一文解析氮化嫁技術(shù)及產(chǎn)業(yè)鏈

一、氮化嫁（GaN）定義      

氮化鎵材料定義：氮化鎵(GaN)主要是由人工合成的一種半導(dǎo)體材料，禁帶寬度大于2.3eV，也稱為寬禁帶半導(dǎo)體材料。   氮化鎵材料為第三代半導(dǎo)體材料的典型代表，是研制微電子器件、光電子器件的新型材料。

圖1：第一、第二、第三代半導(dǎo)體的禁帶寬度 圖源：智慧芽

  1.1 第一代半導(dǎo)體材料

第一代半導(dǎo)體材料主要是指硅(Si)、鍺(Ge)半導(dǎo)體材料，興起于二十世紀(jì)五十年代，帶動(dòng)了以集成電路為核心的微電子產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展，被廣泛的應(yīng)用于消費(fèi)電子、通信、光伏、軍事以及航空航天等多個(gè)領(lǐng)域。  

1.2 第二代半導(dǎo)體材料

第二代半導(dǎo)體材料是以砷化鎵(GaAs)、銻化銦(InSb)為主的化合物半導(dǎo)體，其主要被用于制作高頻、高速以及大功率電子器件，在衛(wèi)星通訊、移動(dòng) 通訊以及光通訊等領(lǐng)域有較為廣泛的應(yīng)用。砷化鎵和磷化銦半導(dǎo)體激光器成為 光通信系統(tǒng)中的關(guān)鍵器件，同時(shí)砷化鎵高速器件也開拓了光纖及移動(dòng)通信的新產(chǎn)業(yè)。  

1.3 第三代半導(dǎo)體材料

  第三代半導(dǎo)體材料包括了以碳化硅(SiC)、氮化鎵(GaN)為代表的寬禁帶化合物半導(dǎo)體。第一二代半導(dǎo)體材料工藝已經(jīng)逐漸接近物理極限，在微電子領(lǐng)域的摩爾定律開始逐步失效，而第三代半導(dǎo)體是可以超越摩爾定律的。   相比于第一代及第二代半導(dǎo)體材料，第三代半導(dǎo)體材料在高溫、高耐壓以及承受大電流等多個(gè)方面具備明顯的優(yōu)勢，因而更適合于制作高溫、高頻、抗輻射及大功率器件。

圖2：第三代半導(dǎo)體性能比較   在器件的性能對比上，GaN 材料以及 SiC 材料在通態(tài)電阻以及擊穿電壓方 面都具備較大的優(yōu)勢。  

二、氮化嫁技術(shù)及應(yīng)用領(lǐng)域

    第三代半導(dǎo)體材料應(yīng)用可以分為微電子以及光電子領(lǐng)域，具體可以細(xì)分為 電力電子器件、微波射頻、可見光通信、太陽能、半導(dǎo)體照明、紫外光存儲(chǔ)、 激光顯示以及紫外探測器等領(lǐng)域，有望突破傳統(tǒng)半導(dǎo)體技術(shù)的瓶頸，與第一代、 第二代半導(dǎo)體技術(shù)互補(bǔ)，對節(jié)能減排、產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)、催生新的經(jīng)濟(jì)增長點(diǎn)將發(fā)揮重要作用。

圖3：第三代半導(dǎo)體的應(yīng)用領(lǐng)域

圖4：氮化嫁技術(shù)及產(chǎn)業(yè)鏈 圖源：智慧芽  

2.1氮化嫁襯底外延工藝

  氮化鎵最早是在1928年人工合成出來的材料。但它的單晶生長很難，目前氮化鎵襯底晶圓仍然偏貴。商業(yè)場景（LED/射頻RF/功率器件）中使用的多是異質(zhì)外延片。   氮化鎵器件所選用的襯底主要有Si、SiC、GaN、藍(lán)寶石等，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行氮化鎵的同質(zhì)外延或異質(zhì)外延。   硅（或碳化硅）襯底上生長硅（或碳化硅）外延層，襯底和外延相同材質(zhì)稱為同質(zhì)外延；在硅（或藍(lán)寶石，碳化硅）襯底上生長氮化家外延層稱為異質(zhì)外延。  

2.1.1氮化鎵基氮化鎵（GaN-on-GaN）

  GaN單晶襯底是外延GaN最理想的襯底，缺陷密度低，外延材料質(zhì)量好。但GaN單晶生長設(shè)備要求高，控制工藝復(fù)雜，位錯(cuò)缺陷密度較高，良率較低，且相關(guān)技術(shù)發(fā)展較慢，GaN襯底片成本較高，應(yīng)用受到限制。主流GaN襯底產(chǎn)品以2英寸為主，4英寸也已經(jīng)實(shí)現(xiàn)商用。  

