中國(guó)氮化鎵（GaN）供給與需求、電子電力器件及其他氮化鎵應(yīng)用情況

中國(guó)氮化鎵（GaN）供給與需求、電子電力器件及其他氮化鎵應(yīng)用情況

GaN屬于第三代半導(dǎo)體材料（又稱為寬禁帶半導(dǎo)體材料）。GaN的禁帶寬度、電子飽和遷移速度、擊穿場(chǎng)強(qiáng)和工作溫度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于Si和GaAs，具有作為電力電子器件和射頻器件的先天優(yōu)勢(shì)。目前第三代半導(dǎo)體材料以SiC和GaN為主。相較于SiC，GaN材料的優(yōu)勢(shì)主要是成本低，易于大規(guī)模產(chǎn)業(yè)化。盡管耐壓能力低于SiC器件，但優(yōu)勢(shì)在于開(kāi)關(guān)速度快。同時(shí)，GaN如果配合SiC襯底，器件可同時(shí)適用高功率和高頻率。

半導(dǎo)體材料的發(fā)展主要體現(xiàn)在三個(gè)方面：1）襯底及外延材料向大直徑發(fā)展；2）材料質(zhì)量和器件性能的提升；3）成本和價(jià)格的下降推動(dòng)產(chǎn)業(yè)發(fā)展。在襯底方面，日本多家公司已在出售2~3英寸GaN襯底；在外延片方面，4~6英寸Si襯底GaN外延片的材料已經(jīng)實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)。

在電力電子器件方面，目前Si襯底上GaN電力電子器件產(chǎn)品的耐壓為600V，實(shí)驗(yàn)室耐壓已經(jīng)超過(guò)2000V，達(dá)到了市電應(yīng)用要求，展現(xiàn)出巨大的實(shí)用潛力。

一、GaN供給

氮化鎵產(chǎn)業(yè)鏈基本包括襯底、外延片、器件制造等環(huán)節(jié)，其中硅基襯底主要供應(yīng)商有德國(guó)Siltronic、日本Sumco、日本Shin-Etsu等企業(yè)，而日本的NTT-AT、比利時(shí)的EpiGaN和英國(guó)的IQE等則是硅基GaN外延片的主要供應(yīng)商。部分廠商則在產(chǎn)業(yè)鏈上延伸，同時(shí)生產(chǎn)外延片及器件制造，例如Episil、Bridg、Fujitsu等。目前主流氮化鎵生產(chǎn)廠家依舊集中在歐洲國(guó)家及日本等，我國(guó)企業(yè)尚未進(jìn)入供給端第一梯隊(duì)。下面僅簡(jiǎn)單介紹以生產(chǎn)外延片為主的幾家主流供應(yīng)商。

1、NTT-AT。

NTT尖端科技株式會(huì)社成立于1976年，總部位于日本。公司目前生產(chǎn)可用于大功率集成電路及高頻率通信領(lǐng)域的高品質(zhì)氮化鎵外延片。公司氮化鎵外延片因高擊穿電壓、低漏電流和出色的2DEG特性而聞名，從而被優(yōu)質(zhì)的半導(dǎo)體廠商所采用。公司2018財(cái)（2018年4月-2019年3月）實(shí)現(xiàn)收入561.95億日元，實(shí)現(xiàn)凈利潤(rùn)24.24億日元。

2、EpiGaN。

公司成立于2010年，總部位于比利時(shí)東部哈瑟爾特市，是全球最大的微電子產(chǎn)學(xué)研中心之一IMEC的衍生公司。公司可提供4、6英寸氮化鎵外延晶圓，廣泛用于5G通訊、高效電力電子、射頻功率、傳感器等領(lǐng)域。目前公司已經(jīng)率先實(shí)現(xiàn)了8英寸硅基氮化鎵磊晶圓工業(yè)量產(chǎn)，生產(chǎn)工藝處于行業(yè)先進(jìn)水平。

3、DOWA。

公司成立于1884年，目前面向尖端電子設(shè)備的需求進(jìn)行開(kāi)發(fā)，提供差異化半導(dǎo)體材料、導(dǎo)電材料及磁性材料。目前公司從事氮化鎵外延片生產(chǎn)，通過(guò)使用專利緩沖層在氮化鎵外延片上實(shí)現(xiàn)了高電壓電阻和良好的平整度。下游主要應(yīng)用于功率半導(dǎo)體中的逆變器和交直流變換器以及移動(dòng)基站。IQE。公司成立于1988年，總部位于英國(guó)卡迪夫，是全球領(lǐng)先的設(shè)計(jì)和制造先進(jìn)的半導(dǎo)體外延產(chǎn)品的公司之一。下游市場(chǎng)主要為電子、汽車、航天等領(lǐng)域。公司2018年共實(shí)現(xiàn)營(yíng)收1.56億英鎊。

