氮化鎵產(chǎn)業(yè)鏈全景深度解析

根據(jù)阿里巴巴達(dá)摩院發(fā)布的《2021十大科技趨勢》預(yù)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(dǎo)體迎來應(yīng)用大爆發(fā)”。

達(dá)摩院指出，近年來第三代半導(dǎo)體的性價比優(yōu)勢逐漸顯現(xiàn)，正在打開應(yīng)用市場：SiC元件已用作汽車逆變器，GaN快速充電器也大量上市。

半導(dǎo)體材料演進(jìn)圖：

相對于第一代（硅基）半導(dǎo)體，第三代半導(dǎo)體禁帶寬度大，電導(dǎo)率高、熱導(dǎo)率高，其具有臨界擊穿電場高、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(dǎo)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(zhuǎn)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(yīng)用于軍工電子，如軍事通訊、電子、干擾、雷達(dá)等領(lǐng)域；在民用領(lǐng)域，氮化鎵主要被應(yīng)用于通訊基站、功率器件等領(lǐng)域。

未來五年，基于第三代半導(dǎo)體材料的電子器件將廣泛應(yīng)用于5G基站、新能源汽車、特高壓、數(shù)據(jù)中心等場景。

氮化鎵市場規(guī)模

根據(jù)Yole數(shù)據(jù)，2019年氮化鎵器件的市場規(guī)模約6000萬美金，預(yù)計到2022年，全球氮化鎵器件的市場規(guī)模將達(dá)到4.45億美金。從全球區(qū)域來看，2019年亞太地區(qū)占全球氮化鎵市場的36.34%。由于氮化鎵終端應(yīng)用日益普及，TransparencyMarketResearch預(yù)計，2019至2027年亞太地區(qū)將繼續(xù)占據(jù)主導(dǎo)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(shè)計、芯片制造、封測、下游應(yīng)用等垂直分布環(huán)節(jié)。

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(lán)寶石、碳化硅、硅作為襯底。

硅基GaN市場快速增長：

目前主流氮化鎵器件公司都采用碳化硅襯底，因?yàn)榛谔蓟枰r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(xiàn)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，襯底處理時間相差200-300倍，因此眾多廠商在積極推進(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。隨著硅晶圓不斷向大尺寸擴(kuò)展，預(yù)計硅基GaN器件成本將降低30%-50%。由于GaN襯底單價較高，主要面向科研、激光顯示、射頻、電力電子等高端市場。

GaN不同襯底路徑布局概覽圖:

從全球GaN襯底市場格局來看，日本廠商在GaN襯底占據(jù)領(lǐng)先位置，包括住友電工、三菱化學(xué)、住友化學(xué)等，三家日商合計市場份額超過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(nèi)碳化硅襯底主要有天科合達(dá)、天岳、中電科等；國內(nèi)從事GaN單晶生長的企業(yè)，主要有蘇州納維、東莞中鎵、上海鎵特和芯元基等。

賽迪顧問預(yù)測，到2022年我國GaN襯底市場規(guī)模將達(dá)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(lán)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)主要有比利時的EpiGaN、英國的IQE、日本的NTT-AT。從事氮化鎵外延片的國內(nèi)廠商主要有三安光電、賽微電子、海陸重工、晶湛半導(dǎo)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(xiàn)量產(chǎn)，目前市場份額最高的是住友電工、Cree、Qorvro等三家廠商。

Cree收購整合Wolfspeed，在基于SiC襯底的GaN具有較強(qiáng)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(jī)等也在積極布局。

