“后起之秀”氮化鎵未來幾大新的增長點

來源：電子工程專輯

比碳化硅器件，氮化鎵功率器件在同時對效率、頻率、體積等綜合方面有要求的場景中，將更有優(yōu)勢，比如氮化鎵基器件已成功規(guī)模應用于快充領域。隨著下游新應用規(guī)模爆發(fā)，以及氮化鎵襯底制備技術不斷取得突破，GaN器件有望持續(xù)放量，將成為降本增效、可持續(xù)綠色發(fā)展的關鍵技術之一。

編輯：感知芯視界

當前，第三代半導體材料已成為戰(zhàn)略性新興產業(yè)的重要組成部分，也正成為搶占下一代信息技術、節(jié)能減排及國防安全技術的戰(zhàn)略制高點。其中，氮化鎵(GaN)作為一種寬禁帶半導體材料，其禁帶寬度達到 3.4eV，是最具代表性的第三代半導體材料之一。

7月3日，中國收緊了對鎵、鍺相關物項的出口，正是基于鎵這種稀有金屬的“半導體工業(yè)新糧食”的重要屬性，以及在半導體材料、新能源等領域的廣泛應用優(yōu)勢，所作出的重要政策調整。針對這一政策變化，本文將從制備工藝及挑戰(zhàn)、未來新增長點、競爭格局對氮化鎵這一材料做相關的探討與分析。

PART 01“后起之秀”廣受業(yè)界看好

氮化鎵是指一種由人工合成的半導體材料，是第三代半導體材料的典型代表。與傳統(tǒng)的硅材料相比，氮化鎵(GaN)具有禁帶寬度大、擊穿電場強、導通電阻低、電子遷移率高、轉換效率高、熱導率高、損耗低等優(yōu)點。

氮化鎵單晶是性能優(yōu)異的新一代半導體材料，可以廣泛應用在通信、雷達、消費電子、汽車電子、電力能源、工業(yè)激光加工、儀器儀表等領域，因此其研制及批量化生產受到全球各國以及產業(yè)界的重點關注。

從產業(yè)鏈來看，氮化鎵產業(yè)鏈上游主要包括襯底與外延片的制備。在GaN器件中，襯底的選擇對于器件性能起關鍵作用，襯底也占據(jù)了大部分成本，因而襯底是GaN器件降低成本的突破口。由于GaN單晶襯底生長尺寸受限，通常在異質襯底(藍寶石、SiC和Si)上生長外延片。

同時，氮化鎵單晶不能從自然界中直接獲取，需要人工制備。目前GaN器件主要采用藍寶石、SiC、Si等襯底，但外延層GaN和異質襯底之間存在晶格失配和熱失配問題，效率降低，產業(yè)界正著力突破GaN單晶襯底的制備技術。

整體來看，目前GaN單晶襯底以2-4英寸為主，4英寸已實現(xiàn)商用，6英寸樣本正開發(fā)。GaN體單晶襯底的主要方法有氫化物氣相外延法(HVPE)、氨熱法、助熔劑法等。

其中，HVPE 方法生長速率快、易得到大尺寸晶體，是目前商業(yè)上提供氮化鎵單晶襯底的主要方法;其缺點是成本高、晶體位錯密度高、曲率半徑小以及會造成環(huán)境污染。氨熱法生長技術結晶質量高，可以在多個籽晶上生長，易規(guī)模化生產，可以顯著降低成本;缺點是生長壓力較高，生長速率低。助熔劑法生長條件相對溫和，對生長裝備要求低，可以生長出大尺寸的氮化鎵單晶;其缺點是易于自發(fā)成核形成多晶，難以生長出較厚的氮化鎵晶體。

從技術成熟度來看，氮化鎵技術的壁壘主要體現(xiàn)在以下幾個方面：一是氮化鎵技術相對較新，目前尚未完全成熟，需要進一步的研發(fā)和改進;二是氮化鎵技術的成本相對較高，需要大量的投入才能達到預期的效果;三是氮化鎵技術的供應鏈相對較為復雜，需要經過多方協(xié)調才能實現(xiàn);四是氮化鎵技術的工藝復雜，需要經過多次迭代才能達到預期的效果。

從襯底工藝來看，氮化鎵器件主要分為硅基氮化鎵和碳化硅基氮化鎵兩種晶圓。其中，硅基氮化鎵在面積與整體成本考慮上具有比碳化硅組件更劃算的可能，更適用于中低壓/高頻領域。硅基氮化鎵生長速度較快，較容易擴展到8英寸晶圓;受限于襯底，目前碳化硅基氮化鎵仍是4英寸和6英寸晶圓，8英寸還沒有大規(guī)模應用。硅基氮化鎵性能略遜于碳化硅基氮化鎵。

