主題：第三代半導(dǎo)體氮化鎵GaN優(yōu)勢(shì)、用途

　根據(jù)材料的不同，現(xiàn)代半導(dǎo)體已經(jīng)發(fā)展到第三代。

　　第一代半導(dǎo)體材料主要是指硅(Si)、鍺(Ge)元素半導(dǎo)體。它們?cè)趪?guó)際信息產(chǎn)業(yè)技術(shù)中的各類分立器件和集成電路、電子信息網(wǎng)絡(luò)工程等領(lǐng)域得到了極為廣泛的應(yīng)用。

　　第二代半導(dǎo)體材料是指化合物半導(dǎo)體材料，如砷化鎵(GaAs)、銻化銦(InSb)、磷化銦(InP)，以及三元化合物半導(dǎo)體材料，還有一些固溶體半導(dǎo)體材料、玻璃半導(dǎo)體(又稱非晶態(tài)半導(dǎo)體)材料、有機(jī)半導(dǎo)體材料等。主要用于制作高速、高頻、大功率以及發(fā)光電子器件，是制作高性能微波、毫米波器件及發(fā)光器件的優(yōu)良材料。

　　第三代半導(dǎo)體材料主要是以碳化硅(SiC)、氮化鎵(GaN)、氧化鋅(ZnO)、金剛石、氮化鋁(AlN)為代表的寬禁帶(禁帶寬度Eg>2.3eV)的半導(dǎo)體材料。


　　與第一代和第二代半導(dǎo)體材料相比，第三代半導(dǎo)體材料具有更寬的禁帶寬度、更高的擊穿電場(chǎng)、更高的熱導(dǎo)率、更大的電子飽和速度以及更高的抗輻射能力，更適合制作高溫、高頻、抗輻射及大功率器件。從目前第三代半導(dǎo)體材料及器件的研究來看，較為成熟的第三代半導(dǎo)體材料是SiC和GaN，而ZnO、金剛石、氮化鋁等第三代半導(dǎo)體材料的研究尚屬起步階段。

　　氮化鎵(GaN)優(yōu)勢(shì)、用途

　　極其穩(wěn)定的化合物，堅(jiān)硬和高熔點(diǎn)材料，熔點(diǎn)為 1700℃。具有高的電離度，出色的擊穿能力、更高的電子密度和電子速度以及更高的工作溫度，且具有低導(dǎo)通損耗、高電流密度等優(yōu)勢(shì)。

　　通常用于微波射頻、電力電子、光電子三大領(lǐng)域。微波射頻包含了5G通信、雷達(dá)預(yù)警、衛(wèi)星通訊等應(yīng)用；電力電子方向包括了智能電網(wǎng)、高速軌道交通、新能源汽車、消費(fèi)電子等應(yīng)用；光電子方向包括了 LED、激光器、光電探測(cè)器等應(yīng)用。


　　1、氮化鎵(GaN)在微波射頻(5G)領(lǐng)域

　　隨著5G到來，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射頻市場(chǎng)將從2018年的6.45億美元增長(zhǎng)到2024年的約20億美元，這主要受電信基礎(chǔ)設(shè)施和國(guó)防兩個(gè)方向應(yīng)用推動(dòng)，衛(wèi)星通信、有線寬帶和射頻功率也做出了一定貢獻(xiàn)。

　　隨著新的基于GaN的有源電子掃描陣列(AESA)雷達(dá)系統(tǒng)的實(shí)施，基于GaN的軍用雷達(dá)預(yù)計(jì)將主導(dǎo)GaN軍事市場(chǎng)，從2018年的2.7億美元增長(zhǎng)至2024年的9.77億美元，CAGR達(dá) 23.91%。

　　GaN無線基礎(chǔ)設(shè)施的市場(chǎng)規(guī)模將從2018年的3.04億美元增長(zhǎng)至2024年的7.52億美元，CAGR達(dá)16.3%。

　　GaN有線寬帶市場(chǎng)規(guī)模從2018年的1,550萬美元增長(zhǎng)至2024年的6,500萬美元，CAGR達(dá) 26.99%。

　　GaN射頻功率市場(chǎng)規(guī)模從2018年的200萬美元增長(zhǎng)至2024年的10,460萬美元，CAGR達(dá) 93.38%，具有很大成長(zhǎng)空間。