國內(nèi)GaN襯底研究合作情況：

氮化鎵產(chǎn)業(yè)鏈中游：器件設(shè)計和制造

化合物半導(dǎo)體芯片性能與材料、結(jié)構(gòu)設(shè)計和制造工藝之間的關(guān)聯(lián)性較強(qiáng)，因此很多企業(yè)采用IDM模式。氮化鎵下游應(yīng)用行業(yè)擁有大量的市場參與者，全球產(chǎn)能集中于IDM廠商，設(shè)計與制造環(huán)節(jié)逐漸向垂直分工合作模式轉(zhuǎn)變。IDM企業(yè)中日本的住友電工與美國的Cree為行業(yè)龍頭，市場占有率均超過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(nèi)士蘭微、世紀(jì)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(yīng)用

早在60年代氮化鎵已經(jīng)應(yīng)用于LED產(chǎn)品中。近幾年，隨著技術(shù)逐漸走向成熟，目前氮化鎵器件已應(yīng)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重要成長驅(qū)動

氮化鎵作為一種寬禁帶半導(dǎo)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(xiàn)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(jù)Yole預(yù)測，至2025年，砷化鎵市場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(jù)射頻器件市場約50%的份額。

隨著5G時代的到來，5G基站建設(shè)將大幅度帶動氮化鎵射頻與功率器件市場。

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、未來發(fā)展前景大的產(chǎn)業(yè)，尤其是用于價格敏感度較低的基站建設(shè)和改造。

由于GaN材料的散熱特性、功率特性能夠較好滿足5G基站要求，且隨著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，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，隨著這些5G新技術(shù)的推進(jìn)，GaN在整個基站所用半導(dǎo)體器件的比重也不斷提升。

效率方面，中興通訊的數(shù)據(jù)顯示，在基站設(shè)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(yùn)營商降低運(yùn)營成本（OPEX）、實(shí)現(xiàn)節(jié)能環(huán)保最為有效的手段之一。

根據(jù)賽迪智庫測算數(shù)據(jù)，中國5G網(wǎng)絡(luò)小基站需求約為宏基站的2倍，即需要1000萬站小基站。按照每個小基站需要2個放大器，小基站建設(shè)進(jìn)度落后宏基站1年測算，到2024年基站端GaN射頻器件規(guī)模達(dá)到峰值，可達(dá)9.4億元。

根據(jù)CASA預(yù)估，全球移動通信基站射頻功率器件市場規(guī)模約10億美元，國內(nèi)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(yīng)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(yīng)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?dǎo)體代工廠包括穩(wěn)懋半導(dǎo)體（Win Semi）、三安光電等。

目前銷售GaN PA的廠商有Qorvo、Analog、Cree、NXP、Skyworks。目前來看Qorvo推出的GaN PA品類最多，工作頻率覆蓋范圍最廣。

海外射頻領(lǐng)域GaN廠商布局：

近年來國防、航天領(lǐng)域GaN器件市場規(guī)模持續(xù)放大，民用市場近年來也在悄然興起。從細(xì)分領(lǐng)域來看，無線基礎(chǔ)設(shè)施是最大也是未來發(fā)展最快的市場。除此在外，GaN在汽車、無人機(jī)、無線專網(wǎng)、無線通訊配套直放站等領(lǐng)域也開始滲透。

電力電子：快充快速增長，新能源車潛在空間大

根據(jù)IHS數(shù)據(jù)，GaN功率器件市場復(fù)合增速高達(dá)30%，到2027年預(yù)計超過10億美元。

通信、汽車、工業(yè)市場是GaN功率器件的主要驅(qū)動力。

電力電子隨著新能源汽車、光伏產(chǎn)業(yè)發(fā)展，也具有較大發(fā)展?jié)摿?。GaN電力電子領(lǐng)域主要增長點(diǎn)在于快充、電源PFC、高頻激光雷達(dá)和無線充電領(lǐng)域。

功率器件：快充是GaN增長最快的領(lǐng)域之一

隨著電子產(chǎn)品的復(fù)雜性不斷提升，充電器的功率也隨之增大。傳統(tǒng)的功率開關(guān)滿足市場對大功率快充的需求。

在消費(fèi)電子領(lǐng)域，GaN器件是目前最快的功率開關(guān)器件，并且可以在高速開關(guān)的情況下仍保持高效率水平，能夠應(yīng)用于更小的元件，應(yīng)用于充電器時可以有效縮小產(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(tǒng)的基于硅的充電器減少30-50%，同時，整體系統(tǒng)效率可高達(dá)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(tǒng)充電器更低。