2.1.2 硅基氮化鎵（GaN-on-Si）

Si襯底成本低，GaN-on-Si生長速度較快，較容易擴(kuò)展到8英寸晶圓；GaN-on-Si是硅基工藝，與CMOS工藝兼容性好，使GaN器件與CMOS工藝器件能很好地集成在一個(gè)芯片上，可以利用現(xiàn)有硅晶圓代工廠進(jìn)行規(guī)模量產(chǎn)。GaN-on-Si外延片主要用于制造電力電子器件。  

2.1.3 碳化硅基氮化鎵（GaN-on-SiC）

  GaN-on-SiC結(jié)合了SiC優(yōu)異的導(dǎo)熱性和GaN高功率密度、低損耗能力，襯底上的器件可在高電壓和高漏極電流下運(yùn)行，結(jié)溫將隨RF功率緩慢升高，RF性能更好，目前多數(shù)GaN射頻器件的襯底都是SiC。受限于SiC襯底，目前尺寸仍然限制在4寸與6寸，8寸還沒有推廣。GaN-on-SiC外延片主要用于制造微波射頻器件。  

2.1.4 藍(lán)寶石基氮化鎵（GaN-on-sapphire）

  藍(lán)寶石襯底通常采用MOCVD法外延生長GaN，主流尺寸為4英寸，主要應(yīng)用在LED市場。   在GaN器件中，襯底的選擇對于器件性能起關(guān)鍵作用，襯底也占據(jù)了大部分成本，因而襯底是氮化鎵器件降低成本的突破口。目前市場上GaN晶體管主流的襯底材料為Si、SiC和藍(lán)寶石，GaN襯底由于工藝、成本問題尚未得到大規(guī)模商用。  

2.2 氮化嫁（GaN）應(yīng)用范圍廣泛

  ——在功率器件、射頻器件、顯示領(lǐng)域應(yīng)用廣泛，支撐新基建快速發(fā)展   支撐“新基建”建設(shè)的關(guān)鍵核心器件:氮化鎵是目前能同時(shí)實(shí)現(xiàn)高頻、高效、大功率代表性材料，下游應(yīng)用切中“新基建”中 5G 基站、 特高壓、新能源充電樁、城際高鐵等主要領(lǐng)域   高效電能轉(zhuǎn)換，助力“碳達(dá)峰，碳中和”目標(biāo)實(shí)現(xiàn):第三代半導(dǎo)體可助力實(shí)現(xiàn)光伏、風(fēng)電(電能生產(chǎn))，直流特高壓輸電(電能傳輸)，新能源汽車、工業(yè)電源、機(jī)車牽引、消費(fèi)電源(電能使用)等領(lǐng)域的電能高效轉(zhuǎn)換，推動(dòng)能源綠色低碳發(fā)展。

圖5：氮化嫁（GaN）的應(yīng)用方向 數(shù)據(jù)來源：蘇州晶湛半導(dǎo)體  

2.3 國內(nèi)外產(chǎn)業(yè)鏈日益完善

圖6：全球氮化嫁（GaN）產(chǎn)業(yè)圖譜 圖源：智慧芽  

從氮化鎵產(chǎn)業(yè)鏈公司來看，國外公司在技術(shù)實(shí)力以及產(chǎn)能上保持較大的領(lǐng)先。GaN 龍頭企業(yè)以 IDM 模式為主，其中 Qorvo 擁有自身的晶圓代工廠以及封測廠，在國防以及 5G 射頻芯片領(lǐng)域具備較大優(yōu)勢，在 2017 年 Qorvo 最早推出 39Ghz 雙通道 GaNFET，并在 2018 年推出業(yè)內(nèi)最強(qiáng) GaN-on-SiC 晶體管；Infineon 則是專注于功率半導(dǎo)體領(lǐng)域，主要產(chǎn)品集中在 6 英寸 GaN 產(chǎn)線上，8 英寸產(chǎn)線也在準(zhǔn)備當(dāng)中，公司是市場上唯一可以提供氮化鎵等全系列功率產(chǎn)品的公司。國內(nèi)廠商包括蘇州能華、華功半導(dǎo)體以及英諾賽科等，其中英諾賽科建成中國首條 8 英寸硅基氮化鎵外延與芯片大規(guī)模量產(chǎn)生產(chǎn)線，公司產(chǎn)品在氮化鎵快充領(lǐng)域具備國際領(lǐng)先的技術(shù)實(shí)力。

