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第三代半导体氮化镓GaN A股仅有的两家核心公司值得关注

今天聊一聊第三代半导体:氮化镓GaN。两家核心公司的业务在文章底部。

根据材料的不同,现代半导体已经发展到第三代。

第一代半导体材料主要是指硅(Si)、锗(Ge)元素半导体。它们在国际信息产业技术中的各类分立器件和集成电路、电子信息网络工程等领域得到了极为广泛的应用。

第二代半导体材料是指化合物半导体材料,如砷化镓(GaAs)、锑化铟(InSb)、磷化铟(InP),以及三元化合物半导体材料,还有一些固溶体半导体材料、玻璃半导体(又称非晶态半导体)材料、有机半导体材料等。主要用于制作高速、高频、大功率以及发光电子器件,是制作高性能微波、毫米波器件及发光器件的优良材料。

第三代半导体材料主要是以碳化硅(SiC)、氮化镓(GaN)、氧化锌(ZnO)、金刚石、氮化铝(AlN)为代表的宽禁带(禁带宽度Eg>2.3eV)的半导体材料。

与第一代和第二代半导体材料相比,第三代半导体材料具有更宽的禁带宽度、更高的击穿电场、更高的热导率、更大的电子饱和速度以及更高的抗辐射能力,更适合制作高温、高频、抗辐射及大功率器件。从目前第三代半导体材料及器件的研究来看,较为成熟的第三代半导体材料是SiC和GaN,而ZnO、金刚石、氮化铝等第三代半导体材料的研究尚属起步阶段。

氮化镓(GaN)优势、用途

极其稳定的化合物,坚硬和高熔点材料,熔点为 1700℃。具有高的电离度,出色的击穿能力、更高的电子密度和电子速度以及更高的工作温度,且具有低导通损耗、高电流密度等优势。

通常用于微波射频、电力电子、光电子三大领域。微波射频包含了5G通信、雷达预警、卫星通讯等应用;电力电子方向包括了智能电网、高速轨道交通、新能源汽车、消费电子等应用;光电子方向包括了 LED、激光器、光电探测器等应用。

1、氮化镓(GaN)在微波射频(5G)领域

随着5G到来,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射频市场将从2018年的6.45亿美元增长到2024年的约20亿美元,这主要受电信基础设施和国防两个方向应用推动,卫星通信、有线宽带和射频功率也做出了一定贡献。

随着新的基于GaN的有源电子扫描阵列(AESA)雷达系统的实施,基于GaN的军用雷达预计将主导GaN军事市场,从2018年的2.7亿美元增长至2024年的9.77亿美元,CAGR达 23.91%。

GaN无线基础设施的市场规模将从2018年的3.04亿美元增长至2024年的7.52亿美元,CAGR达16.3%。

GaN有线宽带市场规模从2018年的1,550万美元增长至2024年的6,500万美元,CAGR达 26.99%。

GaN射频功率市场规模从2018年的200万美元增长至2024年的10,460万美元,CAGR达 93.38%,具有很大成长空间。

氮化镓(GaN)市场格局

Yole统计,2019全球3750多项专利一共可分为1700多个专利家族。这些专利涉及RF GaN外延、RF半导体器件、集成电路和封装等。Cree(Wolfspeed)拥有最强的专利实力,在RF 应用的GaN HEMT 专利竞争中,尤其在GaN-on-SiC技术方面处于领先地位,远远领先于其主要专利竞争对手住友电工和富士通。英特尔和MACOM是目前最活跃的 RF GaN专利申请者,主要聚焦在GaN-on-Si 技术领域。GaN RF HEMT 相关专利领域的新进入者主要是中国厂商,例如HiWafer(海威华芯),三安集成、华进创威。


2、氮化镓(GaN)在电力电子领域

GaN推动快充、汽车电子进入小体积、高效率时代。

GaN技术有望大幅改进电源管理、发电和功率输出等应用。2005年电力电子领域管理了约 30%的能源,预计到2030年,这一数字将达到80%,相当于节约了30亿千瓦时以上的电能,这些电能可支持30多万个家庭使用一年。从智能手机充电器到数据中心,所有直接从电网获得电力的设备均可受益GaN技术,从而提高电源管理系统的效率和规模。

由于材料特性的差异,SiC在高于1200V的高电压、大功率应用具有优势,而GaN器件更适合 40-1200V的高频应用,尤其是在600V/3KW以下的应用场合。因此,在微型逆变器、伺服器、马达驱动、UPS 等领域,GaN可以挑战传统 MOSFET 或 IGBT 器件的地位,让电源产品更为轻薄、高效。

