自3月4日我國政府指出要加快5G網絡、數據中心等新型基礎設施建設進度以來，“新基建”成為經濟大熱詞。“新基建”覆蓋5G基建、特高壓、城際高鐵和城市軌道交通、新能源汽車充電樁、大數據中心、人工智能、工業互聯網七大領域，完全可以用硬核科技四個字來概括，而處於最上游的半導體產業又將如何厲兵秣馬？
本期智芯諮詢整合多家專業機構資源，特別推出《化合物半導體如何成為新基建之基石》系列專題。本文主要介紹極具電力電子器件和射頻器件的先天優勢的GaN。
國聯萬眾 | 智芯諮詢
氮化鎵材料由於禁帶寬度達到3.4eV，與SIC、金剛石等半導體材料一起，被譽為第三代半導體材料，也稱為寬禁帶半導體。由於氮化鎵具有禁帶寬度大、擊穿電場高、飽和電子速度大、熱導率高、介電常數小、化學性質穩定和抗輻射能力強等優點，成為高溫、高頻、大功率微波器件的首選材料之一，具有作為電力電子器件和射頻器件的先天優勢。
相較於SiC，GaN材料的優勢主要是成本低，易於大規模產業化。儘管耐壓能力低於SiC器件，但優勢在於開關速度快。同時，GaN如果配合SiC襯底，器件可同時適用高功率和高頻率。與傳統Si材料相比，基於GaN材料製備的功率器件擁有更高的功率密度輸出，以及更高的能量轉換效率，並可以使系統小型化、輕量化，有效降低電力電子裝置的體積和重量，從而極大降低系統製作及生產成本。
GaN產業鏈：海外企業為主，國內企業逐步涉足
GaN器件產業鏈各環節依次為：GaN單晶襯底（或SiC、藍寶石、Si）→GaN材料外延→器件設計→器件製造。目前產業以IDM企業為主，但是設計與製造環節已經開始出現分工，如傳統硅晶圓代工廠臺積電開始提供GaN製程代工服務，國內的三安集成也有成熟的GaN製程代工服務。各環節相關企業來看，基本以歐美企業為主，中國企業已經有所涉足。
GaN襯底：主流產品以2~3英寸為主，4英寸也已經實現商用。GaN襯底主要由日本公司主導，日本住友電工的市場份額達到90%以上。我國目前已實現產業化的企業包括蘇州納米所的蘇州納維科技公司和北京大學的東莞市中鎵半導體科技公司。
GaN外延片：根據襯底的不同主要分為GaN-on-Si、GaN-on-SiC、GaN-on-sapphire、GaN-on-GaN四種。GaN-on-Si：目前行業生產良率較低，但是在降低成本方面有著可觀的潛力：因為Si是最成熟、無缺陷、成本最低的襯底材料；同時Si可以擴展到8寸晶圓廠，降低單位生產成本，使其晶圓成本與SiC基相比只有其百分之一；Si的生長速度是於SiC晶體材料的200至300倍，還有相應的晶圓廠設備折舊以及能耗成本上的差別等。GaN-on-Si外延片主要用於製造電力電子器件，其技術趨勢是優化大尺寸外延技術。GaN-on-SiC：結合了SiC優異的導熱性和的GaN高功率密度和低損耗的能力，是RF的合適材料。受限於SiC的襯底，目前尺寸仍然限制在4寸與6寸，8寸還沒有推廣。GaN-on-SiC外延片主要用於製造微波射頻器件。GaN-on-sapphire：主要應用在LED市場，主流尺寸為4英寸，藍寶石襯底GaNLED芯片市場佔有率達到90%以上。GaN-on-GaN：採用同質襯底的GaN主要應用市場是藍/綠光激光器，應用於激光顯示、激光存儲、激光照明等領域。
▼GaN外延用不同襯底的對比
GaN器件設計與製造：GaN器件分為射頻器件和電力電子器件，射頻器件產品包括PA、LNA、開關器、MMIC等，面向基站衛星、雷達等市場；電力電子器件產品包括SBD、常關型FET、常開型FET、級聯（Cascode）FET等產品，面向無線充電、電源開關、包絡跟蹤、逆變器、變流器等市場。按工藝分，則分為HEMT、HBT射頻工藝和SBD、PowerFET電力電子器件工藝兩大類。
▼GaN器件主要產品與工藝技術
▼GaN器件的分類及應用領域
GaN功率器件處於技術研發向商用推廣的發展期，過去幾年不斷有廠商發佈GaN產品，Yole對GaN功率器件市場的預測分為穩定增長型和爆發式增長型兩種，其中爆發式增長模型預計在2023年市場空間達到4.3億美元。
▼按照Yole爆發式模型預測，2023年GaN功率器件市場將達到4.3億美元
射頻：GaN射頻器件大有可為，5G是重要機遇
