氮化鎵產(chǎn)業(yè)鏈全景深度解析

根據阿里巴巴達摩院發(fā)布的《2021十大科技趨勢》預測的第一大趨勢是“以氮化鎵（GaN)、碳化硅(SiC)為代表的第三代半導體迎來(lái)應用大爆發(fā)”。

達摩院指出，近年來(lái)第三代半導體的性?xún)r(jià)比優(yōu)勢逐漸顯現，正在打開(kāi)應用市場(chǎng)：SiC元件已用作汽車(chē)逆變器，GaN快速充電器也大量上市。

半導體材料演進(jìn)圖：

相對于第一代（硅基）半導體，第三代半導體禁帶寬度大，電導率高、熱導率高，其具有臨界擊穿電場(chǎng)高、電子遷移率高、頻率特性好等特點(diǎn)。氮化鎵（GaN）是最具代表性的第三代半導體材料，成為高溫、高頻、大功率微波器件的首選材料之一，是迄今為止理論上電光、光電轉換效率最高的材料體系。

氮化鎵優(yōu)異特性：

目前GaN器件有三分之二應用于軍工電子，如軍事通訊、電子、干擾、雷達等領(lǐng)域；在民用領(lǐng)域，氮化鎵主要被應用于通訊基站、功率器件等領(lǐng)域。

未來(lái)五年，基于第三代半導體材料的電子器件將廣泛應用于5G基站、新能源汽車(chē)、特高壓、數據中心等場(chǎng)景。

氮化鎵市場(chǎng)規模

根據Yole數據，2019年氮化鎵器件的市場(chǎng)規模約6000萬(wàn)美金，預計到2022年，全球氮化鎵器件的市場(chǎng)規模將達到4.45億美金。從全球區域來(lái)看，2019年亞太地區占全球氮化鎵市場(chǎng)的36.34%。由于氮化鎵終端應用日益普及，TransparencyMarketResearch預計，2019至2027年亞太地區將繼續占據主導地位。

氮化鎵產(chǎn)業(yè)鏈

氮化鎵產(chǎn)業(yè)鏈包括襯底、外延、芯片設計、芯片制造、封測、下游應用等垂直分布環(huán)節。

氮化鎵器件產(chǎn)業(yè)鏈及主要企業(yè)：

氮化鎵產(chǎn)業(yè)鏈上游：襯底

雖然GaN自支撐襯底缺陷密度較低，但由于成本高居不下，因此業(yè)界常以藍寶石、碳化硅、硅作為襯底。

硅基GaN市場(chǎng)快速增長(cháng)：

目前主流氮化鎵器件公司都采用碳化硅襯底，因為基于碳化硅襯底的氮化鎵器件比硅襯底氮化鎵器件性能更好，良率更高，更能體現氮化鎵材料優(yōu)勢。碳化硅襯底雖然和GaN匹配更好，但是碳化硅襯底成本高昂，與硅襯底相比，氮化硅襯底的GaN器件成本高100倍，襯底處理時(shí)間相差200-300倍，因此眾多廠(chǎng)商在積極推進(jìn)GaN onSi布局。

目前，GaN自支撐襯底仍以2-4英寸小尺寸晶圓為主。隨著(zhù)硅晶圓不斷向大尺寸擴展，預計硅基GaN器件成本將降低30%-50%。由于GaN襯底單價(jià)較高，主要面向科研、激光顯示、射頻、電力電子等高端市場(chǎng)。

GaN不同襯底路徑布局概覽圖:

從全球GaN襯底市場(chǎng)格局來(lái)看，日本廠(chǎng)商在GaN襯底占據領(lǐng)先位置，包括住友電工、三菱化學(xué)、住友化學(xué)等，三家日商合計市場(chǎng)份額超過(guò)85%。我國GaN核心材料、器件原始創(chuàng )新能力相對薄弱，主要研發(fā)仍集中于軍工方面。國內碳化硅襯底主要有天科合達、天岳、中電科等；國內從事GaN單晶生長(cháng)的企業(yè)，主要有蘇州納維、東莞中鎵、上海鎵特和芯元基等。

賽迪顧問(wèn)預測，到2022年我國GaN襯底市場(chǎng)規模將達到5.67億元。

氮化鎵產(chǎn)業(yè)鏈上游：材料外延

GaN技術(shù)的難點(diǎn)在于晶圓制備工藝，由于制備氮化鎵的單晶材料無(wú)法從自然界中直接獲取，所以氮化鎵的主要制備方法是在藍寶石、碳化硅、硅等異質(zhì)襯底上進(jìn)行外延。目前，GaN器件的售價(jià)還比較高，是同電壓等級的Si器件的4~5倍。GaN器件的成本主要來(lái)源于外延部分。

