氮化鎵產(chǎn)業(yè)鏈深度解析

1、阿里巴巴達摩院發(fā)布的2021十大科技趨勢預測的第一大趨勢是“以氮化鎵（GaN)、碳化硅(SiC)為代表的第三代半導體迎來應用大爆發(fā)”。達摩院指出，近年來第三代半導體的性價比優(yōu)勢逐漸顯現(xiàn)，正在打開應用市場：SiC元件已用作汽車逆變器，GaN快速充電器也大量上市。半導體材料演進圖：資料來源：Yole, 國盛證券相對于第一代（硅基）半導體，第三代半導體禁帶寬度大，電導率高、熱導率高，其具有臨界擊穿電場高、電子遷移率高、頻率特性好等特點。氮化鎵（GaN）是最具代表性的第三代半導體材料，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：資料來

2、源：品利基金目前GaN器件有三分之二應用于軍工電子，如軍事通訊、電子、干擾、雷達等領(lǐng)域；在民用領(lǐng)域，氮化鎵主要被應用于通訊基站、功率器件等領(lǐng)域。未來五年，基于第三代半導體材料的電子器件將廣泛應用于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，預計到2022年，全球氮化鎵器件的市場規(guī)模將達到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%。由于氮化鎵終端應用日益普及，TransparencyMarketResearch預計，2019至2027年亞太地區(qū)將繼續(xù)占據(jù)主導地位。氮化鎵產(chǎn)業(yè)鏈氮

3、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)：資料來源：國海證券氮化鎵產(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)界常以藍寶石、碳化硅、硅作為襯底。硅基GaN市場快速增長：資料來源：Yole目前主流氮化鎵器件公司都采用碳化硅襯底，因為基于碳化硅襯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GaN onSi布局。目

4、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展，預計硅基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:圖表來源：Yole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、住友化學等，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、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。賽迪顧問預測，到2022年我國

5、GaN襯底市場規(guī)模將達到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寶石、碳化硅、硅等異質(zhì)襯底上進行外延。目前，GaN器件的售價還比較高，是同電壓等級的Si器件的45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、晶湛半導體、江蘇能華、英諾賽科等。在外延片方面，46英寸Si基GaN外延片已經(jīng)實現(xiàn)量產(chǎn)，目前市場份額最高的是住友電工、Cree、Qorvr

6、o等三家廠商。Cree收購整合Wolfspeed，在基于SiC襯底的GaN具有較強技術(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、三菱電機等也在積極布局。國內(nèi)GaN襯底研究合作情況：資料來源：華西證券氮化鎵產(chǎn)業(yè)鏈中游：器件設(shè)計和制造化合物半導體芯片性能與材料、結(jié)構(gòu)設(shè)計和制造工藝之間的關(guān)聯(lián)性較強，因此很多企業(yè)采用IDM模式。氮化鎵下游應用行業(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

7、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)鏈下游應用早在60年代氮化鎵已經(jīng)應用于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

8、基站、軍工是GaN重要驅(qū)動氮化鎵作為一種寬禁帶半導體，具有高功率密度、低能耗、適合高頻率、支持寬帶寬等特點，是實現(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基站空間廣闊射頻領(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

9、，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，GaN在整個基站所用半導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效率是運營商降低運營成本（OPEX）、實現(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)進度落后宏基站1年測算，到202

10、4年基站端GaN射頻器件規(guī)模達到峰值，可達9.4億元。根據(jù)CASA預估，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34億美元，GaN滲透率目前約812%，空間巨大且正在快速滲透。氮化鎵在通信基站中的應用趨勢：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w代工廠包括穩(wěn)懋半導體（Win Semi）、三安光電等。目前銷售GaN PA的廠商有Qorvo、Analog、Cree、NXP、Sk

11、yworks。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：資料來源：賽迪顧問近年來國防、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、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功率器件市場復合增速高達30%，到2027年預計超過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

12、長點在于快充、電源PFC、高頻激光雷達和無線充電領(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，能夠應用于更小的元件，應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

13、快充產(chǎn)品，涵蓋了18W、30W、65W、100W等多個功率段。國內(nèi)手機大廠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體、Power Integrations（PI）、英諾賽科三家供應。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。圖片來源：華為官網(wǎng)目前，GaN功率器件主要由EPC、GaN Systems、T

14、ransphorm和Navitas等純GaN初創(chuàng)公司主導，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：資料來源：國盛證券氮化鎵行業(yè)競爭格局全球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。氮化鎵襯底供應商也通過與同行以及各種研究機構(gòu)建立戰(zhàn)略聯(lián)盟來擴大規(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用系統(tǒng)。GaN產(chǎn)業(yè)鏈整合：圖表來源：

15、Yole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)尚未進入供給端第一梯隊。全球基站端射頻器件的供應商以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)宇通訊半導體（GCS）、穩(wěn)懋半導體、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，純靠氣體反應合成。由于反應時間長，速度慢，反應副產(chǎn)物多，設(shè)備要求苛刻，技術(shù)異常復雜，產(chǎn)能極低，導致氮化鎵單晶材料極其難得。但是目前來看，缺點在于產(chǎn)品成本很高，不利于大批量生產(chǎn)。但是長遠來看，氮化