安谱隆(安谱隆被哪家上市公司收购了)

随着技术的发展，终端设备对半导体器件的性能、效率和小型化的要求越来越高。尤其是5G的到来，进一步推动了氮化镓(GaN)作为第三代半导体材料的快速发展。

1.甘是什么？

GaN是一种非常稳定的化合物，也是一种坚硬的高熔点材料，熔点在1700℃左右。GaN具有高电离度，是III-V族化合物中最高的(0.5或0.43)。在大气压下，GaN晶体一般为六方纤锌矿结构。

2.GaN器件逐渐进入成熟阶段。

氮化镓技术可以追溯到20世纪70年代，美国无线电公司(RCA)开发了一种氮化镓工艺来制造LED。自20世纪90年代以来，GaN基LED一直大放异彩，现在是LED的主流。现在市场上的很多led都是采用蓝宝石衬底的氮化镓技术。

除了LED，氮化镓也用于功率半导体和射频设备。GaN基功率芯片正在市场上站稳脚跟。2010年，第一个GaN功率器件由IR投入市场。2014年后，600V GaN HEMT成为GaN器件的主流。2014年，该行业首次在8英寸SiC上生长GaN器件。

3.GaN在电力电子和微波射频领域具有优势。

①电力电子领域的GaN:高效率、低损耗、高频。

转换效率高:GaN的带隙是Si的3倍，击穿电场是Si的10倍。因此，相同额定电压的GaN开关功率器件的导通电阻比Si器件低三个数量级，大大降低了开关的导通损耗。

传导损耗低:GaN的带隙是Si的3倍，击穿电场是Si的10倍。因此，相同额定电压的GaN开关功率器件的导通电阻比Si器件低三个数量级，大大降低了开关的导通损耗。

▲Si功率器件开关速度慢，能量损耗大(来源:太平洋证券)

▲GaN切换速度快，可以大大提高效率(来源:太平洋证券整理)

工作频率高:GaN开关器件寄生电容小，工作效率比Si器件至少可提高20倍，大大减小了电路中电容、电感等储能元件的体积，从而使设备体积翻倍，减少了铜等贵重原材料的消耗。

②微波射频领域的GaN:高效率、宽带宽、高功率。

功率更高:GaN上的电子具有高饱和速度(在非常高的电场中的电子速度)。结合大电荷容量，这意味着GaN器件可以提供更高的电流密度。RF功率输出是电压和电流摆动的产物，因此较高的电压和电流密度可以在实际尺寸的晶体管中产生较高的RF功率。在4GHz以上的频段，可以输出远高于GaAs的频率，特别适用于雷达、卫星通信、中继通信等领域。

效率更高:功耗更低，节约电能，散热成本更低，总运营成本更低。

更大的带宽:提高信息承载能力，用更少的设备实现多频覆盖，降低客户产品成本。也适用于扩频通信、电子对抗等领域。

此外，值得一提的是GaN-on-SiC器件具有优异的热性能，这主要是由于SiC的高热导率。实际上，这意味着当消耗相同的功率时，GaN-on-SiC器件不如GaAs或Si器件热。“更冷”的设备意味着更可靠的设备。

4.与第二代半导体材料GaAs相比，它具有明显的优势。

GaN器件的功率密度是GaAs器件的十倍。GaN器件较高的功率密度使其能够提供更宽的带宽、更高的放大器增益和更高的效率，因为器件的外围更小。

GaN场效应晶体管(FET)器件的工作电压可以比类似的GaAs器件高五倍。由于GaN FET器件可以在更高的电压下工作，设计人员可以更容易地在窄带放大器设计中实现阻抗匹配。阻抗匹配是指设计电气负载的输入阻抗，使从设备到负载的功率传输最大化。