　　氮化鎵(GaN)市場(chǎng)格局

　　Yole統(tǒng)計(jì)，2019全球3750多項(xiàng)專利一共可分為1700多個(gè)專利家族。這些專利涉及RF GaN外延、RF半導(dǎo)體器件、集成電路和封裝等。Cree(Wolfspeed)擁有最強(qiáng)的專利實(shí)力，在RF 應(yīng)用的GaN HEMT 專利競(jìng)爭(zhēng)中，尤其在GaN-on-SiC技術(shù)方面處于領(lǐng)先地位，遠(yuǎn)遠(yuǎn)領(lǐng)先于其主要專利競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手住友電工和富士通。英特爾和MACOM是目前最活躍的 RF GaN專利申請(qǐng)者，主要聚焦在GaN-on-Si 技術(shù)領(lǐng)域。GaN RF HEMT 相關(guān)專利領(lǐng)域的新進(jìn)入者主要是中國(guó)廠商，例如HiWafer(海威華芯)，三安集成、華進(jìn)創(chuàng)威。

　　


　　

　　2、氮化鎵(GaN)在電力電子領(lǐng)域

　　GaN推動(dòng)快充、汽車電子進(jìn)入小體積、高效率時(shí)代。

　　GaN技術(shù)有望大幅改進(jìn)電源管理、發(fā)電和功率輸出等應(yīng)用。2005年電力電子領(lǐng)域管理了約 30%的能源，預(yù)計(jì)到2030年，這一數(shù)字將達(dá)到80%，相當(dāng)于節(jié)約了30億千瓦時(shí)以上的電能，這些電能可支持30多萬個(gè)家庭使用一年。從智能手機(jī)充電器到數(shù)據(jù)中心，所有直接從電網(wǎng)獲得電力的設(shè)備均可受益GaN技術(shù)，從而提高電源管理系統(tǒng)的效率和規(guī)模。

　　由于材料特性的差異，SiC在高于1200V的高電壓、大功率應(yīng)用具有優(yōu)勢(shì)，而GaN器件更適合 40-1200V的高頻應(yīng)用，尤其是在600V/3KW以下的應(yīng)用場(chǎng)合。因此，在微型逆變器、伺服器、馬達(dá)驅(qū)動(dòng)、UPS 等領(lǐng)域，GaN可以挑戰(zhàn)傳統(tǒng) MOSFET 或 IGBT 器件的地位，讓電源產(chǎn)品更為輕薄、高效。


　　汽車領(lǐng)域，現(xiàn)行汽車的特點(diǎn)和功能是耗電和電子驅(qū)動(dòng)，給傳統(tǒng)的 12V 配電總線帶來了額外負(fù)擔(dān)。對(duì)于 48V 總線系統(tǒng)，GaN技術(shù)可提高效率、縮小尺寸并降低系統(tǒng)成本。

　　光線式距離保持和測(cè)量功能(激光雷達(dá))使用脈沖激光快速提供車輛周圍環(huán)境的高分辨率 360°三維圖像，GaN技術(shù)可使激光信號(hào)發(fā)送速度遠(yuǎn)高于同類硅 MOSFET 器件。基于GaN的激光雷達(dá)使自主駕駛車輛能夠看得更遠(yuǎn)、更快、更好，從而成為車輛眼睛。

　　此外，GaN FET 工作效率高，能以低成本實(shí)現(xiàn)最大的無線電源系統(tǒng)效率。用于高強(qiáng)度LED前照燈時(shí)，GaN技術(shù)可提高效率，改善熱管理并降低系統(tǒng)成本。而更高的開關(guān)頻率允許在AM 波段以上工作并降低 EMI.GaN在汽車電子方面擁有豐富的應(yīng)用場(chǎng)景。

　　下一代充電器領(lǐng)域，GaN在未來幾年將在許多應(yīng)用中取代硅，快充是第一個(gè)可以大規(guī)模生產(chǎn)的應(yīng)用。在600伏特左右的電壓下，GaN在芯片面積、電路效率和開關(guān)頻率方面的表現(xiàn)明顯好于硅，因此在壁式充電器中可以用GaN來替代硅。5G 智能手機(jī)的屏幕越來越大，與之對(duì)應(yīng)的是手機(jī)續(xù)航的需求越來越高，這意味著電池容量的增加。GaN快充技術(shù)可以很好地解決大電池帶來的充電時(shí)長(zhǎng)問題。


