第三代半导体氮化镓GaN行业研究报告.docx

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第三代半导体氮化镓GaN行业研究报告

2020年第三代半导体氮化镓GaN行业研究报告

一、第三代半导体GaN：

射频、电源、光电子广泛运用

第一代半导体材料主要是指硅（Si）、锗（Ge）元素半导体。

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。

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。

1.2GaN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。

氮化镓通常用于微波射频、电力电子和光电子三大领域。

具体而言，微波射频方向包含了5G通信、雷达预警、卫星通讯等应用；电力电子方向包括了智能电网、高速轨道交通、新能源汽车、消费电子等应用；光电子方向包括了LED、激光器、光电探测器等应用。

二、射频应用分析

2.1GaN在高温、高频、大功率射频应用中独具优势

自20年前出现首批商业产品以来，GaN已成为射频功率应用中LDMOS和GaAs的重要竞争对手，其性能和可靠性不断提高且成本不断降低。

目前在射频GaN市场上占主导地位的GaN-on-SiC突破了4GLTE无线基础设施市场，并有望在5G的Sub-6GHz实施方案的RRH（RemoteRadioHead）中进行部署。

与4G系统相比，5GmMIMO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。

5GmMIMO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。

mMIMO设计有助于减少传统收发器架构中模数、数模转换所需的步骤，从而缩小5G天线的尺寸和重量。

与LDMOS器件相比，硅基GaN提供了良好的宽带性能和卓越的功率密度和效率，能满足严格的热规范，同时为紧密集成的mMIMO天线阵列节省了宝贵的PCB空间。

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。

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。

2.2GaN射频市场规模到2024年约为20亿美元，CAGR达21%

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。

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。

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。

2.3GaN射频市场：

美日统治，欧洲次之，中国新进

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GaNHEMT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。

GaNRFHEMT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。

三、电力电子应用分析：

推动快充、汽车电子进入小体积、高效率时代

3.1GaN在汽车电子上拥有多样的应用场景

GaN技术有望大幅改进电源管理、发电和功率输出等应用。

2005年电力电子领域管理了约30％的能源，预计到2030年，这一数字将达到80%。

这相当于节约了30亿千瓦时以上的电能，这些电能可支持30多万个家庭使用一年。

从智能手机充电器到数据中心，所有直接从电网获得电力的设备均可受益于GaN技术，从而提高电源管理系统的效率和规模。

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。

3.2GaN可为下一代充电器市场提供更优选择

GaN在未来几年将在许多应用中取代硅，其中，快充是第一个可以大规模生产的应用。

在600伏特左右的电压下，GaN在芯片面积、电路效率和开关频率方面的表现明显好于硅，因此在壁式充电器中可以用GaN来替代硅。

5G智能手机的屏幕越来越大，与之对应的是手机续航的需求越来越高，这意味着电池容量的增加。

GaN快充技术可以很好地解决大电池带来的充电时长问题。

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。

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。

3.3GaN电源市场到2024年约3.5亿美元，CAGR达85％

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。

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，GaNSystems，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

四、光电子领域应用分析

4.1GaN是蓝光LED的基础材料，在MicroLED、紫外激光器中有重要应用

1993年，Nichia公司中村修二推出了第一只高亮度GaN蓝光LED，解决了自1962年LED问世以来高效蓝光缺失的问题，1996年又首次在蓝光LED上涂覆黄色荧光粉从而实现白光发射，开启了LED白光照明的新时代。

MicroLED是新一代显示技术，比现有的OLED技术亮度更高、发光效率更好，但功耗更低。

MicroLED显示技术可以将LED结构设计薄膜化、微小化与阵列化，尺寸仅约1~100μm等级，但精准度可达传统LED的1万倍。

此外，MicroLED在显示特性上与OLED类似，无需背光源且能自发光，唯一区别是OLED为有机材料自发光。

目前OLED受各大厂商青睐，是因为在反应时间、视角、可挠性、显色性与能耗等方面均优于TFTLCD，但 MicroLED更容易准确调校色彩，且有更长发光寿命和更高亮度。

MicroLED有望继OLED之后，成为另一项推动显示品质的技术。

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。

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。

4.2GaN光电子市场成长快速，市场规模增量可期

根据LEDinside分析，LED照明市场规模2018-2023年的CAGR为6%。

在物联网和5G新时代，智慧化产品渗透率更加迅速提升，智能家居照明的商机即将爆发。

此外，2022年MicroLED以及MiniLED的市场产值预计将会达到13.8亿美元。

下一代MiniLED背光技术将是各家厂商的开发重点，至2023年MiniLED市场规模预计会达到10亿美元。

其中显示屏应用成长速度最快，2018年至2023年CAGR预计超过50%。

根据LEDinside发布的《2019深紫外线LED应用市场报告》显示，2018年全球UVLED市场规模达2.99亿美金，预计到2023年市场规模将达9.91亿美金，2018-2023年CAGR达到27%。

UVLED广阔的发展前景正吸引越来越多的厂商进入。

基于氮化镓半导体的深紫外发光二极管（LED）是紫外消毒光源的主流发展方向，其光源体积小、效率高、寿命长，仅仅是拇指盖大小的芯片模组，就可以发出比汞灯还要强的紫外光。

由于其具备LED冷光源的全部潜在优势，深紫外LED是公认的未来替代紫外汞灯的绿色节能环保产品。

但深紫外LED技术门槛很高，目前还是处于发展阶段，在光功率、光效、寿命、成本等方面还有待提升。

近年来，深紫外LED的技术水平和芯片性能进步很快，在一些高端领域已经得到批量应用，未来预计会得到更加广泛的应用。

目前市场上高端的深紫外LED产品仍主要以日本、韩国厂商为主，不过越来越多的国内半导体公司开始关注深紫外行业，进行了深度布局。

如布局深紫外芯片-封装-模组产业链的青岛杰生（圆融光电），深紫外LED芯片的三安光电、湖北深紫、中科潞安、华灿光电、鸿利秉一，以及高性能紫外传感芯片的镓敏光电。

目前，镓敏光电是国内唯一拥有紫外传感芯片技术的公司，其所开发的高端氮化镓和碳化硅紫外传感芯片已投入大批量生产，在饮用水、空气、食品、衣物和医疗器械等紫外净化领域得到了规模应用。

五、总结

5G基站的大规模建设对于GaN射频有巨大需求，全球GaN射频市场主要由住友电工（第一）、Cree（第二）占据，其中住友电工是华为GaN射频器件的第一大供应商。

国产厂商在GaN射频领域相对弱势，但已有不少厂商布局。

GaN功率市场主要由快充带动，其增长强度主要与国产手机厂商在GaN快充方面的推进强度相关。

目前来看，今年米OV及其部分附属品牌的旗舰机都将标配GaN快充，GaN快充出货量有望在今年铺开。

小米的GaN快充的电源IC由美国厂商Navitas供应，电源IC主要由国外厂商把控，国内厂商在GaN功率器件代工方面有所布局。