GaN FET器件的电流是GaAs FET器件的两倍。GaN FET器件具有更高的带宽能力，因为它们能够提供的电流是GaAs FET器件的两倍。大多数半导体器件对温度变化非常敏感。为了保证可靠性，半导体的温度变化必须控制在一定范围内。热管理对于射频系统尤为重要，因为其本身的能耗比较高，会带来严重的散热问题。GaN在保持低温方面有其独特的优势。此外，即使在高温下，其性能也比硅受到的影响小。例如，MTTF的中值故障时间为一百万小时，表明GaN的工作温度可以比GaAs高50摄氏度。

▲与甘的信度比较(来源:中银国际证券Qorvo)

与其他半导体(如Si和GaAs)相比，GaN是一种相对较新的技术，但它已成为高射频和高功耗应用的首选技术，如长距离或高端功率传输应用(如雷达、基站收发信台[BTS]、卫星通信、电子战[EW]等)。).

5.随着成本的降低，GaN市场空是巨大的。

随着成本的降低，GaN市场空是巨大的。GaN、SiC、Si材料各有优势，但也有重叠。GaN的电子饱和漂移率最高，适合高频应用，但不如SiC在高电压和高功率应用中。随着成本的降低，GaN有望取代二极管、IGBT、MOSFET等硅基功率器件。在中低功率领域。电压方面，0~300V是Si的优势材料，600V以上是SiC的优势材料，300V ~ 600V之间是GaN的优势场。

根据Yole的估计，GaN在0~900V低压市场有很大的应用潜力，约占整个电力市场的68%。从154亿美元的整体市场来看，GaN的潜在市场超过100亿美元。

甘市场即将大放异彩。根据Yole的预测，在通信和国防应用的带动下，2017-2023年RF GaN行业的年复合增长率将达到23%。截至2017年底，RF GaN的市场总量接近3.8亿美元，2023年将达到13亿美元。基于射频的GaN技术不断创新，以满足行业需求。国防是射频GaN的主要市场领域，因为GaN产品具有专业的高性能要求和低价格优势。2017-2018年，国防应用占整个GaN射频市场的35%以上。目前，全球防务市场在GaN领域没有放缓的迹象。

二。GaN市场:射频是主战场，5G是重要机遇。

1.GaN是一种适用于射频器件的材料。

目前，射频市场上主要有三种工艺:GaAs工艺、硅基LDMOS工艺和GaN工艺。GaAs器件的缺点是功率低于50W。

LDMOS器件的缺点是工作频率有限，最高有效频率在3GHz以下。GaN弥补了GaAs和硅基LDMOS之间的缺陷，既体现了GaAs的高频性能，又结合了硅基LDMOS的功率处理能力。

在射频PA市场，LDMOS PA的带宽会随着频率的提高而大大降低，而且只在3.5GHz左右的频率范围内有效，0.25微米工艺的GaN器件频率可高达4倍，带宽可提高20%，功率密度可达6~8 W/mm(LDMOS为1~2W/mm)，无故障工作时间可达100万小时。更耐用，综合性能优势。

在较高频段(和低功率范围)，GaAs PA是当前市场的主流，占出货量的90%以上。与GaAs射频器件相比，GaN的优势主要在于带隙宽度和热导率。在带隙宽度方面，GaN的带隙电压高于GaAs(3.4 eV VS1.42 eV)，GaN器件具有更高的击穿电压，可以满足更高的功率要求。在热导率方面，GaN-on-SiC的热导率远高于GaAs，这意味着器件中的功耗可以更容易地转移到周围环境中，散热也更好。

2.GaN是5G应用的关键技术。

5G将给半导体材料带来革命性的变化。随着通信频段向高频迁移，基站和通信设备需要支持高频性能的射频器件。GaN的优势会逐渐凸显，这也正是上一节讨论的地方。正是这种优势，使得GaN成为5G的关键技术。