　　2019年9月，OPPO宣布在其65W內(nèi)置快速充電器中采GaN HEMT 器件，GaN在2019年首次進(jìn)入主流消費(fèi)應(yīng)用。2020年2月，小米公司在小米10發(fā)布會(huì)上也宣布使用65W的GaN快充。

　　GaN功率器件在2020年預(yù)計(jì)將會(huì)加速普及。由于GaN充電器具有體積小、發(fā)熱低、功率高、支持PD協(xié)議的特點(diǎn)，GaN充電器有望在未來統(tǒng)一筆記本電腦和手機(jī)的充電器市場(chǎng)。

　　Yole預(yù)測(cè)，到2024年GaN電源市場(chǎng)規(guī)模將超過3.5億美元，CAGR為85%，有極大增長(zhǎng)空間。此外，GaN還有望進(jìn)入汽車及工業(yè)和電信電源應(yīng)用中。


　　GaN功率器件領(lǐng)域一直由EPC，GaN Systems，Transphorm和Navitas等純GaN初創(chuàng)公司主導(dǎo)，他們的產(chǎn)品主要是 TSMC，Episil或 X-FAB 代工生產(chǎn)。國(guó)內(nèi)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。

　　3、氮化鎵(GaN)在光電子領(lǐng)域

　　GaN低功耗、高發(fā)光效率為L(zhǎng)ED、紫外激光器助力。

　　GaN是藍(lán)光LED的基礎(chǔ)材料，在Micro LED、紫外激光器中有重要應(yīng)用。

　　Micro LED 是新一代顯示技術(shù)，比現(xiàn)有的 OLED 技術(shù)亮度更高、發(fā)光效率更好，但功耗更低。2017年5月，蘋果已經(jīng)開始新一代顯示技術(shù)的開發(fā)。2018年2月，三星在CES 2018上推出了Micro LED電視。Micro LED更容易準(zhǔn)確調(diào)校色彩，且有更長(zhǎng)發(fā)光壽命和更高亮度。Micro LED 繼OLED之后成為另一項(xiàng)推動(dòng)顯示品質(zhì)的技術(shù)。

　　氮化鎵(GaN)因其材料的高頻特性是制備紫外光器件的良好材料，紫外光電芯片具備廣泛的軍民兩用前景。軍事領(lǐng)域，典型應(yīng)用有：滅火抑爆系統(tǒng)(地面坦克裝甲車輛、艦船和飛機(jī))、紫外制導(dǎo)、紫外告警、紫外通信、紫外搜救定位、飛機(jī)著艦(陸)導(dǎo)引、空間探測(cè)、核輻射和生物戰(zhàn)劑監(jiān)測(cè)、爆炸物檢測(cè)等。民用領(lǐng)域，典型應(yīng)用有：火焰探測(cè)、電暈放電檢測(cè)、醫(yī)學(xué)監(jiān)測(cè)診斷、水質(zhì)監(jiān)測(cè)、大氣監(jiān)測(cè)、刑事生物檢測(cè)等。

　　根據(jù)美國(guó)航空權(quán)威媒體《Airport-technology》報(bào)道，為遏制新型冠狀病毒(2019-nCov)的傳播，美國(guó)洛杉磯國(guó)際機(jī)場(chǎng)(LAX)、舊金山國(guó)際機(jī)場(chǎng)(SFO)和紐約約翰·肯尼迪國(guó)際機(jī)場(chǎng)(JFK)已經(jīng)啟用了美國(guó) Dimer UVC Innovations 公司的UVC紫外線殺菌機(jī)器人對(duì)所有進(jìn)出港的飛機(jī)內(nèi)艙進(jìn)行全面殺菌消毒，以有效預(yù)防新型冠狀病毒(2019-nCov)傳播。