氮化鎵外延片海外相關(guān)企業(yè)主要有比利時(shí)的EpiGaN、英國的IQE、日本的NTT-AT。從事氮化鎵外延片的國內廠(chǎng)商主要有三安光電、賽微電子、海陸重工、晶湛半導體、江蘇能華、英諾賽科等。在外延片方面，4~6英寸Si基GaN外延片已經(jīng)實(shí)現量產(chǎn)，目前市場(chǎng)份額最高的是住友電工、Cree、Qorvro等三家廠(chǎng)商。

Cree收購整合Wolfspeed，在基于SiC襯底的GaN具有較強技術(shù)優(yōu)勢，具有較高電子遷移率。Qorvo的GaN產(chǎn)品在國防和航天領(lǐng)域市占率第一名。富士通、東芝、三菱電機等也在積極布局。

國內GaN襯底研究合作情況：

氮化鎵產(chǎn)業(yè)鏈中游：器件設計和制造

化合物半導體芯片性能與材料、結構設計和制造工藝之間的關(guān)聯(lián)性較強，因此很多企業(yè)采用IDM模式。氮化鎵下游應用行業(yè)擁有大量的市場(chǎng)參與者，全球產(chǎn)能集中于IDM廠(chǎng)商，設計與制造環(huán)節逐漸向垂直分工合作模式轉變。IDM企業(yè)中日本的住友電工與美國的Cree為行業(yè)龍頭，市場(chǎng)占有率均超過(guò)30%。

中國GaN器件IDM企業(yè)有蘇州能訊、英諾賽科，大連芯冠科技正在布局，海威華芯和三安集成可提供GaN器件代工服務(wù)，其中海威華芯主要為軍工服務(wù)。中電科13所、55所同樣擁有GaN器件制造能力。國內士蘭微、世紀金光、泰科天潤也都是IDM模式為主。GaN產(chǎn)業(yè)鏈也有許多Fabless企業(yè)，如EPC、Dialog、GaN system等，委托臺積電等企業(yè)代工。

國從事氮化鎵器件的廠(chǎng)商主要有三安光電、聞泰科技、賽微電子、聚燦光電、乾照光電等。

氮化鎵產(chǎn)業(yè)鏈下游應用

早在60年代氮化鎵已經(jīng)應用于LED產(chǎn)品中。近幾年，隨著(zhù)技術(shù)逐漸走向成熟，目前氮化鎵器件已應用于微波射頻器件（通信基站等），電力電子器件（電源等），光電器件（LED照明、激光等）。

射頻領(lǐng)域：5G基站、軍工是GaN重要成長(cháng)驅動(dòng)

氮化鎵作為一種寬禁帶半導體，具有高功率密度、低能耗、適合高頻率、支持寬帶寬等特點(diǎn)，是實(shí)現5G 的關(guān)鍵材料。

目前射頻器件領(lǐng)域LDMOS、砷化鎵（GaAs）、氮化鎵（GaN三）者占比相差不大，但據Yole預測，至2025年，砷化鎵市場(chǎng)份額基本維持不變的情況下，氮化鎵有望替代大部分LDMOS份額，占據射頻器件市場(chǎng)約50%的份額。

隨著(zhù)5G時(shí)代的到來(lái)，5G基站建設將大幅度帶動(dòng)氮化鎵射頻與功率器件市場(chǎng)。

射頻領(lǐng)域：5G基站空間巨大

射頻領(lǐng)域是GaN目前滲透率較高、未來(lái)發(fā)展前景大的產(chǎn)業(yè)，尤其是用于價(jià)格敏感度較低的基站建設和改造。

由于GaN材料的散熱特性、功率特性能夠較好滿(mǎn)足5G基站要求，且隨著(zhù)GaN器件成本的下降和工藝的成熟，氮化鎵GaN材料有望成為基站PA主流材料。

同時(shí)，由于在基站領(lǐng)域，毫米波、小基站、Massive MIMO、波速成形、載波聚合等需求均需要使用GaN相關(guān)器件，隨著(zhù)這些5G新技術(shù)的推進(jìn)，GaN在整個(gè)基站所用半導體器件的比重也不斷提升。