GaN是5G應用的關鍵技術。5G將帶來半導體材料革命性的變化，隨著通訊頻段向高頻遷移，基站和通信設備需要支持高頻性能的射頻器件，GaN的優勢將逐步凸顯。
▼GaN在5G時代應用廣泛
資料來源：Qorvo官網，中泰證券研究所
對於5G解決方案，需要功率放大器兼具高線性度和高效率的特性。由於傳統的LDMOS器件在高頻段、高帶寬的應用效率不及第三代化合物半導體的GaN器件，隨著未來工作頻率進一步提高，GaN器件（<50V）的優勢會進一步顯現。隨著5G時代的到來，GaAs預計仍為室內網絡系統結構的主流，但在宏基站領域，GaN因其高功率特性，優勢將得以凸顯。從不同的工藝來看，預計GaN-on-SiC將成為對功率要求較高的宏基站射頻器件用半導體材料的主流。
得益於GaN可處理更高頻率和更高能效的電源，相比硅組件，GaN可以在尺寸和能耗減半的條件下輸送同等的功率，從而提高功率密度，幫助客戶在不增大設計空間的同時滿足更高的功率要求。而大範圍的5G網絡覆蓋要求運營商部署更高功率和運行頻率的設備，GaN的功率密度優勢可以滿足他們的需求。
▼GaN較GaAs大幅減少體積
基站建設將是氮化鎵市場成長的主要驅動力之一。Yoledevelopment數據顯示，2018年，基站端氮化鎵射頻器件市場規模不足2億美元，預計到2023年，基站端氮化鎵市場規模將超5億美元。氮化鎵射頻器件市場整體將保持23%的複合增速，2023年市場規模有望達13億美元。
據拓璞產業研究院援引工信部數據，截至2017年12月底中國4G宏基站數量為328萬座。中國5G宏基站數量有望達到500萬座，為4G基站數量的1.5倍。宏基站建設將會拉動基站端GaN射頻器件的需求量，考慮到5G基站的建設週期，拓璞產業研究院預計到2023年基站端GaN射頻器件規模達到頂峰，達到112.6億元。
由於5G蜂窩網絡佈局有一定的極限，為了滿足熱點地區的網絡需求，在宏基站之外，還需要布臵小基站組成微蜂窩網絡。由於小基站不能對宏基站造成干擾，頻率較宏基站更高，以Sub-6GHZ為主，GaN射頻器件是很好的選擇。據拓璞產業研究院援引賽迪智庫測算數據，中國5G網絡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，小基站建設進度落後宏基站1年測算，到2024年基站端GaN射頻器件規模達到峰值，可達9.4億元。
▼通信基站的發展趨勢
資料來源：Yole，中興，興業證券經濟與金融研究院整理
▼GaN材料5G基站發展趨勢
GaN非常適合毫米波領域所需的高頻和寬帶寬，可滿足性能和小尺寸要求。使用mmWave頻段的應用將需要高度定向的波束成形技術，這意味著射頻子系統將需要大量有源元件來驅動相對緊湊的孔徑。GaN非常適合這些應用，因為小尺寸封裝的強大性能是GaN最顯著的特徵之一。
GaN射頻市場
GaN在射頻市場更關注高功率、高頻率場景。由於GaN在高頻下具有較高的功率輸出和較小的面積，GaN已被射頻行業廣泛採用。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射頻市場將從2018年的6.45億美元增長到2024年的約20億美元，這主要受電信基礎設施和國防兩個方向應用推動，衛星通信、有線寬帶和射頻功率也做出了一定貢獻。
▼GaN在射頻市場更關注高功率、高頻率市場
資料來源：YoleDéveloppement，中信建投證券研究發展部
據Yole統計，2019年全球3750多項專利一共可分為1700多個專利家族。這些專利涉及RFGaN外延、RF半導體器件、集成電路和封裝等。Cree（Wolfspeed）擁有最強的專利實力，在RF應用的GaNHEMT專利競爭中，尤其在GaN-on-SiC技術方面處於領先地位，遠遠領先於其主要專利競爭對手住友電工和富士通。英特爾和MACOM是目前最活躍的RFGaN專利申請者，主要聚焦在GaN-on-Si技術領域。GaNRFHEMT相關專利領域的新進入者主要是中國廠商，例如HiWafer（海威華芯），三安集成、華進創威。
▼GaNRF玩家全球市場格局
資料來源：YoleDéveloppement，中信建投證券研究發展部
電子電力：GaN推動快充、汽車電子進入小體積、高效率時代