　　其 GermFalcon 系統(tǒng)使用UVC紫外線消滅飛機(jī)內(nèi)艙表面上和空氣中的病毒、細(xì)菌和超級(jí)細(xì)菌，該系統(tǒng)的整體設(shè)計(jì)使飛機(jī)機(jī)艙的所有表面暴露在殺菌的UVC下。其核心光源采用了GaN 紫外LED技術(shù)，使得機(jī)器人具備整體重量輕、功耗低、發(fā)光波段可控可調(diào)(對(duì)人體無害)的優(yōu)點(diǎn)。

　　根據(jù) LEDinside分析，LED照明市場(chǎng)規(guī)模2018-2023年的CAGR為6%。在物聯(lián)網(wǎng)和5G新時(shí)代，智慧化產(chǎn)品滲透率更加迅速提升，智能家居照明的商機(jī)即將爆發(fā)。此外，2022 年Micro LED以及Mini LED的市場(chǎng)產(chǎn)值預(yù)計(jì)將會(huì)達(dá)到13.8億美元。下一代 Mini LED背光技術(shù)將是各家廠商的開發(fā)重點(diǎn)，至2023年Mini LED市場(chǎng)規(guī)模預(yù)計(jì)會(huì)達(dá)到10億美元。其中顯示屏應(yīng)用成長(zhǎng)速度最快，2018年至2023年CAGR預(yù)計(jì)超過50%。

　　根據(jù)《2019深紫外線LED應(yīng)用市場(chǎng)報(bào)告》顯示，2018全球UV LED市場(chǎng)規(guī)模達(dá)2.99億美金，預(yù)計(jì)到2023年市場(chǎng)規(guī)模將達(dá)9.91億美金，2018-2023年CAGR 達(dá)27%。UV LED廣闊的發(fā)展前景正吸引越來越多的廠商進(jìn)入。

　　目前高端的深紫外LED仍以日本、韓國(guó)廠商為主，不過越來越多的國(guó)內(nèi)半導(dǎo)體公司開始關(guān)注深紫外行業(yè)，進(jìn)行深度布局。如布局深紫外芯片-封裝-模組產(chǎn)業(yè)鏈的青島杰生(圓融光電)，深紫外LED芯片的三安光電(600703)、湖北深紫、中科潞安、華燦光電(300323)、鴻利秉一，以及高性能紫外傳感芯片的鎵敏光電。

　　目前，鎵敏光電是國(guó)內(nèi)唯一擁有紫外傳感芯片技術(shù)的公司，其所開發(fā)的高端氮化鎵和碳化硅紫外傳感芯片已投入大批量生產(chǎn)，在飲用水、空氣、食品、衣物和醫(yī)療器械等紫外凈化領(lǐng)域得到了規(guī)模應(yīng)用。

　　國(guó)內(nèi)公司

　　GaN全球重要企業(yè)及產(chǎn)業(yè)鏈包括：CREE(全球最大的SiC和GaN器件制造商)、Infineon(世界領(lǐng)先的半導(dǎo)體與系統(tǒng)解決方案提供商)、住友電工(全球 GaN射頻器件第一大供應(yīng)商)、Navitas(世界領(lǐng)先的 GaN 功率IC ——GaNFast技術(shù)的創(chuàng)造者)。

　　國(guó)內(nèi)公司：

　　三安光電(600703)全面布局 GaN 射頻、功率器件、光電的國(guó)產(chǎn)龍頭

　　公司是傳統(tǒng)照明LED芯片巨頭，于2019年實(shí)現(xiàn)了深紫外LED芯片量產(chǎn)，處于整個(gè)行業(yè)產(chǎn)品鏈的上游。作為國(guó)內(nèi)領(lǐng)先的深紫外LED芯片供應(yīng)商，公司深紫外 UVC LED 芯片廣泛應(yīng)用于對(duì)空氣、水和物體表面消毒等終端消殺產(chǎn)品和應(yīng)用場(chǎng)景。

　　光功率方面，三安光電 UVC 性能已經(jīng)是國(guó)際同等水平，可以達(dá)到2-4%光效。自今年疫情以來，三安光電已接收到多家客戶和政府的急增需求，公司UVC芯片已處滿產(chǎn)狀態(tài)，260~280nm外波段的深紫外UVC產(chǎn)品已累計(jì)客戶百余家。

