力。一期项目位于珠海市国家级高新区,主要建设 8 英寸增强型硅基氮化镓外延与器件大规模量产生产线,主要产品包括 100V650V 8 英寸硅基氮化镓外延片、100V-650V 氮化镓功率器件、氮化镓集成电路。2018 年,英诺赛科斥资 60 亿在苏州吴江建立生产线,产品规划覆盖低压至高压半导体功率器件和射频器件。目前还没有GaN-on-SiC 射频产品。

  (8)海威华芯

  成都海威华芯科技有限公司由海特高新和央企中电科 29 所合资组建。2015 年 1 月,海特高新以 5.55 亿元收购海威华芯原股东股权,并以增资的方式取得海威华芯 52.91%的股权,成为其控股股东,从而涉足高端化合物半导体集成电路芯片研制领域。

  海威华芯是一家纯晶圆代工企业,是国内较为领先的 6”GaAs 晶圆代工企业,主要为军工企业服务。海威华芯 6 英寸第二代/第三代半导体集成电路芯片生产线于 2011 年开工建设, 2016 年 4 月完成工程建设,于 2016 年 8 月投入试生产。该生产线设计产能为 6” GaAs芯片 40000 片/年,GaN 芯片 30000 片/年,SIP 封装(微波组件)30000 片/年。但实际工程建设中,SIP 封装(微波组件)并未建设。

  此外,海威华芯正在积极涉足 GaN 功率器件及射频器件领域,其 0.5μm 的 HEMT 工艺技术在 6” GaN 上验证成功。

  (9)三安集成

  三安集成是中国第一家 6 英寸化合物半导体晶圆制造企业,规划中的产品包括用于射频、毫米波、电力电子和光通信市场的砷化镓(GaAs) HBT、pHEMT、BiHEMT、IPD、滤波器、氮化镓(GaN)功率器件HEMT、碳化硅(SiC)和磷化铟(InP)。三安集成通讯微电子器件项目位于厦门火炬(翔安)产业园,总投资为 30 亿元。规划产能为 30 万片/年 GaAs 高速半导体外延片及 30 万片/年 GaAs 高速半导体芯片、6万片/年 GaN 高功率半导体外延片及 6 万片/年 GaN 高功率半导体芯片。根据渠道消息获知,三安集成的 PA、电力电子器件已经正常出货。

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  拓璞观点

  观点一:

  GaN 放大器市场将在 2020 年迎来爆发2019 年中国 5G 建设元年, 2020 年为爆发年,依据本文的测算,基站端 GaN 放大器市场规模达 32.7 亿元,同比增长 340.8%。

  GaN 放大器需求数量在2019-2023年保持快速增长, 2023年达18117万个,按照 4” GaN 晶圆切 400 个计算,则需要 GaN 晶圆数量达 45 万片。

  观点二:

  中国 SiC 衬底和 GaN 放大器企业将迎来大机遇。山东天岳、天科合达、同光晶体、中科节能、中电科 46 所和北电新材料是构成中国 SiC 衬底的主要企业,目前主要生产 4” 半导电型 SiC 衬底,年产能约为 15 万片/年,市场需求在 20 万片/年以上,产能将继续扩张。

  但是用于 GaN 放大器生产用的半绝缘型 SiC 衬底目前出货较少,河北同光和中科节能能少量出货。由于 Cree 半绝缘型产品产能紧张,中国半绝缘型 SiC 衬底市场将持续紧张。GaN 放大器以 IDM 企业为主,中国苏州能讯和将在合肥落地的安谱隆是少数几家拥有出货能力的 GaN 放大器企业。

  现阶段 50V 工作电压,频率在 3.5GHz 以下的 GaN 放大器价格在 10 美元-12 美元之间。若苏州能讯 4 英寸 GaN 晶圆 5 万片的年产能完全达产,产值将达 2 亿美元。此外,英诺赛科、大连芯冠、海威华芯、三安集成都在积极布局 GaN 放大器市场。中国 5G 建设给 GaN 放大器企业提供了巨大机遇。