半导体氮化镓的替代机遇 | 北拓研究

2023-05-3118:00

北拓资本

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氮化镓作为第三代半导体最具发展前景的材料之一，具有耐高温、耐高压、高功率的优秀物理特性，伴随下游新能源市场需求不断提升，以及稳固的 5G 基站和消费电子基本盘，应用前景广阔。

根据 QYResearch 数据，2022 年全球 GaN 外延市场销售额为 469.4 百万美元，预计 2026 年达到 1016.51 百万美元，CAGR21.31%。根据 CASA 数据，2021 年中国市场规模 303.1 亿元，预计 2026 年中国 GaN 市场规模将达到 1029.7 亿元，CAGR27.7%，分不同下游来看，光电器件 617.8 亿元、功率器件 15.4 亿元，射频器件 253.5 亿元。

美日仍占据技术储备绝对优势，大陆企业从各环节包围赶超。中国氮化镓行业集中度较分散，各企业在氮化镓射频器件、功率器件和显示器等领域均有布局。GaN 性能受到材料纯度、结构设计、制造工艺的影响很大，各环节关联性强，因此大陆 GaN 行业形成中游企业向上游、下游不断拓展延伸的趋势，产业链各环节不断完善，基本实现了各环节和射频、LED 和电力电子器件各领域的全覆盖，从 0-1 的突破必然带来新的机遇。

同质 GaN 可以从根本上解决晶格失配和热失配问题，但技术难度大、成本高，预计短期内不会大规模量产。

本文浅析氮化镓行业市场情况，希望对读者有所启发。如需进一步了解氮化镓领域相关企业情况，欢迎联系北拓资本交流。

GaN 作为第三代半导体蓬勃兴起，物理性能优异

氮化镓是由氮元素和镓元素组成的一种化合物半导体材料。氮化镓（GaN）、碳化硅（SiC）、氮化铝（ALN）、氧化镓（Ga2O3）等，因为禁带宽度大于 2.2eV 统称为宽禁带半导体材料，也称为第三代半导体材料。由于氮化缘材料临界电场强度、禁带宽度、饱和电子漂移速率、最高工作温度等指标表现优异，具有耐高温、耐高压、高功率的特点，是目前最具发展前景的材料之一。

1.1 GaN 技术诞生于美日实验室，高新技术企业推动，在海内外实现应用领域拓展

早期 GaN 研究仅限于实验室范围，由于作为人工合成材料的固有属性，研发难度大，发展进程缓慢。1969 年，日本科学家 Maruska 等人采用氢化物气相沉积技术在蓝宝石衬底表面沉积出了氮化镓薄膜，但质量较差，1992 年，中村修二以双异质结构代替 PN 结，研制出高效率 GaN 蓝光 LED，但应用领域尚不明确，未实现商业化。

美国 Cree 公司于 1998 年开发出首个 SiC 基 GaN 高电子迁移率晶体管，从此开启了 LED 照明商业化。氮化镓技术从实验室到高新技术的转变主要集中于美日公司，企业推动了氮化镓材料的商业化，也从 LED 照明领域拓展到电子电力和射频领域。MOSFET、eGaN 等得到推广，日本住友、日立等公司实现了氮化镓材料尺寸的产品化。

中国不断出台相关政策鼓励扶持氮化镓产业，本土企业在各个产业链进行布局。2013 年，中国科技部发布 863 计划，将第三代半导体产业列为战略发展产业；2021 年，中国“十四五”计划明确提出要发展碳化硅、氮化镓等宽禁带半导体材料。中国本土企业海威华芯、英诺赛科等逐步建立起 6 英寸、8 英寸氮化镓晶圆产线并实现量产。

1.2 三代半功率可达 1kw，频率接近 100GHz，但目前渗透率较低

第一代半导体以 Si、Ge 为代表材料，自 20 世纪 50 年代开始取代传统电子管使得集成电路产业及微电子产业迅速发展，具备间接带隙，带隙宽度较窄，饱和电子迁移率较低的特点，功率在 100w 左右，频率约为 3GHz，目前产业链十分成熟，成本较低，多应用于低压、低频、低功率的功率器件或集成电路中。

第二代半导体材料以 GaAs、InP 为代表，高频性能较好，广泛应用于卫星通信、GPS 导航等领域，功率不足 100w，频率能达到 100GHz，但由于资源稀缺、成本高、材料毒性强、不环保等特点并未实现大规模商用。

