第三代半導(dǎo)體材料氮化鎵GaN進(jìn)軍多領(lǐng)域，科技新力量。
氮化鎵（GaN）作為第三代半導(dǎo)體材料的一種，在禁帶寬度、飽和電子漂移速度、電子遷移率三項(xiàng)參數(shù)上都超越了第一代和第二代半導(dǎo)體材料。

對(duì)GaN薄膜材料的研究可追溯到上世紀(jì)60年代，但直到90年代GaN外延生長(zhǎng)和摻雜技術(shù)才取得了重大突破。21世紀(jì)后，科技的高速開(kāi)展和不斷涌現(xiàn)的新需求有力有助于著GaN半導(dǎo)體材料朝著高頻、高功率、低能耗、超快響應(yīng)、超高容量、微型化等方向開(kāi)展。

01 2020年全球GaN射頻器件市場(chǎng)規(guī)模超8億美元

與碳化硅（SiC）相比，GaN具有更高的電子遷移率，開(kāi)關(guān)速度快，因此在高頻應(yīng)用領(lǐng)域優(yōu)勢(shì)顯著，在微波射頻、IDC等領(lǐng)域潛力巨大。GaN微波射頻器件/模塊通常包括GaN功率放大器（PA）、GaN低噪聲放大器（LNA）、GaN高電子遷移率晶體管（HEMT）以及GaN MMIC放大器等。

據(jù)Yole統(tǒng)計(jì)，2020年全球GaN射頻器件市場(chǎng)達(dá)8.3億美元，到2025年將增長(zhǎng)至20億美元以上，年均復(fù)合增長(zhǎng)率（CAGR）為12%。國(guó)防軍工和5G應(yīng)用是GaN射頻市場(chǎng)的兩大強(qiáng)勁牽引力，除此之外，GaN射頻在無(wú)線寬帶、射頻能量、商業(yè)雷達(dá)等市場(chǎng)也表現(xiàn)不凡。

GaN射頻器件的不同技術(shù)路線

GaN器件制造主要有藍(lán)寶石基GaN、SiC基GaN、Si基GaN和GaN基GaN四種工藝。

藍(lán)寶石襯底作為第一代技術(shù)路線，生產(chǎn)技術(shù)成熟、穩(wěn)定性較好，但由于襯底尺寸小、晶格失配、熱應(yīng)力適配等缺陷，無(wú)法支撐新興的GaN器件市場(chǎng)需求。

在射頻領(lǐng)域，因SiC基GaN較好的解決了散熱、效率和尺寸等問(wèn)題，是現(xiàn)在主流的技術(shù)路線。國(guó)際上4英寸和6英寸產(chǎn)線并存，4英寸代表制造商有日本住友和臺(tái)灣穩(wěn)懋，產(chǎn)品覆蓋了 6GHz 以內(nèi)的各頻段，輸出功率 40-400W。6英寸產(chǎn)能相對(duì)集中，主要為美國(guó)企業(yè)，包括Cree/Wolfspped、NXP和Qorvo。

Si襯底尺寸大、價(jià)格低，可面向更大的應(yīng)用市場(chǎng)，且Si本身作為第一代半導(dǎo)體材料開(kāi)展最為成熟，因此Si 基 GaN 射頻器件也逐漸得到了學(xué)術(shù)界和產(chǎn)業(yè)界的關(guān)注，但仍然是一個(gè)較小眾的市場(chǎng)。Macom公司的Si基GaN器件憑借其顯著的成本優(yōu)勢(shì)和可靠性能，正在搶奪傳統(tǒng)LDMOS和SiC基GaN的市場(chǎng)。四川益豐收購(gòu)的OMMIC（前身是飛利浦在Ⅲ-Ⅴ族化合物半導(dǎo)體材料的研究部門(mén)），掌握6英寸Si基GaN工藝。據(jù)悉，英諾賽科正在研發(fā) 8 英寸 Si 基 GaN 射頻器件工藝。

圖1：GaN制造技術(shù)路線變遷   來(lái)源：Yole

我國(guó)GaN射頻器件開(kāi)展概況

我國(guó)第三代半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)技術(shù)創(chuàng)新戰(zhàn)略聯(lián)盟（CASA）統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)顯示，2020年我國(guó)GaN微波射頻器件市場(chǎng)規(guī)模約66.1 億元，同比增長(zhǎng) 57.2%。其中，國(guó)防與航天是最大的下游應(yīng)用市場(chǎng)，2020年應(yīng)用規(guī)模達(dá)34.8億元，占國(guó)內(nèi)GaN射頻器件市場(chǎng)的53%，且預(yù)計(jì)將保持25.4%的CAGR繼續(xù)擴(kuò)張。

隨著全國(guó)5G基站建設(shè)的加速，有望拉動(dòng)國(guó)內(nèi)GaN射頻器件市場(chǎng)成倍增長(zhǎng)，預(yù)計(jì)釋放超千億元的GaN PA新需求。未來(lái)三到五年GaN射頻器件在5G基站的滲透率預(yù)計(jì)達(dá)到70%。

圖2：2020年我國(guó)GaN射頻器件下游應(yīng)用分布  來(lái)源：CASA

02 GaN在消費(fèi)電子市場(chǎng)大放異彩

GaN電力電子器件的導(dǎo)通電阻低至傳統(tǒng)器件的近千分之一，開(kāi)關(guān)速度是后者的幾十倍，可以有效降低近90%的電源損耗，且GaN電力電子器件身材纖細(xì)，這些特點(diǎn)完美契合了消費(fèi)電子電源產(chǎn)品近年來(lái)追求小型化和高效率的趨勢(shì)。