由於結構中包含可以實現高速性能的異質結二維電子氣，GaN器件相比於SiC器件擁有更高的工作頻率，加之可承受電壓要低於SiC器件，所以GaN電力電子器件更適合高頻率、小體積、成本敏感、功率要求低的電源領域，如輕量化的消費電子電源適配器、無人機用超輕電源、無線充電設備等。
GaN在電力電子領域主要優勢在於高效率、低損耗與高頻率。GaN材料的這一特性使得其在消費電子充電器、新能源充電樁、數據中心等領域具有很大的應用前景。
- 高轉換效率：GaN的禁帶寬度是Si的3倍，擊穿電場是Si的10倍。因此，同樣額定電壓的GaN開關功率器件的導通電阻比Si器件低3個數量級，大大降低了開關的導通損耗。
- 低導通損耗：GaN的禁帶寬度是Si的3倍，擊穿電場是Si的10倍。因此，同樣額定電壓的GaN開關功率器件的導通電阻比Si器件低3個數量級，大大降低了開關的導通損耗。
- 高工作頻率：GaN開關器件寄生電容小，工作效率可以比Si器件提升至少20倍，大大減小了電路中儲能原件如電容、電感的體積，從而成倍地減少設備體積，減少銅等貴重原材料的消耗。
GaN在汽車電子上擁有多樣的應用場景
GaN技術有望大幅改進電源管理、發電和功率輸出等應用。2005年電力電子領域管理了約30％的能源，預計到2030年，這一數字將達到80%。這相當於節約了30億千瓦時以上的電能，這些電能可支持30多萬個家庭使用一年。從智能手機充電器到數據中心，所有直接從電網獲得電力的設備均可受益於GaN技術，從而提高電源管理系統的效率和規模。
硅電源開關成功解決了低電壓（<100伏）或高電壓容差（IGBT和超結器件）中的效率和開關頻率問題。然而，由於硅的限制，單個硅功率FET中無法提供全部功能。寬帶隙功率晶體管（如GaN和SiC）可以在高壓和高開關頻率條件下提供高功率效率，從而遠遠超過硅MOSFET產品。
由於材料特性的差異，SiC在高於1200V的高電壓、大功率應用具有優勢，而GaN器件更適合40-1200V的高頻應用，尤其是在600V/3KW以下的應用場合。因此，在微型逆變器、伺服器、馬達驅動、UPS等領域，GaN可以挑戰傳統MOSFET或IGBT器件的地位。GaN讓電源產品更為輕薄、高效。
▼電源開關的分類
資料來源：Infineon，中信建投證券研究發展部
▼GaN在汽車電子中的應用
資料來源：EPC，中信建投證券研究發展部
現行汽車的特點和功能是耗電和電子驅動，給傳統的12V配電總線帶來了額外負擔。對於48V總線系統，GaN技術可提高效率、縮小尺寸並降低系統成本。而光線式距離保持和測量功能（激光雷達）使用脈衝激光快速提供車輛周圍環境的高分辨率360°三維圖像，GaN技術可使激光信號發送速度遠高於同類硅MOSFET器件。基於GaN的激光雷達使自主駕駛車輛能夠看得更遠、更快、更好，從而成為車輛眼睛。此外，GaNFET工作效率高，能以低成本實現最大的無線電源系統效率。用於高強度LED前照燈時，GaN技術可提高效率，改善熱管理並降低系統成本。而更高的開關頻率允許在AM波段以上工作並降低EMI。綜合來看，GaN在汽車電子方面擁有豐富的應用場景。
GaN可為下一代充電器市場提供更優選擇
GaN在未來幾年將在許多應用中取代硅，其中，快充是第一個可以大規模生產的應用。在600伏特左右的電壓下，GaN在芯片面積、電路效率和開關頻率方面的表現明顯好於硅，因此在壁式充電器中可以用GaN來替代硅。5G智能手機的屏幕越來越大，與之對應的是手機續航的需求越來越高，這意味著電池容量的增加。GaN快充技術可以很好地解決大電池帶來的充電時長問題。
▼27wGaN充電器VSApple30W充電器
資料來源：充電頭網，中信建投證券研究發展部
在1990年代對分立GaN及2000年代對集成GaN進行了多年學術研究之後，Navitas的aNFast源集成電路現已成為業界公認的，具有商業吸引力的下一代解決方案。它可以用來設計更小、更輕、更快的充電器和電源適配器。單橋和半橋的GaNFast電源IC是由驅動器和邏輯單片集成的650V硅基GaNFET，採用四方扁平無引線（QFN）封裝。GaNFast技術允許高達10MHz的開關頻率，從而允許使用更小、更輕的無源元件。此外，寄生電感限制了Si和較早的分立GaN電路的開關速度，而集成可以最大限度地減少延遲和消除寄生電感。