第三代半导体以 GaN、SiC 为代表材料，具备击穿电场高，热导率高，电子禁带宽度大，饱和速率高，抗辐射能力强等特点。在介电常数、导热性等多个指标中表现优异，功率可达 1000w，频率能接近 100GHz，但目前渗透率较低。

三代半导体性能对比（数据来源：公开资料整理）

2017-2020年全球半导体材料渗透率（数据来源：华经产业研究院）

1.3 氮化镓耐高温、耐高压、高功率，性能指标优异

同为第三代半导体，氮化镓和碳化硅各有侧重，又和硅材料形成差异化竞争。碳化硅侧重高压，氮化镓侧重高频，应用场景也不尽相同。

三代半导体应用场景（数据来源：英飞凌）

导热系数和最高工作温度越大代表材料越耐高温，临界电场强度和禁带宽度越大代表材料越耐高电压环境，饱和电子漂移速率高代表材料频度高。在多种版代替材料中，氮化嫁材料临界电场强度、禁带宽度、饱和电子漂移速率、最高工作温度等指标表现优异，具有耐高温、耐高压、高功率的特点。

Si、SiC、GaN 材料物理性能对比（数据来源：公开资料整理）

大陆企业实现 GaN 全产业链基本覆盖，未来市场前景持续看好

2.1 氮化镓下游 5G 通信基站及消费电子基本盘稳固，新能源汽车成为新兴应用市场

随着氮化镓行业应用领域不断拓展和下游市场需求增加，全球氮化镓市场规模不断扩大。根据 QYResearch 数据，2022 年全球 GaN 外延市场销售额为 469.4 百万美元，预计 2026 年达到 1016.51 百万美元，CAGR21.31%。

全球氮化镓外延市场销售额（数据来源：QYResearch）

根据 CASA 数据，2021 年中国市场规模 303.1 亿元，预计 2026 年中国 GaN 市场规模将达到 1029.7 亿元，CAGR27.7%，分不同下游来看，光电器件 617.8 亿元、功率器件 15.4 亿元，射频器件 253.5 亿元。

中国氮化镓行业市场规模及预测（单位：亿元）（数据来源：CASA）

氮化镓射频器件的主要应用领域为无线通讯，占比达到 49%。相比 4G 基站，5G 基站电磁波频率更高，对宽频率范围信号的处理能力要求更强，氮化镓材料在耐高温、耐高压及承受更大电流等多个方面具有优势，因此与传统通信芯片相比氮化缘微波射频芯片的功率效率、功率密度和处理更宽频率范围信号的能力更强，应用在 5G 基站中更加合适。中国 5G 基站数量逐年上涨，由 2018 年的 0.1 万座上涨至 2022 年的 231.2 万座，根据全球 5G 和新基建产业展望，预计 2023 年新增 5G 基站 80 万个，2024 年新增 55 万个，2025 年新增 42 万个。5G 基站数量的增长带动氮化镓射频器件的市场需求，推动氮化镓整体市场的发展。

中国 5G 基站累计值（数据来源：工信部）

全球消费电子市场呈现波动上涨趋势，存量基础庞大 + 增量市场回暖刺激氮化镓充电器市场发展。2019 年以来虽受到疫情影响但全球主要消费电子产品出货量大且较为平稳，带动快充配件需求不断上涨。尤其在 2020 年苹果宣布不再配备标准充电器后，相比于昂贵的官方充电器，功率大、速度快、体积小、价格低的氮化镓快充产品更受青睐。氮化镓充电器便携、速度快、可满足多台设备同时充电的场景需求且价格便宜，在电子快充领域市场需求巨大。

全球主要消费电子终端出货量（数据来源：IDC）

新能源车应用市场是氮化镓行业的新兴增长点。目前在车载充电器、DC-DC 转换器等领域已有较大规模应用。在车载充电器 OBC 领域，使用 GaN 器件可以缩小尺寸至原来的 1/5，充电效率可以达到 98%，散热结构也更加高效；在 DC-DC 转换器领域，相比传统 Si 基器件，氮化镓器件功率密度更大，可节约 70% 能耗，增加 5% 的续航。