自2018年以來(lái)，GaN材料在快充領(lǐng)域得到快速商業(yè)化，最先突圍的是手機(jī)充電器。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，截至2020年底全球已有60余家GaN快充產(chǎn)品制造商，已推出超100款GaN PD產(chǎn)品，充電功率集中在30-100W區(qū)間，無(wú)論是企業(yè)數(shù)量還是產(chǎn)品數(shù)量都較2019年增長(zhǎng)迅猛。隨著工作功率不斷提高，尤其是100W以上，GaN材料將會(huì)更具主導(dǎo)優(yōu)勢(shì)。

2020年2月13日，小米正式發(fā)布了65W GaN充電器，售價(jià)149元。小米首席執(zhí)行官雷軍介紹，該款充電器具有小巧、高效、發(fā)熱低等特點(diǎn)，僅需45分鐘即可將一塊 4500mAH的超大電池充滿電。2020年OPPO、華為、魅族等國(guó)產(chǎn)手機(jī)廠商也相繼推出了GaN快充產(chǎn)品。

圖3：GaN快充領(lǐng)域重點(diǎn)廠商布局   來(lái)源：Yole

從手機(jī)出發(fā)，GaN快充技術(shù)正在逐步滲透筆記本電腦、顯示器、白家電、其他3C等市場(chǎng)。戴爾、聯(lián)想、LG等筆記本電腦品牌紛紛入場(chǎng)GaN快充，推出了GaN大功率電源適配器。而受到下游需求刺激，Navitas、PI、英飛凌、Transphorm以及國(guó)內(nèi)半導(dǎo)體廠商英諾賽科、氮矽科技、能華微等都陸續(xù)推出了適用于PD 快充的 GaN芯片。GaN消費(fèi)類電源的未來(lái)市場(chǎng)空間無(wú)可限量，預(yù)計(jì)在接下的幾年將迎來(lái)開(kāi)展巔峰。

03  新能源汽車：未來(lái)不同半導(dǎo)體材料博弈的新戰(zhàn)場(chǎng)

新能源汽車市場(chǎng)為電力電子器件給予了重要的驅(qū)動(dòng)力，同時(shí)也對(duì)半導(dǎo)體材料和器件提出了新的需求。現(xiàn)在，Si基IGBT和SiC基MOSFET 這兩個(gè)主流技術(shù)正在搶奪新能源汽車功率半導(dǎo)體這一塊大蛋糕，而Si基GaN器件也在發(fā)力滲透，未來(lái)也是不容忽視的有力競(jìng)爭(zhēng)者。

相較Si基IGBT，SiC基MOSFET擁有耐高壓、更高的開(kāi)關(guān)速度和低損耗等優(yōu)異性能，并且在同樣功率下，SiC模塊通常具備更小的封裝尺寸，有助于實(shí)現(xiàn)實(shí)現(xiàn)車載逆變器的輕量化與節(jié)能化。全球范圍內(nèi)，特斯是行業(yè)內(nèi)第一個(gè)使用SiC技術(shù)的的車企，Model 3上采用了Infineon（英飛凌）和ST（意法半導(dǎo)體）的SiC逆變器，集成全SiC功率模塊。國(guó)內(nèi)汽車廠商中，比亞迪自主研發(fā)的SiC MOSFET已開(kāi)始上車使用，今年6月蔚來(lái)首臺(tái)SiC電驅(qū)系統(tǒng)C樣件下線。

從技術(shù)層面上看，GaN功率器件可承受電壓不及SiC功率器件，在48V混合動(dòng)力汽車上優(yōu)勢(shì)更明顯，也更適合小功率DC-DC/AC-DC轉(zhuǎn)換器。此外，GaN功率器件也有望在車載充電器（OBC）得到更廣泛應(yīng)用。如果系統(tǒng)成本達(dá)到平衡，GaN在新能源汽車OBC上的使用可能性將會(huì)大大提升。

需要承認(rèn)的是，盡管第三代半導(dǎo)體技術(shù)在新能源汽車領(lǐng)域潛力無(wú)窮，但汽車所需器件的認(rèn)證周期長(zhǎng)，通常要求很高的器件可靠性和穩(wěn)定性，在現(xiàn)實(shí)中SiC和GaN技術(shù)的應(yīng)用并不樂(lè)觀，仍處于非常初期的階段。Si基IGBT產(chǎn)業(yè)鏈成熟，經(jīng)過(guò)多次迭代，器件穩(wěn)定性高，材料成本優(yōu)勢(shì)顯著，因此預(yù)計(jì)在未來(lái)Si基IGBT和SiC MOSFET仍將長(zhǎng)期并存，而GaN技術(shù)應(yīng)用在新能源汽車領(lǐng)域想要取得實(shí)質(zhì)性突破還需很長(zhǎng)一段時(shí)間。

參考資料：

1. CASA：第三代半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)開(kāi)展報(bào)告（2020）

2. 《第三代半導(dǎo)體材料》，中國(guó)材料研究學(xué)會(huì)組織編寫(xiě)

3. 券商研報(bào)和其他公開(kāi)資料

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