效率方面，中興通訊的數據顯示，在基站設備中，射頻功放的能耗占到總能耗的60%左右。因此提升射頻PA效率是運營(yíng)商降低運營(yíng)成本（OPEX）、實(shí)現節能環(huán)保最為有效的手段之一。

根據賽迪智庫測算數據，中國5G網(wǎng)絡(luò )小基站需求約為宏基站的2倍，即需要1000萬(wàn)站小基站。按照每個(gè)小基站需要2個(gè)放大器，小基站建設進(jìn)度落后宏基站1年測算，到2024年基站端GaN射頻器件規模達到峰值，可達9.4億元。

根據CASA預估，全球移動(dòng)通信基站射頻功率器件市場(chǎng)規模約10億美元，國內中興、華為、大唐總需求約3~4億美元，GaN滲透率目前約8~12%，空間巨大且正在快速滲透。

氮化鎵在通信基站中的應用趨勢：

相對于電力電子領(lǐng)域，射頻領(lǐng)域技術(shù)難度大、壁壘更高，因此集中度更高。在GaN射頻器件領(lǐng)域，全球頂級供應商包括日本住友電工（SEDI）、美國科銳（Cree/Wolfspeed）和Qorvo、韓國艾爾福（RFHIC）等?；衔锇雽w代工廠(chǎng)包括穩懋半導體（Win Semi）、三安光電等。

目前銷(xiāo)售GaN PA的廠(chǎng)商有Qorvo、Analog、Cree、NXP、Skyworks。目前來(lái)看Qorvo推出的GaN PA品類(lèi)最多，工作頻率覆蓋范圍最廣。

海外射頻領(lǐng)域GaN廠(chǎng)商布局：

近年來(lái)國防、航天領(lǐng)域GaN器件市場(chǎng)規模持續放大，民用市場(chǎng)近年來(lái)也在悄然興起。從細分領(lǐng)域來(lái)看，無(wú)線(xiàn)基礎設施是最大也是未來(lái)發(fā)展最快的市場(chǎng)。除此在外，GaN在汽車(chē)、無(wú)人機、無(wú)線(xiàn)專(zhuān)網(wǎng)、無(wú)線(xiàn)通訊配套直放站等領(lǐng)域也開(kāi)始滲透。

電力電子：快充快速增長(cháng)，新能源車(chē)潛在空間大

根據IHS數據，GaN功率器件市場(chǎng)復合增速高達30%，到2027年預計超過(guò)10億美元。

通信、汽車(chē)、工業(yè)市場(chǎng)是GaN功率器件的主要驅動(dòng)力。

電力電子隨著(zhù)新能源汽車(chē)、光伏產(chǎn)業(yè)發(fā)展，也具有較大發(fā)展潛力。GaN電力電子領(lǐng)域主要增長(cháng)點(diǎn)在于快充、電源PFC、高頻激光雷達和無(wú)線(xiàn)充電領(lǐng)域。

功率器件：快充是GaN增長(cháng)最快的領(lǐng)域之一

隨著(zhù)電子產(chǎn)品的復雜性不斷提升，充電器的功率也隨之增大。傳統的功率開(kāi)關(guān)滿(mǎn)足市場(chǎng)對大功率快充的需求。

在消費電子領(lǐng)域，GaN器件是目前最快的功率開(kāi)關(guān)器件，并且可以在高速開(kāi)關(guān)的情況下仍保持高效率水平，能夠應用于更小的元件，應用于充電器時(shí)可以有效縮小產(chǎn)品尺寸。

從技術(shù)角度分析，采用GaN技術(shù)的充電器外形尺寸可比傳統的基于硅的充電器減少30-50%，同時(shí)，整體系統效率可高達95%，在相同尺寸和相同輸出功率的情況下，充電器外殼溫度將比傳統充電器更低。

根據CES2020數據顯示，已經(jīng)有30家充電頭廠(chǎng)商推出了66款氮化鎵快充產(chǎn)品，涵蓋了18W、30W、65W、100W等多個(gè)功率段。

國內手機大廠(chǎng)OPPO、小米、華為相繼發(fā)布氮化鎵快充，充電器配件廠(chǎng)商試水氮化鎵的行動(dòng)甚至要更早些。

根據BBC Research的數據，全球手機充電器市場(chǎng)規模將從2017年的181億美元增長(cháng)至2022年的250億美元，其中快充占27.43億美元，占比10.97%。GaN充電器市場(chǎng)即將迎來(lái)快速成長(cháng)期。

