第三代半導體GaN產業(yè)鏈專題研究報告

1、第三代半導體GaN產業(yè)鏈專題研究報告一、或躍于淵：GaN將領跑第三代化合物半導體市場什么是第三代化合物半導體第三代半導體是指化合物半導體，包括SiC(碳化 硅)、GaN（氮化鎵）、ZnO（氧化鋅）、GaO（氧 化鎵）、AlN（氮化鋁），以及金剛石等寬禁帶半 導體材料（導帶與禁帶間能隙差Eg2.3eV）。第三代半導體具有高擊穿電場、高熱導率、高電 子遷移率、高工作溫度等優(yōu)點。以SiC和GaN為代 表物質制作的器件具有更大的輸出功率和更好的 頻率特性。主要氮化鎵器件的參數對比硅基和碳化硅基的器件將率 先商用：雖然基于GaN襯底的 GaN器件，在各個性能指標都 處于領先水平，但是襯底價格 過高。所以

2、硅基和碳化硅基的 GaN器件將會率先商用。氮化鎵材料性能優(yōu)異，應用市場廣泛氮化鎵（GaN）可同時涵蓋射頻和功率領域，特別 是在高功率和高頻率領域應用效果特別出色，與其 他化合物半導體材料相比，具有較高投資價值。以氮化鎵為材料的功率半導體器件可廣泛應用 于工業(yè)、通信、計算機、消費電子、汽車電子、 航空航天、國防軍工等傳統(tǒng)產業(yè)領域。二、射頻通信：5G通信驅動技術升級，GaN將逐步替代LDMOS氮化鎵將成為5G射頻器件的主要材料使用GaN制 作的功放產品的輸出功率和效率都顯著優(yōu)于其他 材料（GaAs、LDMOS）制作的功放產品；頻率響應 曲線的平坦持續(xù)范圍最寬。正是由于GaN優(yōu)秀的材料特質，毫米波、

3、MassiveMIMO、波束合成以及載波聚合等5G移動通信中使用 到的核心基礎技術最后都將使用GaN材料制作功率放 大器產品。GaN材料在射頻產品的滲透率將逐步提升射頻器件材料主要有三種：GaAs ，基于 Si 的 LDMOS以及GaN 。GaAs器件的缺點是器件功率較低，低于 50W；LDMOS 器件的缺點是工作頻率存在極限，最高有效頻率在3GHz以下；GaN彌補了GaAs和Si基LDMOS兩種 老式技術之間的缺陷，在體現 GaAs 高頻性能的同時，結合了Si基LDMOS的功率處理能力。隨著GaN材料工藝的成熟和成本的下降，GaN在射頻市場的滲透率將提升，預計到2025年將達到50%左右。全

4、球GaN射頻器件市場將保持12%的增速，預計2025年達20億美元2019年-2025年，GaN射頻器 件市場將保持12%的增速增長，預 計2025年達20億美元。通信和軍工是推動GaN射頻器 件市場增長的主要驅動力， 2025 年通信市場規(guī)模占比 36.6%,軍工占比55.5%。2025年，全球通信射頻前端市 場規(guī)模將達36億美元，其中功 放市場15億美元，GaN在功放市 場的滲透率將超過50%。三、功率器件：消費電子率先突破，中高壓領域或后來居上提高效率并實現小型化是GaN在功率器件領域的目標GaN器件的轉換效率高：由于導通電阻小，使用GaN器件 制作的功率器件轉換效率將顯著提升，顯著降低

5、電力損 耗情況，達到節(jié)能的效果。GaN器件的體積將顯著降低：由于導通電阻小、可在高 溫環(huán)境下共奏以及效應速度快，器件體積將顯著降低。GaN功率器件有望在低壓領域代替硅基功率器件GaN功率器件在中低壓領域優(yōu)勢較為明顯：由于SiC襯 底價格比較昂貴，目前大多數GaN功率器件均采用Si襯 底；采用GaN-on-Si的功率器件工作電壓在1000V以下， 成本在1美金左右。因此，GaN功率器件在低壓領域 （0-900V）首先商用，替代傳統(tǒng)的硅基功率器件。潛在市場規(guī)模約300億美元：按照工作電壓 來分類，全球功率器件的68%左右應用在0- 900V的低壓領域；以2021年442億美元的功率 器件市場來看，

6、GaN功率器件的潛在市場規(guī)模 約300億美元。GaN功率器件在充電器產品的潛在市場規(guī)模約80億美金GaN器件制作的充電器體積小、重 量輕，在發(fā)熱量、轉換效率上比硅 基器件制作的充電器有顯著的優(yōu)勢， 大大改善了用戶的使用體驗。GaN功率器件的應用目標主 要為筆記本電腦、手機、平 板等電源；目前來看，基于 GaN的充電器將成為首選。全球每年充電器銷售量大約為40 億只，按照每個充電器使用2個芯 片，每芯片1美金估算，GaN在快 充市場潛在規(guī)模大約為80億美金。GaN功率器件在數據中心行業(yè)具有可觀的降本增效空間提升效率：GaN器件制作的服 務器電源，相比于硅基產品， 功率密度可以提升2.8倍，轉換

7、效率可以提升7個百分點。降低成本：服務器用電是數據 中心最主要的成本，占比約50% 左右，使用GaN電源后，單機柜 年度電費可降低2400元。提高收入：使用GaN電源后，單 機柜可裝服務器數量由30個提升 到34個，對于IDC服務商來說， 單機柜租金增長空間約13%。GaN功率器件在新能源車領域的應用可能提前由于硅基GaN功率器件的工作電壓較低，而耐 高壓的SiC基GaN功率器件又比較貴，因此法國 Yole公司預估，GaN功率器件要到2025年后，才 有可能在電動車上部署。GaN功率器件在新能源車上的應用將提前： IMEC實驗室在4月29日宣布了工作電壓可達 1200V的硅基GaN外延片；若是

8、商業(yè)化順利，硅 基GaN功率器件在新能源車上的應用將提前。全球GaN功率器件市場將保持70%的增速，預計2025年達11億美元2020年-2026年，GaN功率器 件市場將保持70%的增速增長，預 計2026年達11億美元。通信和消費電子是推動GaN功 率器件市場增長的主要驅動力， 2026 年通信市場規(guī)模占比 20.3%,消費電子占比61.1%。傳統(tǒng)車和新能源車會是GaN功 率器件應用的一個全新場景， 2026年，市場規(guī)模會從2020年 的30萬美元增加到1.6億美元。硅基氮化鎵外延技術壁壘高，難以在短期掌握硅基氮化鎵外延片技術壁壘高：生產是系統(tǒng)性工 程，原材料配方設計、制造工藝技術、配套設備工 藝設計、自主研發(fā)能力、資本實力、產業(yè)鏈資源等 各方面的能力儲備缺一不可。行星式反應爐的控制難以在短期內掌握：生 產過程當中，需要：使晶圓片受熱均勻、控 制好摻雜濃度要控制好、控制晶圓上下面的 溫差、控制襯底邊緣的晶圓翹曲度。四、風險提示1、國內運營商資運營商5G建設再放緩的風險運營商5G建設若再放緩，將使基站出貨量不及預 期，從而將使得SiC基GaN射頻器件需求不及預期。2、中美貿易摩擦的風險國內射頻器件廠商的SiC襯底主要來自美國公司，若 是出現斷供的情況，將使得產品出貨量不及預期。3、消費電子產