  GaN 襯底市場主要由日本住友電工、三菱化學(xué)也以及新越化學(xué)主導(dǎo)，其市場份額占到 90%以上，可以成熟提供 4 英寸以及 6 英寸 GaN 襯底，國內(nèi)廠商包 括蘇州納維以及東莞中鎵，目前已經(jīng)實(shí)現(xiàn) 2 英寸氮化鎵襯底產(chǎn)品量產(chǎn)，對于 4 英寸氮化鎵仍處于研發(fā)及試生產(chǎn)階段，與國際領(lǐng)先廠商技術(shù)還存在一定差距。   市場上主流的 GaN 外延片供應(yīng)商包括日本 NTTAT，其可以提供用于大功率集成電路及高頻率通信領(lǐng)域的高品質(zhì)氮化鎵外延片；比利時(shí)公司 EpiGaN 可提供 4、6 英寸氮化鎵外延晶圓，廣泛用于 5G 通訊、高效電力電子、射頻功率、 傳感器等領(lǐng)域，目前公司已經(jīng)率先實(shí)現(xiàn)了 8 英寸硅基氮化鎵晶圓量產(chǎn)，生產(chǎn)工藝處于行業(yè)先進(jìn)水平。國內(nèi)廠商包括晶湛半導(dǎo)體、蘇州能華以及華功半導(dǎo)體等， 其中晶湛已經(jīng)建成了年產(chǎn) 1 萬片 6 英寸氮化鎵外延片生產(chǎn)線，在全球擁有超過 150 家著名半導(dǎo)體客戶，技術(shù)實(shí)力已經(jīng)向國際領(lǐng)先水平靠近。

  從事 GaN 芯片設(shè)計(jì)廠商包括 EPC、GaN Sys 以及 Navitas 等公司，其主要是面向功率器件設(shè)計(jì)，安譜隆以及 RFHIC 主要面向射頻相關(guān)領(lǐng)域，其中安譜隆在 2018 年被中國資本以 18 億歐元收購，極大提升了我國在 GaN 器件設(shè)計(jì)領(lǐng)域的實(shí)力。   為設(shè)計(jì)公司提供晶圓代工的廠商包括穩(wěn)懋、TSMC、富士通、世界先進(jìn)、Cree 等，國內(nèi)海威華芯、三安集成等新興代工廠也具備 GaN 晶圓代工能力。

三、氮化嫁下游應(yīng)用      

GaN下游應(yīng)用廣泛，主要有光電子領(lǐng)域、射頻電子領(lǐng)域和電力電子領(lǐng)域。

3.1 GaN在射頻電子領(lǐng)域的應(yīng)用

GaN射頻器件主要應(yīng)用于軍用雷達(dá)、衛(wèi)星通訊、5G基站等方面。   根據(jù) Yole 統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，2018 年 GaN 整體市場規(guī)模為 6.45 億美元，其中無線通訊應(yīng)用規(guī)模為 3.04 億美元，軍事應(yīng)用規(guī)模為 2.7 億美元，未來在電信基礎(chǔ)設(shè)施以及國防兩大應(yīng)用的推動(dòng)下，預(yù)計(jì)到 2024 年，GaN市場規(guī)模將增長至 20.01 億美元，年復(fù)合增長率為 21%，其中無線通訊應(yīng)用規(guī)模將達(dá)到 7.52 億美元，同比增長147.43%，射頻相關(guān)應(yīng)用規(guī)模從200萬美元大幅增長至1.04 億元，增長近50倍。

圖7：全球GaN市場快速增長  

5G基站助推GaN功率半導(dǎo)體業(yè)務(wù)增長

  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。GaN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(hào)處理能力，應(yīng)用在5G基站中更加合適。  

5G 射頻系統(tǒng)由于要使用到高頻載波聚合以及高頻帶等多種新技術(shù)，整體系 統(tǒng)復(fù)雜度大幅提高，因此使用 GaN 等新技術(shù)將大幅縮減系統(tǒng)功耗，圖8中左側(cè) 為鍺化硅基 MIMO 天線，其由 1024 個(gè)元件構(gòu)成，裸片面積為 4096 平方毫米，輻射功率為 65dBm，如果采用 GaN 材料來制作，整體元件數(shù)量將減少至 192 個(gè)， 裸片面積僅為 250 平方毫米，仍能保持輻射功率不變，雖然價(jià)格有一定程度的提高，但是功耗降低了 40%，成本可以降低 80%。