二、需求

氮化鎵作為第三代半導(dǎo)體材料，有更高的禁帶寬度，是迄今理論上電光、光電轉(zhuǎn)換效率最高的材料體系，下游應(yīng)用包括微波射頻器件（通信基站等），電力電子器件（電源等），光電器件（LED照明等）。

目前采用氮化鎵的微波射頻器件主要用于軍事領(lǐng)域、4G/5G通訊基站等，由于涉及軍事安全，國(guó)外對(duì)高性能氮化鎵器件實(shí)行對(duì)華禁運(yùn)。因此，發(fā)展自主氮化鎵射頻功放產(chǎn)業(yè)，有助于打破國(guó)外壟斷，實(shí)現(xiàn)自主可控。

得益于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(shè)計(jì)空間的同時(shí)滿足更高的功率要求。而大范圍的5G網(wǎng)絡(luò)覆蓋要求運(yùn)營(yíng)商部署更高功率和運(yùn)行頻率的設(shè)備，GaN的功率密度優(yōu)勢(shì)可以滿足他們的需求。

據(jù)調(diào)查數(shù)據(jù)顯示，截至2017年12月底中國(guó)4G宏基站數(shù)量為328萬(wàn)座。中國(guó)5G宏基站數(shù)量有望達(dá)到500萬(wàn)座，為4G基站數(shù)量的1.5倍。宏基站建設(shè)將會(huì)拉動(dòng)基站端GaN射頻器件的需求量，考慮到5G基站的建設(shè)周期，預(yù)計(jì)到2023年基站端GaN射頻器件規(guī)模達(dá)到頂峰，達(dá)到112.6億元。

由于5G蜂窩網(wǎng)絡(luò)布局有一定的極限，為了滿足熱點(diǎn)地區(qū)的網(wǎng)絡(luò)需求，在宏基站之外，還需要布臵小基站組成微蜂窩網(wǎng)絡(luò)。由于小基站不能對(duì)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(jù)拓璞產(chǎn)業(yè)研究院援引賽迪智庫(kù)測(cè)算數(shù)據(jù)，中國(guó)5G網(wǎng)絡(luò)小基站需求約為宏基站的2倍，即需要1000萬(wàn)站小基站。按照每個(gè)小基站需要2個(gè)放大器，小基站建設(shè)進(jìn)度落后宏基站1年測(cè)算，到2024年基站端GaN射頻器件規(guī)模達(dá)到峰值，可達(dá)9.4億元。

1、電子電力器件

GaN作為第三代半導(dǎo)體材料，廣泛應(yīng)用于功率電子器件中，根據(jù)調(diào)查數(shù)據(jù)顯示，2018年GaN功率器件國(guó)際市場(chǎng)規(guī)模中，電源設(shè)備領(lǐng)域占比55%，其次是激光雷達(dá)，占比達(dá)到26%，其他下游應(yīng)用如包絡(luò)跟蹤、無(wú)線電源等。目前我們使用的電子及電源設(shè)備，如個(gè)人電腦適配器、音頻/視頻接收器和數(shù)字電視等，有著占用空間大、不美觀、發(fā)熱導(dǎo)致電量損耗等缺點(diǎn)，而GaN能夠減少電源體積，同時(shí)提升效率。

不僅如此，GaN在電源設(shè)備的應(yīng)用還包括手機(jī)的快速充電及無(wú)線充電等，我們認(rèn)為隨著消費(fèi)電子朝小型化，智能化發(fā)展，GaN將擁有更多應(yīng)用場(chǎng)景。

2018年GaN功率電子器件國(guó)內(nèi)市場(chǎng)規(guī)模約為1.2億元，尚處于應(yīng)用產(chǎn)品發(fā)展初期，但未來(lái)市場(chǎng)空間有望持續(xù)拓展，在市場(chǎng)樂(lè)觀預(yù)期下2023年GaN功率電子市場(chǎng)規(guī)模有望達(dá)到4.24億美元。

2、其他需求

GaN和SiC器件進(jìn)入光伏市場(chǎng)，將為小型系統(tǒng)帶來(lái)更大的競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)，主要包括：更低的均化電力成本，提升通過(guò)租賃和電力購(gòu)買協(xié)議而銷售的電能利潤(rùn)。此外，這些器件還能改善性能和可靠性。據(jù)調(diào)查數(shù)據(jù)顯示，受太陽(yáng)能模組的下游需求驅(qū)動(dòng)，寬禁帶半導(dǎo)體——即碳化硅(SiC)和氮化鎵(GaN)將引領(lǐng)太陽(yáng)能逆變器隔離器市場(chǎng)在2020年達(dá)到14億美元。

在軍用市場(chǎng)，GaN射頻器件需求快速增長(zhǎng)，據(jù)調(diào)