GaN充電器的功率芯片主要由納微半導體、Power Integrations（PI）、英諾賽科三家供應。

其他重要芯片包括電源主控、氮化鎵驅動(dòng)、協(xié)議芯片以及整流器件。

功率器件：廣泛應用于汽車(chē)領(lǐng)域

隨著(zhù)電動(dòng)汽車(chē)的發(fā)展，功率電子器件在汽車(chē)領(lǐng)域的應用越來(lái)越廣泛。

目前，GaN功率器件主要由EPC、GaN Systems、Transphorm和Navitas等純GaN初創(chuàng )公司主導，并通過(guò)TSMC、Episil和X-FAB代工生產(chǎn)的。國內的新興代工廠(chǎng)中，三安集成和海威華芯具有量產(chǎn)GaN功率器件的能力。

國內功率GaN器件布局：

全球GaN市場(chǎng)的主要參與者通過(guò)在銷(xiāo)售、市場(chǎng)和技術(shù)方面的密切合作顯示出協(xié)同效應。

氮化鎵襯底供應商也通過(guò)與同行以及各種研究機構建立戰略聯(lián)盟來(lái)擴大規模，以建立自己在全球市場(chǎng)的參與者地位。

例如Rohm和Cree整合了SiC從襯底到模組的全產(chǎn)業(yè)鏈環(huán)節；Mitsubishi Electric和Fuji Electric整合了芯片到終端應用系統。GaN產(chǎn)業(yè)鏈整合：

目前主流氮化鎵生產(chǎn)廠(chǎng)家依舊集中在歐洲國家及日本等，我國企業(yè)尚未進(jìn)入供給端第一梯隊。

國內GaN廠(chǎng)商全鏈條布局:

全球基站端射頻器件的供應商以IDM企業(yè)為主，主要有日本住友電工旗下的SEDI公司（Sumitomo Electric Device Innovations）、美國Cree旗下Wolfspeed公司、Qorvo公司、MACOM公司、Ampleon、韓國RFHIC等。

代工廠(chǎng)商主要有環(huán)宇通訊半導體（GCS）、穩懋半導體、日本富士通、Cree、臺灣嘉晶電子、臺積電、歐洲聯(lián)合微波半導體公司（UMS），以及中國的三安集成和海威華芯。

此前恩智浦RF部門(mén)（安譜隆前身）、英飛凌RF部門(mén)（已出售給Cree）、韓國RF HIC將GaN射頻器件委托Cree公司代工。MACOM收購Nitronex在2011年就與環(huán)宇通訊半導體（GCS）公司合作生產(chǎn)Si基GaN器件，一直合作至今。

氮化鎵在性能、效率、能耗、尺寸等方面較市場(chǎng)主流的硅功率器件均有顯著(zhù)數量級的提升，但其發(fā)展也面臨著(zhù)許多問(wèn)題。

氮化鎵是自然界沒(méi)有的物質(zhì)，完全要靠人工合成。氮化鎵沒(méi)有液態(tài)，因此不能使用單晶硅生產(chǎn)工藝的直拉法拉出單晶，純靠氣體反應合成。

由于反應時(shí)間長(cháng)，速度慢，反應副產(chǎn)物多，設備要求苛刻，技術(shù)異常復雜，產(chǎn)能極低，導致氮化鎵單晶材料極其難得。但是目前來(lái)看，缺點(diǎn)在于產(chǎn)品成本很高，不利于大批量生產(chǎn)。

但是長(cháng)遠來(lái)看，氮化鎵在5G通信、電源等市場(chǎng)都有著(zhù)廣闊的前景，同時(shí)，在數據中心服務(wù)器電源、高端工業(yè)配電系統電源等領(lǐng)域也有著(zhù)應用潛能。

由于第三代半導體材料更為優(yōu)異，與國外差距相對較小，國家希望通過(guò)“十四五”規劃，把第三代半導體提升至戰略高度，第三代半導體可能成為我國半導體產(chǎn)業(yè)發(fā)展的彎道超車(chē)機會(huì )。

《中國制造2025》第三代半導體相關(guān)發(fā)展目標中提到：關(guān)鍵戰略材（先進(jìn)半導體材料）2025年的任務(wù)目標是實(shí)現在5G移動(dòng)通訊、高效能源管理中國產(chǎn)化率達到50%；在新能源汽車(chē)、消費類(lèi)電子領(lǐng)域實(shí)現規?；瘧?，在通用照明市場(chǎng)滲透率達到80%。