圖8：GaN在5G射頻系統(tǒng)中優(yōu)勢明顯   3.2 GaN在光電子領(lǐng)域的應(yīng)用   GaN光電器件產(chǎn)品主要包括Mini-LED和Micro-LED。與傳統(tǒng)LED相比，芯片量級(jí)更小，高清顯示性能更好，可以應(yīng)用于超大屏高清智能電視、消費(fèi)電子顯示屏，以及手機(jī)、電腦等消費(fèi)電子背光應(yīng)用，VR/AR等多個(gè)領(lǐng)域。

圖9：GaN在光電子領(lǐng)域的應(yīng)用優(yōu)勢

  Micro LED技術(shù)近年來高速發(fā)展，中國的技術(shù)儲(chǔ)備全球領(lǐng)先

近幾年為Micro/Mini LED技術(shù)的高速發(fā)展期；中國專利申請趨勢與全球總體一致，并且近5年發(fā)展迅猛全球領(lǐng)先。   海外Facebook和蘋果公司分別位列第一、第二，國內(nèi)京東方、歌爾股份、三安光電等也都名列前茅。

圖10：Micro/Mini LED全球?qū)＠饕暾埲伺琶?數(shù)據(jù)來源：智慧芽  

3.3 GaN在電力電子領(lǐng)域的應(yīng)用

  GaN高效率、低損耗與高頻率的材料特性使其在消費(fèi)電子充電器、電源適配器等領(lǐng)域具有相當(dāng)?shù)臐B透潛力。

  3.3.1 快充帶動(dòng)GaN功率器件應(yīng)用

  與傳統(tǒng)充電器相比，相同功率下的GaN充電器體積更小，質(zhì)量更輕攜帶便利。GaN充電器充電功率大，充電速度快，可滿足多臺(tái)設(shè)備同時(shí)充電的場景需求，且價(jià)格相對便宜。小米、華為、努比亞等手機(jī)廠商開始入局氮化鎵充電器市場，氮化鎵充電器市場已經(jīng)進(jìn)入百花齊放的時(shí)代。   氮化鎵的應(yīng)用加速了快充充電器的市場發(fā)展。華經(jīng)產(chǎn)業(yè)研究院數(shù)據(jù)顯示，預(yù)計(jì)到2026年，中國氮化鎵充電器市場規(guī)模將上升至50億元。因此，GaN充電器在消費(fèi)電子快充領(lǐng)域市場需求量大。   此外，光伏、數(shù)據(jù)中心、云計(jì)算等領(lǐng)域都在不同程度為GaN功率器件市場增長提供助力。例如，隨著“東數(shù)西算”工程、智慧城市等建設(shè)不斷推進(jìn)，數(shù)據(jù)中心建設(shè)迎來提速。同時(shí)，隨著數(shù)據(jù)中心建設(shè)體量的增加，數(shù)據(jù)中心市場耗電量未來一段時(shí)間將持續(xù)走高。因此降低能耗、建設(shè)綠色數(shù)據(jù)中心成為發(fā)展趨勢。而在數(shù)據(jù)中心的使用場景下，氮化鎵憑借高效率的優(yōu)勢，可帶來顯著的節(jié)能增效并降低成本。

3.3.2新能源汽車成為GaN功率半導(dǎo)體市場增長驅(qū)動(dòng)力

GaN功率半導(dǎo)體主要應(yīng)用于新能源汽車的車載充電器OBC、DC-DC/DC-AC、BMS電池管理系統(tǒng)等。

圖11：車規(guī)級(jí)功率器件市場占比 數(shù)據(jù)來源：Yole  

頭豹研究院數(shù)據(jù)顯示，GaN功率半導(dǎo)體可在節(jié)能70%的同時(shí)使新能源汽車充電效率達(dá)到98%，增加5%續(xù)航。目前已有豐田、寶馬等多家汽車廠商入局GaN領(lǐng)域。

  中汽協(xié)數(shù)據(jù)顯示，2022年全國新能源汽車銷量達(dá)到680萬輛，同比增長93.4%，滲透率爆發(fā)式提升，汽車電動(dòng)化等級(jí)提升顯著增加了功率半導(dǎo)體單車價(jià)值量。   未來，新能源汽車數(shù)量的不斷增長、滲透率的提升，GaN潛在市場空間巨大，拓展新能源汽車應(yīng)用市場、提高滲透率是GaN行業(yè)重要的發(fā)展趨勢。  

附件：中國氮化嫁（GaN）代表企業(yè)及業(yè)務(wù)