　　三安光電目前正在中部地區(qū)建設(shè)一個(gè) Mini/Micro LED 研發(fā)基地，投資額為120億元人民幣(17億美元)。三安將在該研發(fā)基地展開 GaN 和 GaAs Mini/Micro LED 芯片以及 4K 顯示器的研發(fā)。與此同時(shí)，三安還計(jì)劃在該基地建立161萬個(gè)GaN Mini/Micro LED 芯片、750,000 個(gè) GaAs Mini/Micro LED 芯片以及 84,000 個(gè)4K顯示器的年生產(chǎn)能力。

　　GaN業(yè)務(wù)部門年產(chǎn)能將包括720,000個(gè)藍(lán)光Mini LED芯片、90,000個(gè)藍(lán)光 Micro LED芯片、720,000個(gè)綠光 Mini LED芯片和 80,000個(gè)綠光 Micro LED芯片，而 GaAs 業(yè)務(wù)部分年產(chǎn)能將包括 660,000個(gè)紅光 Mini LED 芯片和 90,000 個(gè)紅光 Micro LED 芯片。此外，三安光電已經(jīng)正式與三星電子開展合作，共同開發(fā) Mini/Micro LED 技術(shù)。

　　三安集成，成立于2014年，是三安光電(600703)下屬子公司，基于氮化鎵和砷化鎵技術(shù)經(jīng)營(yíng)業(yè)務(wù)，是一家專門從事化合物半導(dǎo)體制造的代工廠，服務(wù)于射頻、毫米波、功率電子和光學(xué)市場(chǎng)，具備襯底材料、外延生長(zhǎng)以及芯片制造的產(chǎn)業(yè)整合能力。

　　三安集成項(xiàng)目總規(guī)劃用地281畝，總投資額30億元，規(guī)劃產(chǎn)能為 30萬片/年GaAs 高速半導(dǎo)體外延片、30萬片/年GaAs 高速半導(dǎo)體芯片、6萬片/年GaN高功率半導(dǎo)體外延片、6萬片/年GaN高功率半導(dǎo)體芯片。官網(wǎng)顯示，三安集成在微波射頻領(lǐng)域已建成專業(yè)化、規(guī)模化的 4 英寸、6 英寸化合物晶圓制造產(chǎn)線，在電子電路領(lǐng)域已推出高可靠性、高功率密度的 SiC 功率二極管及硅基氮化鎵功率器件。


　　海威華芯：中國(guó)純晶圓代工廠商的新生力量

　　海威華芯是民營(yíng)航空裝備與技術(shù)公司海特高新(002023)下屬子公司，提供晶圓代工、設(shè)計(jì)、測(cè)試服務(wù)。公司積極拓展化合物半導(dǎo)體業(yè)務(wù)，已建成6寸化合物半導(dǎo)體商用生產(chǎn)線，并完成包括砷化鎵、氮化鎵、碳化硅及磷化銦在內(nèi)的 6 項(xiàng)工藝產(chǎn)品的開發(fā)，可支持制造功率放大器、混頻器、低噪音放大器、開關(guān)、光電探測(cè)器、激光器、電力電子等產(chǎn)品，業(yè)務(wù)涵蓋航空、航天、衛(wèi)星、消費(fèi)電子等領(lǐng)域，產(chǎn)品廣泛應(yīng)用于 5G 移動(dòng)通信、電力電子、光纖通訊、3D 感知等領(lǐng)域。

　　2018年報(bào)顯示，海特高新為100家客戶提供產(chǎn)品和技術(shù)服務(wù)，其中砷化鎵已經(jīng)實(shí)現(xiàn)訂單37項(xiàng)，氮化鎵已經(jīng)引入6家客戶。其中部分產(chǎn)品實(shí)現(xiàn)批量出貨和代工實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)；5G 基站產(chǎn)品通過性能驗(yàn)證，目前處于可靠性驗(yàn)證階段；氮化鎵功率元器件已經(jīng)小規(guī)模量產(chǎn)，隨著 5G 商用部署進(jìn)程的不斷推進(jìn)，在 5G 射頻方面將催生大量的氮化鎵元器件需求，具有廣闊的市場(chǎng)前景。

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