汽车领域,现行汽车的特点和功能是耗电和电子驱动,给传统的 12V 配电总线带来了额外负担。对于 48V 总线系统,GaN技术可提高效率、缩小尺寸并降低系统成本。

光线式距离保持和测量功能(激光雷达)使用脉冲激光快速提供车辆周围环境的高分辨率 360°三维图像,GaN技术可使激光信号发送速度远高于同类硅 MOSFET 器件。基于GaN的激光雷达使自主驾驶车辆能够看得更远、更快、更好,从而成为车辆眼睛。

此外,GaN FET 工作效率高,能以低成本实现最大的无线电源系统效率。用于高强度LED前照灯时,GaN技术可提高效率,改善热管理并降低系统成本。而更高的开关频率允许在AM 波段以上工作并降低 EMI.GaN在汽车电子方面拥有丰富的应用场景。

下一代充电器领域,GaN在未来几年将在许多应用中取代硅,快充是第一个可以大规模生产的应用。在600伏特左右的电压下,GaN在芯片面积、电路效率和开关频率方面的表现明显好于硅,因此在壁式充电器中可以用GaN来替代硅。5G 智能手机的屏幕越来越大,与之对应的是手机续航的需求越来越高,这意味着电池容量的增加。GaN快充技术可以很好地解决大电池带来的充电时长问题。

2019年9月,OPPO宣布在其65W内置快速充电器中采GaN HEMT 器件,GaN在2019年首次进入主流消费应用。2020年2月,小米公司在小米10发布会上也宣布使用65W的GaN快充。

GaN功率器件在2020年预计将会加速普及。由于GaN充电器具有体积小、发热低、功率高、支持PD协议的特点,GaN充电器有望在未来统一笔记本电脑和手机的充电器市场。

Yole预测,到2024年GaN电源市场规模将超过3.5亿美元,CAGR为85%,有极大增长空间。此外,GaN还有望进入汽车及工业和电信电源应用中。

GaN功率器件领域一直由EPC,GaN Systems,Transphorm和Navitas等纯GaN初创公司主导,他们的产品主要是 TSMC,Episil或 X-FAB 代工生产。国内新兴代工厂中,三安集成和海威华芯具有量产GaN功率器件的能力。

3、氮化镓(GaN)在光电子领域

GaN低功耗、高发光效率为LED、紫外激光器助力。

GaN是蓝光LED的基础材料,在Micro LED、紫外激光器中有重要应用。

Micro LED 是新一代显示技术,比现有的 OLED 技术亮度更高、发光效率更好,但功耗更低。2017年5月,苹果已经开始新一代显示技术的开发。2018年2月,三星在CES 2018上推出了Micro LED电视。Micro LED更容易准确调校色彩,且有更长发光寿命和更高亮度。Micro LED 继OLED之后成为另一项推动显示品质的技术。

氮化镓(GaN)因其材料的高频特性是制备紫外光器件的良好材料,紫外光电芯片具备广泛的军民两用前景。军事领域,典型应用有:灭火抑爆系统(地面坦克装甲车辆、舰船和飞机)、紫外制导、紫外告警、紫外通信、紫外搜救定位、飞机着舰(陆)导引、空间探测、核辐射和生物战剂监测、爆炸物检测等。民用领域,典型应用有:火焰探测、电晕放电检测、医学监测诊断、水质监测、大气监测、刑事生物检测等。

根据美国航空权威媒体《Airport-technology》报道,为遏制新型冠状病毒(2019-nCov)的传播,美国洛杉矶国际机场(LAX)、旧金山国际机场(SFO)和纽约约翰·肯尼迪国际机场(JFK)已经启用了美国 Dimer UVC Innovations 公司的UVC紫外线杀菌机器人对所有进出港的飞机内舱进行全面杀菌消毒,以有效预防新型冠状病毒(2019-nCov)传播。

其 GermFalcon 系统使用UVC紫外线消灭飞机内舱表面上和空气中的病毒、细菌和超级细菌,该系统的整体设计使飞机机舱的所有表面暴露在杀菌的UVC下。其核心光源采用了GaN 紫外LED技术,使得机器人具备整体重量轻、功耗低、发光波段可控可调(对人体无害)的优点。

根据 LEDinside分析,LED照明市场规模2018-2023年的CAGR为6%。在物联网和5G新时代,智慧化产品渗透率更加迅速提升,智能家居照明的商机即将爆发。此外,2022 年Micro LED以及Mini LED的市场产值预计将会达到13.8亿美元。下一代 Mini LED背光技术将是各家厂商的开发重点,至2023年Mini LED市场规模预计会达到10亿美元。其中显示屏应用成长速度最快,2018年至2023年CAGR预计超过50%。