整體來看，目前氮化鎵仍屬“后起之秀”，其全球市場供應的單晶數(shù)量少且價格高，成為制約氮化鎵器件高質量發(fā)展的重要因素。

PART 02未來幾大新的增長點

相對傳統(tǒng)半導體器件，氮化鎵器件在能源效率、功率密度、可靠性等方面具有明顯的優(yōu)勢。隨著5G通信生態(tài)、AIGC、云計算、大數(shù)據(jù)等新興技術的快速發(fā)展，高速、高效、高能的半導體器件需求將日益增加，而GaN器件作為重要的功率和射頻器件，將具備廣闊的發(fā)展前景。

同時，隨著新基建、新能源、新消費等領域的持續(xù)推進，氮化鎵器件將在太陽能逆變器、風力發(fā)電、新能源汽車等方面得到廣泛應用。整體來看，伴隨5G通信和消費電子業(yè)務的確定性增長、新能源賽道與數(shù)據(jù)中心的集中爆發(fā)，未來3-5年氮化鎵器件將在以下幾個領域出現(xiàn)較快增長。

01

5G通信基站

無線通訊基礎設施是氮化鎵射頻器件的主要應用領域，占比達到50%。據(jù)CASA Research統(tǒng)計，2021年GaN射頻市場規(guī)模為73.3億元。氮化鎵材料的優(yōu)異性能使得其射頻器件在5G基站應用中更為合適。

5G基站中主要使用的是氮化鎵功率放大器和微波射頻器件。氮化鎵材料在耐高溫、耐高壓及承受大電流方面具備優(yōu)勢，與傳統(tǒng)通信芯片相比具備更優(yōu)秀的功率效率、功率密度和寬頻信號處理能力。

根據(jù)工信部數(shù)據(jù)，截至2022年12月末，我國已建成5G基站總數(shù)達到230萬個，2022年新建88.7萬站5G基站，當前5G基站數(shù)量已達到移動基站總數(shù)的22%。工信部指引2023年將新建5G基站60萬個，累計5G基站總數(shù)將超過290萬個。

2021年我國5G基站用GaN射頻規(guī)模36.8億元。2023年以后，毫米波基站部署將成為拉動市場的主要力量，帶動國內GaN微波射頻器件市場規(guī)模成倍數(shù)增長。另外，目前GaN射頻器件隨著技術進步價格下降。據(jù)Mouser數(shù)據(jù)，2018-2021年，RF GaN HEMT與Si LDMOS價差持續(xù)縮小。這也將有助于GaN射頻器件提升滲透率。

02

高功率電源

GaN的“雙高”特性在高性能消費電子設備中滲透潛力巨大，可滿足快速充電與充電保護的場景要求。具體應用場景主要包括：PD快充、電源適配器、無線充電、過電壓保護OVP等。消費電子領域存量市場巨大但競爭激烈，但占據(jù)性能高地的GaN功率器件有望不斷滲透并創(chuàng)造新的增量動力。

除PD快充以外，消費電子市場還有兩個趨勢有望成為GaN功率產品在消費電子領域的新增長點，一是大功率快充產品的前端PFC電路中采用了GaN電力電子器件，二是蘋果、華為、三星等移動設備廠商在研發(fā)基于GaN的高頻無線感應充電產品來提升移動產品的無線充電性能。

具體來看，“充電”將成為GaN功率器件放量提價的關鍵。在電源適配器、無線充電應用中，GaN器件關斷速度快、開關頻率高、無反向恢復損失、低傳導損耗的特點可以得到充分發(fā)揮，逐步取代原有電源適配器中Si MOSFET趨勢明顯。

根據(jù) TrendForce集邦咨詢《2023 GaN功率半導體市場分析報告-Part1》顯示，全球GaN功率元件市場規(guī)模將從 2022年的1.8億美金成長到 2026年的13.3億美金，復合增長率高達 65%。

03

新能源汽車

從實際應用來看，目前上車的第三代半導體器件主要是碳化硅器件，但有合適采用氮化鎵材料能通過車規(guī)認證的功率器件模塊、或其他合適的封裝方式，仍然會被整機廠和OEM廠商接受。從具體應用來看，GaN功率半導體主要用于電動汽車的動力總成系統(tǒng)，包括車載充電器OBC、DC-DC/DC-AC及BMS電池管理系統(tǒng)。