在大规模MIMO应用中，大量的阵列天线(如32/64等。)用于基站收发信机中，以实现更大的无线数据流和连接可靠性。这种架构需要匹配相应的射频收发阵列，因此射频器件的数量会大大增加，这就使得器件的尺寸变得至关重要。利用GaN的小尺寸、高效率、高功率密度的特点，可以实现高度集中的解决方案，比如模块化的射频前端器件。基站射频收发单元的显示除了需要大量的射频器件外，基站的密度和数量也会大大增加。所以5G时代的射频设备数量相比3G和4G时代会增加几十个甚至上百个。在5G毫米波的应用中，GaN的高功率密度特性，在相同的覆盖条件和用户跟踪功能下，可以有效减少收发信道的数量和整体方案的尺寸。

2018年12月，Qorvo发布了业界首款28 Ghz GaN前端模块QPF4001 FEM，该模块在单个MMIC中集成了高线性度LNA、低损耗发射/接收开关和高增益高效率多级PA。针对5G基站架构中28 GHz间距的相控阵元，优化了紧凑型5x4mm气腔层表贴封装。该模块采用Qorvo的高效0.15微米GaN-on-SiC技术。

3.GaN电力电子器件的典型应用:快速充电电源

GaN电力电子器件的典型应用市场是电源设备。由于结构中含有可以实现高速性能的异质结二维电子气，GaN器件的工作频率比SiC器件高，耐压比SiC器件低。因此，GaN电力电子器件更适合高频、小体积、成本敏感、低功耗的要求，如轻量化消费电子电源适配器、无人机超轻电源、无线充电设备等。

GaN电力电子器件增速最快的是快充市场。2018年，全球首批gan IC制造商Navitas和Exagan推出了集成GaN解决方案的45W快速充电电源适配器(GaNFast)。这款45W充电器和苹果USB-C充电器相比，功率差别不大，体积却完全不同。内置GaN充电器比苹果充电器小40%。目前，采用GaN材料制作的快速充电器已经成为星星之火可以燎原的趋势，并有望成为行业主流。

第三，梳理甘产业链

GaN射频器件的典型加工工艺主要包括外延生长、器件隔离、欧姆接触(源漏制作)、氮化物钝化、栅极制作、场板制作、衬底减薄、衬底通孔等。

▲典型GaN工艺流程(来源:Qorvo，中银国际证券)

与SiC产业链类似，GaN器件产业链的环节如下:GaN单晶衬底(或SiC、蓝宝石、Si)→GaN材料外延→器件设计→器件制造。目前行业以IDM企业为主，但分工已经开始出现在设计和制造环节。例如，传统的硅片代工企业TSMC已经开始提供GaN代工服务，中国的三安集成也有成熟的GaN代工服务。就各个环节相关的企业而言，以欧美企业为主，中国企业早已涉足其中。

GaN衬底:主流产品以2~3寸为主，4寸已经商用。GaN衬底主要以日本企业为主，住友电机在日本的市场占有率超过90%。目前国内已产业化的企业有苏州纳米所的苏州那威科技公司和北京大学的东莞中嘉半导体科技公司。

GaN外延片:根据衬底的不同，分为Si上GaN、SiC上GaN、蓝宝石上GaN、GaN上GaN四种。

GaN-on-Si:目前行业的生产良率较低，但在降低成本方面潜力巨大:因为Si是最成熟、无缺陷、成本最低的衬底材料；同时，Si可以扩展到8英寸晶圆厂，降低单位生产成本，使其晶圆成本仅为SiC基的百分之一；Si的生长速度比SiC晶体材料高200到300倍，在晶圆厂的设备折旧和能耗成本上也有相应的差异。GaN-on-Si外延片主要用于制造电力电子器件，其技术趋势是优化大规模外延工艺。

GaN-on-SiC:它结合了SiC的优良导热性和GaN的高功率密度和低损耗，是一种适用于RF的材料。目前SiC限制衬底的尺寸仍然局限在4英寸和6英寸，8英寸还没有普及。GaN-on-SiC外延片主要用于制造微波射频器件。