在新能源车领域目前市场上广泛应用的是碳化硅产品，由于车规级氮化镓产品要求极为严格，氮化镓器件在新能源车上的应用仍处于起步阶段，目前已有多家车企如宝马、丰田等与氮化镓企业开展合作共同推进氮化镓器件的上车。根据 Navitas、Yole 数据测算，预计 2030 年电动汽车单车 GaN 价值量有望达到 50 美元 / 辆，预计到 2025 年全球电动车中氮化镓 TAM 将超过 25 亿美元 / 年。未来随着新能源车数量不断增长和氮化镓与新能源车性能的不断适配，GaN 器件的渗透率会进一步提高。

中国新能源汽车数量及预测（单位：万辆）（数据来源：中国 IC 网）

2.2 中国企业在产业链各环节布局逐步完善，基本实现全覆盖

中国氮化镓行业集中度较分散，各企业在氮化镓射频器件、功率器件和显示器等领域均有布局。GaN 性能受到材料纯度、结构设计、制造工艺的影响很大，各环节关联性强，因此大陆 GaN 行业形成中游企业向上游、下游不断拓展延伸的趋势，产业链各环节不断完善，基本实现了各环节和射频、LED 和电力电子器件各领域的全覆盖。

GaN 产业链企业海内外对比图谱（按产业链环节分）（数据来源：各公司官网，北拓资本整理）

具体而言，氮化镓产业链上游衬底和外延成本较高，进口依赖较为严重。衬底方面主要采用与氮化镓器件匹配较高的 SiC 衬底，性能好且成本相对较低，中国厂商由于入场晚，市占率仅 10% 左右，代表企业天科合达、天岳先进等；外延片主要采用金属有机气象化学沉积方法（MOCVD），可以同时生长多片，精确控制外延层组分、导电类型、载流子浓度、厚度等特性，产量高但制造成本高，代表企业有聚灿光电等。

氮化镓产业链中有制造商以 IDM 为主，占比 80%，集 GaN 器件设计、制造、封装、测试环节于一体，充分发掘技术潜力，率先推行实验和新技术，代表企业三安光电、英诺赛科等；Fabless 模式的厂商占比 5%，负责 GaN 器件电路设计与销售，以轻资产模式运营，考验厂商设计能力，代表企业士兰微、华为海思等；Foundry 模式的代工厂占比 15%，以制造工艺取胜，只负责制造、封装、测试等环节，代表企业海威华芯。

GaN 产业链全景图（按下游应用领域分）（数据来源：前瞻产业研究院）

2.3 美日仍占据技术储备绝对优势，大陆企业从各环节包围赶超

美日厂商拥有一大半氮化镓行业专利技术，截至 2021 年 9 月，全球氮化镓行业 30% 的技术来自中国。中国大陆氮化镓行业代表企业有三安光电、英诺赛科、海威华芯等，全方面对海外氮化镓技术进行追赶。

图：全球氮化镓行业技术来源国分布（数据来源：前瞻产业研究院）

2.3.1 日本住友化学和住友电工——海外 GaN 器件龙头

日本住友化学和住友电工时氮化镓器件领域的龙头企业，从上世纪 70 年代开始申请相关专利，也是全球最早实现氮化镓商业化的企业。住友化学 1970 年开始制造化合物半导体，2003 年全球率先量产 GaN 衬底，2006 年率先量产高性能 GaN HEMT，在氮化镓晶体生长方面有丰富 Know-how 积累；住友电工在氮化镓外延技术方面有丰富经验，在氮化镓外延片高频率、高功率、高亮度领域取得重要进展。

2.3.2 三安光电——国产 LED 龙头

三安光电成立于 2000 年 11 月，于 2008 年 7 月上市，是国内规模最大的 LED 外延片、芯片企业，在 LED 芯片、电力电子、射频前端、光通讯芯片等领域进行了全产业链布局。2001 年开始申请 GaN- LED 相关专利，2013 年全资收购 Luminus Inc 以丰富其技术积累，2015 年开始建设 GaN 高功率半导体项目，2018 年投资 III-V 族化合物半导体材料、LED 外延、芯片、微波集成电路、光通讯、射频滤波器等产业，已经成为华为 GaN 功率器件代工厂。