車規(guī)級市場對功率芯片可靠性、穩(wěn)定性、效率要求更高。車規(guī)級芯片在溫度適用范圍、濕度、抗電磁干擾、抗機械振動方面，都比消費類和工業(yè)級提出更高要求，設計壽命也遠長于消費類和工業(yè)級芯片。根據(jù)Navitas、Yole數(shù)據(jù)測算，預計2030年電動汽車單車GaN價值量有望達到50美元/輛。

數(shù)據(jù)顯示，2022年全國新能源汽車銷量達到680萬輛，滲透率爆發(fā)式提升，汽車電動化等級提升顯著增加了功率半導體單車價值量。可以說，新能源汽車有望打開GaN功率器件第二增長曲線，有望成為新的潛在增長點。

04

數(shù)據(jù)中心

2023年，隨著ChatGPT風靡全球，AIGC有望加速推動其下游業(yè)務，對上游算力支撐提出巨大需求，數(shù)據(jù)中心放量確定性極強。GaN功率半導體主要用于數(shù)據(jù)中心的PSU電源供應單元。與傳統(tǒng)Si相比，GaN可以減少用電成本并提升能量密度，減小PSU單元尺寸、優(yōu)化數(shù)據(jù)中心整體機架排布，提供更緊湊、高效、可靠的電力供應系統(tǒng)。

2022年3月，GaN Systems宣布推出尖端電源單元(PSU)解決方案，使數(shù)據(jù)中心能夠提高盈利能力，降低運營成本，并減少能源消耗，為更可持續(xù)的未來做出貢獻。對于數(shù)據(jù)中心中的每10個一組的機架，如果使用基于GaN的PSU可提高300萬美元的利潤，并降低數(shù)據(jù)中心的運營成本，而且每年還可以減少100多噸的二氧化碳排放量。

PART 03氮化鎵競爭格局分析

01

與碳化硅的競爭

毫無疑問，從技術演進的角度，未來碳化硅、氮化鎵等第三代半導體以及其他化合物半導體將逐步替代硅基器件，但不排除未來氮化鎵在一些應用領域與碳化硅直面競爭，比如汽車市場。

不過，盡管GaN功率器件具備優(yōu)異的性能，但在新能源汽車領域其滲透能力仍需持續(xù)關注，畢竟SiC器件在性能指標、成本、工藝成熟度等方面均具備更強的先發(fā)優(yōu)勢。

相比碳化硅器件，氮化鎵功率器件在同時對效率、頻率、體積等綜合方面有要求的場景中，將更有優(yōu)勢，比如氮化鎵基器件已成功規(guī)模應用于快充領域。然而，目前問題是寄生效應嚴重，限制了氮化鎵基器件的性能。

02

氮化鎵產業(yè)鏈的競爭

從產業(yè)鏈發(fā)展來看，歐美日企業(yè)發(fā)展較早，技術積累、專利申請數(shù)量、規(guī)模制造能力等方面均處于絕對優(yōu)勢。而中國在自主替代大趨勢下，目前在氮化鎵產業(yè)鏈各環(huán)節(jié)均有所涉足，在政策支持下已在技術與生產方面取得進步。

在襯底材料上，碳化硅襯底與氮化鎵器件匹配度高、性能好、且成本相對較低，受到廣泛應用。全球碳化硅襯底市場集中度高，美國企業(yè)CREE和II-VI集團占據(jù)約60%的市場份額，天岳先進、天科合達等中國本土企業(yè)合計市占率僅10%左右。外延片材料方面，蘇州晶湛、聚能晶源、聚燦光電是中國生產制造氮化鎵外延片的代表企業(yè)。

在氮化鎵器件制造方面，IDM模式的代表廠商有三安光電、英諾賽科、士蘭微電子、蘇州能訊、江蘇能華、大連芯冠科技等公司，F(xiàn)abless廠商主要有華為海思、安譜隆等，同時海威華芯和三安集成可提供GaN 器件代工服務(Foundry模式)。

整體來看，從氮化鎵基功率器件角度看，中國材料和器件的整體研發(fā)水平基本與國際同步，但在部分特性指標上仍需努力，雖然已經應用于手機快充、通用電源等領域，但是產品可靠性與海外頭部廠商的水平還存在一定差距。

綜合上述，隨著下游新應用規(guī)模爆發(fā)，以及氮化鎵襯底制備技術不斷取得突破，GaN器件有望持續(xù)放量，將成為降本增效、可持續(xù)綠色發(fā)展的關鍵技術之一。

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審核編輯 黃宇