▼GaN增加了功率和效率
資料來源：半導體行業觀察，中信建投證券研究發展部
GaN電源市場到2024年約3.5億美元，CAGR達85％
2019年9月，OPPO宣佈在其65W內置快速充電器中採GaNHEMT器件，GaN在2019年首次進入主流消費應用。2020年2月，小米公司在小米10發佈會上也宣佈使用65W的GaN快充，引起了市場極大的關注，GaN功率器件在2020年預計將會加速普及。由於GaN充電器具有體積小、發熱低、功率高、支持PD協議的特點，GaN充電器有望在未來統一筆記本電腦和手機的充電器市場。
據Yole預測，受消費者快速充電器應用推動，到2024年GaN電源市場規模將超過3.5億美元，CAGR為85％，有極大增長空間。此外，GaN還有望進入汽車及工業和電信電源應用中。從生產端看，GaN功率半導體已開始批量出貨，但其價格仍然昂貴。製造成本是阻礙市場增長的主要障礙，因為到今天GaN仍主要使用6英寸及以下晶圓生產。一旦成本可降低到一定門檻，市場就會爆發。
▼長期GaN功率市場演變
資料來源：YoleDéveloppement，中信建投證券研究發展部
基於手機快充的激烈競爭，OPPO、vivo、小米等中國手機廠商將帶動GaN功率市場快速增長。GaN功率器件領域一直由EPC，GaNSystems，Transphorm和Navitas等純GaN初創公司主導，他們的產品主要是TSMC，Episil或X-FAB代工生產。國內新興代工廠中，三安集成和海威華芯具有量產GaN功率器件的能力。
光電子：GaN低功耗、高發光效率為LED、紫外激光器助力
1993年，Nichia公司中村修二推出了第一隻高亮度GaN藍光LED，解決了自1962年LED問世以來高效藍光缺失的問題，1996年又首次在藍光LED上塗覆黃色熒光粉從而實現白光發射，開啟了LED白光照明的新時代。目前實現白光LED有三種主要方法：（1）採用藍色LED激發黃光熒光粉，實現二元混色白光；（2）利用紫外LED激發三基色熒光粉，由熒光粉發出的光合成白光；（3）基於三基色原理，利用紅、綠、藍三基色LED芯片合成白光。這幾種獲得白光LED照明的方法各有自己的優缺點。
MicroLED是新一代顯示技術，比現有的OLED技術亮度更高、發光效率更好，但功耗更低。2017年5月，蘋果已經開始新一代顯示技術的開發。2018年2月，三星在CES2018上推出了MicroLED電視。MicroLED顯示技術可以將LED結構設計薄膜化、微小化與陣列化，尺寸僅約1~100μm等級，但精準度可達傳統LED的1萬倍。此外，MicroLED在顯示特性上與OLED類似，無需背光源且能自發光，唯一區別是OLED為有機材料自發光。目前OLED受各大廠商青睞，是因為在反應時間、視角、可撓性、顯色性與能耗等方面均優於TFTLCD，但MicroLED更容易準確調校色彩，且有更長髮光壽命和更高亮度。MicroLED有望繼OLED之後，成為另一項推動顯示品質的技術。
晶能光電目前硅襯底GaN基LED實現了8英寸量產，並且在單片MOCVD腔體中取得了8英寸外延片內波長離散度小於1nm的優異均勻性，這對於MicroLED來說至關重要。商用的12英寸及以上的硅圓晶已經完全成熟，隨著高均勻度MOCVD外延大腔體的推出，硅襯底LED外延升級到更大圓晶尺寸不存在本質困難。因此，硅襯底GaN基技術的特性是製造MicroLED芯片的天然選擇。
▼基於GaN-on-Si技術的MicroLED
資料來源：Plessey官網，中信建投證券研究發展部
GaN光電子市場成長快速，市場規模增量可期
根據LEDinside分析，LED照明市場規模2018-2023年的CAGR為6%。在物聯網和5G新時代，智慧化產品滲透率更加迅速提升，智能家居照明的商機即將爆發。此外，2022年MicroLED以及MiniLED的市場產值預計將會達到13.8億美元。下一代MiniLED背光技術將是各家廠商的開發重點，至2023年MiniLED市場規模預計會達到10億美元。其中顯示屏應用成長速度最快，2018年至2023年CAGR預計超過50%。