根据《2019深紫外线LED应用市场报告》显示,2018全球UV LED市场规模达2.99亿美金,预计到2023年市场规模将达9.91亿美金,2018-2023年CAGR 达27%。UV LED广阔的发展前景正吸引越来越多的厂商进入。

目前高端的深紫外LED仍以日本、韩国厂商为主,不过越来越多的国内半导体公司开始关注深紫外行业,进行深度布局。如布局深紫外芯片-封装-模组产业链的青岛杰生(圆融光电),深紫外LED芯片的三安光电(600703)、湖北深紫、中科潞安、华灿光电(300323)、鸿利秉一,以及高性能紫外传感芯片的镓敏光电。

目前,镓敏光电是国内唯一拥有紫外传感芯片技术的公司,其所开发的高端氮化镓和碳化硅紫外传感芯片已投入大批量生产,在饮用水、空气、食品、衣物和医疗器械等紫外净化领域得到了规模应用。

国内公司

GaN全球重要企业及产业链包括:CREE(全球最大的SiC和GaN器件制造商)、Infineon(世界领先的半导体与系统解决方案提供商)、住友电工(全球 GaN射频器件第一大供应商)、Navitas(世界领先的 GaN 功率IC ——GaNFast技术的创造者)。

国内公司:

三安光电(600703)全面布局 GaN 射频、功率器件、光电的国产龙头

公司是传统照明LED芯片巨头,于2019年实现了深紫外LED芯片量产,处于整个行业产品链的上游。作为国内领先的深紫外LED芯片供应商,公司深紫外 UVC LED 芯片广泛应用于对空气、水和物体表面消毒等终端消杀产品和应用场景。

光功率方面,三安光电UVC 性能已经是国际同等水平,可以达到2-4%光效。自今年疫情以来,三安光电已接收到多家客户和政府的急增需求,公司UVC芯片已处满产状态,260~280nm外波段的深紫外UVC产品已累计客户百余家。

三安光电目前正在中部地区建设一个 Mini/Micro LED 研发基地,投资额为120亿元人民币(17亿美元)。三安将在该研发基地展开 GaN 和 GaAs Mini/Micro LED 芯片以及 4K 显示器的研发。与此同时,三安还计划在该基地建立161万个GaN Mini/Micro LED 芯片、750,000 个 GaAs Mini/Micro LED 芯片以及 84,000 个4K显示器的年生产能力。

GaN业务部门年产能将包括720,000个蓝光Mini LED芯片、90,000个蓝光 Micro LED芯片、720,000个绿光 Mini LED芯片和 80,000个绿光 Micro LED芯片,而 GaAs 业务部分年产能将包括 660,000个红光 Mini LED 芯片和 90,000 个红光 Micro LED 芯片。此外,三安光电已经正式与三星电子开展合作,共同开发 Mini/Micro LED 技术。

三安集成,成立于2014年,是三安光电(600703)下属子公司,基于氮化镓和砷化镓技术经营业务,是一家专门从事化合物半导体制造的代工厂,服务于射频、毫米波、功率电子和光学市场,具备衬底材料、外延生长以及芯片制造的产业整合能力。

三安集成项目总规划用地281亩,总投资额30亿元,规划产能为 30万片/年GaAs 高速半导体外延片、30万片/年GaAs 高速半导体芯片、6万片/年GaN高功率半导体外延片、6万片/年GaN高功率半导体芯片。官网显示,三安集成在微波射频领域已建成专业化、规模化的 4 英寸、6 英寸化合物晶圆制造产线,在电子电路领域已推出高可靠性、高功率密度的 SiC 功率二极管及硅基氮化镓功率器件。

海威华芯:中国纯晶圆代工厂商的新生力量

海威华芯是民营航空装备与技术公司海特高新(002023)下属子公司,提供晶圆代工、设计、测试服务。公司积极拓展化合物半导体业务,已建成6寸化合物半导体商用生产线,并完成包括砷化镓、氮化镓、碳化硅及磷化铟在内的 6 项工艺产品的开发,可支持制造功率放大器、混频器、低噪音放大器、开关、光电探测器、激光器、电力电子等产品,业务涵盖航空、航天、卫星、消费电子等领域,产品广泛应用于 5G 移动通信、电力电子、光纤通讯、3D 感知等领域。

2018年报显示,海特高新为100家客户提供产品和技术服务,其中砷化镓已经实现订单37项,氮化镓已经引入6家客户。其中部分产品实现批量出货和代工实现量产;5G 基站产品通过性能验证,目前处于可靠性验证阶段;氮化镓功率元器件已经小规模量产,随着 5G 商用部署进程的不断推进,在 5G 射频方面将催生大量的氮化镓元器件需求,具有广阔的市场前景。

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