在电力电子领域，三安光电提供国内第一条 6 寸氮化镓生产线，主要产品为电力电子芯片，在消费电子、工业应用、电力传输、航空航天等领域广泛应用；在 LED 芯片领域，主要材料为氮化镓或砷化镓，多提供给 LED 封装厂商用于生产 LED 终端产品，应用于照明、显示、背光、医疗、农业等领域；在光通讯芯片方面，产品主要应用于光通讯类和消费类，包括 5G 网络、数据中心、3D 识别、汽车无人驾驶等；在射频前端领域，产品包括射频芯片和滤波器芯片，材料包括氮化镓、砷化镓等，适用于无线通信、自动驾驶、卫星等。

三安光电在全球多地成立研发中心，拥有全球化合物半导体领域顶尖技术人才，聚集了一批 LED 专家；同时针对上游积极进行原材料和衬底布局，实现部分自给，围绕外延和芯片配套辅助系统，形成规模优势。

2.3.3 英诺赛科——氮化镓 IDM 企业

英诺赛科成立于 2015 年 12 月，从事第三代半导体硅基氮化镓研发与生产，是集芯片设计、外延生长、芯片制造、封装与测试于一体的 IDM 企业，拥有全球最大的 8 英寸硅基氮化镓晶圆的生产能力，工厂总产能超过 1w 片 / 月，于 2022 年 2 月获得 30 亿元人民币 D 轮融资。作为国内领先的氮化镓 IDM 企业，英诺赛科在 8 英寸硅基氮化镓外延、器件、工艺等方面对海外技术进行赶超。

具体而言，英诺赛科优化了 GaN-onSi 外延工艺，开发缓冲技术，通过内部控制来快速调整外延制程以适应特定场景的需求；英诺赛科攻破了 8 英寸硅基氮化镓晶圆技术，每片晶圆可生产的器件数量比 6 英寸晶圆增加 80%，配备完整的 8 英寸晶圆制造设备，并且开发了一种应变增强层技术，使得 RDS_ON 降低 66%，实现了非常低的特定导通电阻。

2.3.4 海威华芯——氮化镓晶圆代工厂

海威华芯成立于 2010 年，由海特高新和央企中电科 29 所合资建成，有正威国际注资，实力雄厚，技术水平较高。公司在大陆率先提供 6 寸砷化镓集成电路的纯晶圆代工服务，在氮化镓领域拥有国内一流的技术，专利总共 249 项，其中过半数是发明专利。其 GaN 工艺分为 0.25um GaN HEMT 工艺和 0.5um GaN HEMT 工艺，前者工作频段为 X 波段及以下，用于 MMIC 制作，后者工作频段为 6GHz 及以下，用于功率管芯制作。

同质 GaN 从根本上提高性能，技术难度极高

氮化镓产业链包括衬底、外延、芯片、器件，其中衬底外延占 60%~70% 价值，是整个产业链的基础，也从根本上决定了氮化镓晶圆的性能。

3.1 异质氮化镓外延片较为成熟，晶格失配和热失配问题亟待解决

氮化镓外延片材料多样，按照衬底材料不同主要分为 4 种。

1.GaN-onSi 硅基氮化镓：硅是目前最成熟和成本最低的衬底材料，生长速度快、良率高、技术成熟，因此硅基氮化镓外延成本低，扩大尺寸也比较容易。但是由于 Si 是非极性衬底，在 Si 衬底上生长具有极性的 GaN 外延层较为困难。同时由 Si 与 GaN 晶格失配和热失配引起的 GaN 外延层的龟裂是目前急需解决的难题。

2.GaN-onSiC 碳化硅基氮化镓：得益于碳化硅优异的导热性，结合氮化镓高功率密度和低损耗，决定了碳化硅基氮化镓是射频器件的最合适材料。SiC 本身即具有蓝光发光特征，且为低阻材料、可以制作电极、其晶格常数和材料的热膨胀系数与 GaN 材料更为接近，并且易于解理。但目前碳化硅衬底生长难度高，技术还没有取得突破，尺寸仍然限制在 4 英寸和 6 英寸，8 英寸和 12 英寸尚未推广到大规模应用。

3.GaN-on-sapphire 蓝宝石基氮化镓：是目前使用最为普遍的一种衬底材料。特点是容易获得、价格适当、易于清洁和处理、在高温下具有很好的稳定性、可以大尺寸稳定生长。其缺点是蓝宝石衬底本身不导电，制作电极、解理较为困难。并且散热性能不好，限制了大功率 LED 的生产和应用。主要应用于 LED 市场，主流尺寸为 4 英寸。