根據(jù)CES2020數(shù)據(jù)顯示，已經(jīng)有30家充電頭廠商推出了66款氮化鎵快充產(chǎn)品，涵蓋了18W、30W、65W、100W等多個功率段。

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

根據(jù)BBC Research的數(shù)據(jù)，全球手機(jī)充電器市場規(guī)模將從2017年的181億美元增長至2022年的250億美元，其中快充占27.43億美元，占比10.97%。GaN充電器市場即將迎來快速成長期。

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

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

功率器件：廣泛應(yīng)用于汽車領(lǐng)域

隨著電動汽車的發(fā)展，功率電子器件在汽車領(lǐng)域的應(yīng)用越來越廣泛。

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(dǎo)，并通過TSMC、Episil和X-FAB代工生產(chǎn)的。國內(nèi)的新興代工廠中，三安集成和海威華芯具有量產(chǎn)GaN功率器件的能力。

國內(nèi)功率GaN器件布局：

全球GaN市場的主要參與者通過在銷售、市場和技術(shù)方面的密切合作顯示出協(xié)同效應(yīng)。

氮化鎵襯底供應(yīng)商也通過與同行以及各種研究機(jī)構(gòu)建立戰(zhàn)略聯(lián)盟來擴(kuò)大規(guī)模，以建立自己在全球市場的參與者地位。

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(jié)；Mitsubishi Electric和Fuji Electric整合了芯片到終端應(yīng)用系統(tǒng)。GaN產(chǎn)業(yè)鏈整合：

目前主流氮化鎵生產(chǎn)廠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(nèi)GaN廠商全鏈條布局:

全球基站端射頻器件的供應(yīng)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。

代工廠商主要有環(huán)宇通訊半導(dǎo)體（GCS）、穩(wěn)懋半導(dǎo)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(dǎo)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（安譜隆前身）、英飛凌RF部門（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(dǎo)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、尺寸等方面較市場主流的硅功率器件均有顯著數(shù)量級的提升，但其發(fā)展也面臨著許多問題。

氮化鎵是自然界沒有的物質(zhì)，完全要靠人工合成。氮化鎵沒有液態(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(yīng)合成。

由于反應(yīng)時間長，速度慢，反應(yīng)副產(chǎn)物多，設(shè)備要求苛刻，技術(shù)異常復(fù)雜，產(chǎn)能極低，導(dǎo)致氮化鎵單晶材料極其難得。但是目前來看，缺點(diǎn)在于產(chǎn)品成本很高，不利于大批量生產(chǎn)。

但是長遠(yuǎn)來看，氮化鎵在5G通信、電源等市場都有著廣闊的前景，同時，在數(shù)據(jù)中心服務(wù)器電源、高端工業(yè)配電系統(tǒng)電源等領(lǐng)域也有著應(yīng)用潛能。

由于第三代半導(dǎo)體材料更為優(yōu)異，與國外差距相對較小，國家希望通過“十四五”規(guī)劃，把第三代半導(dǎo)體提升至戰(zhàn)略高度，第三代半導(dǎo)體可能成為我國半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)發(fā)展的彎道超車機(jī)會。

《中國制造2025》第三代半導(dǎo)體相關(guān)發(fā)展目標(biāo)中提到：關(guān)鍵戰(zhàn)略材（先進(jìn)半導(dǎo)體材料）2025年的任務(wù)目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)在5G移動通訊、高效能源管理中國產(chǎn)化率達(dá)到50%；在新能源汽車、消費(fèi)類電子領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)規(guī)模化應(yīng)用，在通用照明市場滲透率達(dá)到80%。