MicroLED產業鏈大致分為LED芯片、轉移、面板與終端應用四大環節，目前以芯片和應用端推動力度最大，中端環節較為薄弱。已佈局的上游廠商分別有Osram、Nichia、晶電、錼創(PlayNitride)與三安等；中游有LuxVue、mLED與工研院；下游有Apple、Sony與Lumiode等。從區域來看，歐美廠商偏重下游終端應用開發，亞太廠商聚焦關鍵零組件的發展。
▼MicroLED產業鏈情況
資料來源：拓墣產業研究院，中信建投證券研究發展部
重點企業
Macom硅基GaN的引領者
Macom是硅基GaN的引領者，公司在北美、歐洲和亞洲擁有多個研發中心，具備超過65年的射頻微波器件生產歷史。公司產品線廣泛，從射頻到光器件都有所涉及，下游客戶主要包括數據中心，電信以及工業和國防等。Macom的硅基GaN器件主要用於基站，目標是替代LDMOS以及SiC基GaN。
▼Macom產品線涵蓋射頻微波器件到光器件
資料來源：MACOM官網，中泰證券研究所
CREE：碳化硅基氮化鎵龍頭
CREE成立於1987年，1993年上市，為全球LED外延、芯片、封裝、LED照明解決方案、化合物半導體材料、功率器件和射頻於一體的著名製造商和行業領先者。
CREE在氮化鎵射頻領域，專利護城河全球第一。根據專利研究機構KnowMade對3750項氮化鎵射頻領域專利的研究，基於數量與質量等多個維度的綜合考量，CREE毫無疑問為全球第一，尤其在碳化硅基氮化鎵領域。
▼氮化鎵射頻領域專利實力
資料來源：knowmade、國盛證券研究所
公司在2018年2月的投資者日提出了未來的發展規劃，推動Wolfspeed成為增長引擎，將LED聚焦於更加差異化的市場。Wolfspeed專注於碳化硅與氮化鎵領域，產品包括碳化硅材料、射頻器件、功率器件。下游包括電動車、通訊、工業、國防、航天航空。
2019年3月15日，CREE宣佈出售其照明產品業務部門（CreeLighting）給IDEALINDUSTRIES，其中包括面向商業、工業及消費者的LED照明燈具、光源和照明解決方案業務。該交易稅前價約為3.1億美元（約合人民幣20.8億元）。出售照明業務部門符合公司戰略，有助於為Wolfspeed半導體業務提供增長資本，預計公司資本配臵將優先用於wolfspeed業務，進一步增強公司在碳化硅、氮化鎵領域的競爭力。
住友電工：全球GaN射頻器件第一大供應商
住友集團具有400年淵源歷史，旗下住友電工（SumitomoElectric）主要生產GaAs低噪聲放大器（LNA）、GaN放大器、光收發器及模塊。住友電工為全球GaN射頻器件第一大供應商，同時也是華為GaN射頻器件第一大供應商，住友電工還向華為供應大量的光收發器及模塊，位列華為50大核心供應商之列。住友電工壟斷全球GaN襯底市場，其技術在業內處於領先地位。
▼公司中期經營計劃
資料來源：住友電工官網，中信建投證券研究發展部
Navitas：世界領先的GaN功率IC——GaNFast技術的創造者
Navitas半導體成立於2014年，旨在推動電力電子領域的高速革命。Navitas認為，將高開關頻率與高能效相結合可以使電源系統大幅提高充電速度和功率密度，並降低成本。Navitas發明了業界首個GaN功率IC，該技術使開關速度提高了100倍，同時節省了40％及以上的能源。
公司技術包括業界首個商用平面功率MOSFET，首個高壓功率IC，首個驅動器+MOSFET集成，首個專用功率MOS芯片組，首個級聯GaN功率FET以及所有主要功率電子市場中的其他產品。Navitas團隊創建了超過40億美元的新功率半導體業務。小米在2020年2月發佈的65WGaN快充即採用了Navitas提供的IC芯片。
▼Navitas的GaN功率IC效果
資料來源：Navitas官網，中信建投證券研究發展部
免責聲明：本文內容根據中信建投證券、中泰證券、長江證券、國盛證券相關報告整理。本文任何之觀點，皆為交流探討之用，不構成任何投資建議，也不代表本公眾號的立場。如果有任何異議，歡迎聯繫國際第三代半導體眾聯空間。
更多精彩內容，敬請關注：微信公眾號 casazlkj
閱讀更多 智芯諮詢 的文章