蓝宝石衬底GaN:主要用于LED市场，主流尺寸为4英寸，蓝宝石衬底GaN LED芯片市场占有率超过90%。

GaN- on- GaN:同质衬底GaN的主要应用市场是蓝/绿光激光器，用于激光显示、激光存储、激光照明等领域。

外延片相关企业主要有比利时的EpiGaN、英国的IQE和日本的NTT-AT。中国制造商包括苏州詹静、苏州能化和广金。苏州詹静已于2014年开发出8英寸硅基外延片，现阶段可以量产。苏州能化主要面向太阳能发电、电力输送等电力领域。世纪金光在SiC和GaN领域涉及粉体、单晶、外延、器件和模块。

GaN器件的设计与制造:GaN器件分为射频器件和电力电子器件。射频器件产品包括功放、LNA、开关、MMIC等。，面向基站、卫星、雷达等市场。电子器件包括SBD、常关型场效应晶体管、常开型场效应晶体管、共源共栅场效应晶体管等。，分别针对无线充电、电源开关、包络跟踪、逆变器、转换器等市场。

按工艺可分为两大类:HEMT、HBT的射频工艺和SBD的功率FET电力电子器件工艺。

至于GaN器件的无晶圆厂厂商，有美国的EPC、MACOM、Transphom和Navitas，德国的Dialog，中国资本在国内收购的Ampleon等。

GaN射频器件全球独立设计生产供应商(IDM)中，住友电气和科锐是行业龙头企业，市场份额超过30%，其次是Qorvo和MACOM。住友电气在无线通信领域占有很大的市场份额。已经成为华为的核心供应商，也是华为GaN射频器件的最大供应商。科锐收购英飞凌射频部门后，实力大增，LDMOS产品和GaN产品在全球都有竞争力。Qorvo在国防和航空航天市场份额排名第一。另外还有法国的Exagan，荷兰的恩智浦，德国的英飞凌，日本的三菱电机，美国的II-VI。

中国GaN器件IDM企业有苏州能讯、innoceco、江苏能华等。大连芯冠科技正在布局，海威华信、三安集成可以提供GaN器件代工服务，其中海威华信主要服务军工。中电13所和55所也具备GaN器件的制造能力。

GaN的代工厂主要包括GCS、半导体、富士通、科锐、台湾嘉靖电子、中国、、三安集成和中国华信。此前，恩智浦的射频部门(安普隆的前身)、英飞凌的射频部门(卖给科锐)、韩国RFHIC都将GaN射频器件委托给科锐代工。MACOM收购Nitronex，2011年与全球通信半导体(GCS)公司合作生产Si基GaN器件，合作至今。2016年，三安光电收购GCS被美国拒绝。后来三安光电与GCS合资成立厦门三安玉环集成电路公司，前期主要生产6寸GaAs晶圆。

综上所述，目前在GaN等第三代半导体材料上，美、日、欧厂商处于领先地位。相比之下，大陆在GaN领域还比较薄弱，主要依靠国外代工。

四。专利的分配

从专利上看，住友电气是射频GaN器件的市场领导者，但与Cree相比还有很大差距。住友电气的专利目前正在放缓，而富士通、东芝和三菱电机等其他日本公司正在增加专利申请，现在拥有强大的专利组合。目前，Intel macom和Intel MACOM是在RF GaN领域申请专利最活跃的两家公司，尤其是GaN-on-Silicon技术。现在，这两家公司在射频GaN专利领域都有重要的IP。其他涉足RF GaN市场的公司，如Qorvo、雷神、诺斯罗普·格鲁曼、恩智浦/飞思卡尔、英飞凌等，虽然拥有一些关键专利，但知识产权地位还比较薄弱。

▲RF GaN中的关键IP玩家(来源:Yole，中银国际证券)

中国电子科技集团和西安电子科技大学在中国专利领域占据主导地位，拥有微波和毫米波应用的GaN射频技术专利。中国公司HiWafer作为新的代工厂，已经逐渐在GaN专利中占据一席之地。

总的来说，射频GaN领域仍然由美国和日本公司主导。

编辑:辛志勋-浪客剑

部分内容综合自:太平洋证券、中银国际证券、拓岱行业研究。