4.GaN-on-GaN 氮化镓基氮化镓：在生产过程中采用同种类的氮化镓，是最为理想的衬底材料，但目前所能获得的单晶尺寸太小。

GaN 是最适合用来作为 GaN 外延膜生长的衬底材料。同质外延生长从根本上可解决使用异质衬底材料所遇到的晶格失配与热失配问题，将生长过程中由于材料之间性质差异所引起的应力降到最低，能够生长出异质衬底无法相比的高质量 GaN 外延层。

3.2 同质氮化镓技术难度大成本高，在中高功率中有望逐步渗透

氮化镓产业化过程中困难和问题更多，发展也更为缓慢，主要困难集中在衬底和外延环节，有以下几点痛点：

1.材料特性：GaN 高温下会分解，无法使用单晶硅生产工艺的传统直拉法拉出单晶，需要靠纯气体反应合成。氮气性质非常稳定，镓金属材料十分稀有，二者反应时间长、速度慢、副产物多。因此纯度低、技术复杂、产能极低。

2.设备限制：GaN 在常温常压下无法熔化，在高温下分解为镓和氮气，其熔点为 2300 摄氏度，分解压高达 6GPa，当前的生长设备很难在满足熔点的条件下承受如此高的压力，因此传统熔体法无法用于 GaN 的生长。

3.成本高昂：氮化镓衬底和氮化镓外延片原材料成本高，进口依赖严重，国产化率约 10%。大多数厂商被迫“移花接木”，用碳化硅或蓝宝石作为氮化镓衬底材料，减轻衬底生产难度和成本，但外延片的品质和良率就无法收到保障，加之外延成本占比高，极大影响了产能，限制了其广泛应用。

现行 GaN 功率元件多是异质结构，适用于中低功率环境中，例如 3C 产品、车用零组件、工业、家电领域，在可靠度和安全性要求较高的服务器和电动车领域需要同质氮化镓功率元件。GaN 功率元件较传统硅 (Si) 拥有较高频率及可调整电路拓朴设计特性，若能加上同质 GaN 功率元件于中高功率操作优势，未来能有效减少被动元件使用量，从而缩减产品体积及重量，换取运算效能或填入其他零组件的空间，以利推广至服务器及电动车等应用。

资料来源：Transphorm，DIGITIMES Research

3.3 国内外相关企业进展

未来同质 GaN 磊晶结构接续推出，3C 产品快充类型将逐步向多元应用发展，高可靠性要求服务器电源供应器、电动车动力系统导入，但 GaN 基板生成技术尚待突破，材料特性和设备限制仍是阻碍，预计 5 年内同质 GaN 功率元件较难实现量产规模。

中镓半导体研发出位错密度低至 4×10(5) cm(-2) 到 7×10(5) cm(-2) 范围的 2 英寸 GaN 自支撑衬底产品，并已经开始量产销售。其提供的 Si 掺杂 2 英寸高导电率 GaN 自支撑衬底可用于蓝绿光激光器和垂直型 GaN 功率器件；提供的 C 掺杂 2 英寸半绝缘 GaN 自支撑衬底可用于制备高性能微波射频器件。

山东大学晶体材料国家重点实验室也进行了 GaN 单晶的生长和加工研究。900 ℃以上 GaN 易发生分解，容易形成多孔结构。通过高温退火方法成功制备出了 2 英寸多孔 GaN 衬底以及 2 英寸自支撑多孔 GaN 单晶薄膜，详细研究了退火时间和退火温度对多孔 GaN 表面形貌、光学和电学性能的影响规律；多孔结构使生长界面形成空隙，有效阻断位错降低应力并实现与衬底分离，首次在高温退火多孔衬底上生长并得到了高质量自剥离的 GaN 单晶；并对制备的多孔衬底上外延生长的 GaN 的成核阶段生长行为进行了详细研究。

宽禁带半导体技术创新联盟研究团队采用 HVPE 生长出 2 英寸 GaN 单晶，厚度可达 2.5 mm，表面平滑无坑。攻克了 2 英寸单晶同质外延生长关键技术，GaN 单晶 (0002) 面半峰宽为 48 弧秒，(10-12) 面半峰宽为 67 弧秒，位错密度 (Dislocation density, DD) 低至 5×10(6) cm(-2)；加工出的样片微观平整，具有良好的晶体质量。

（资料来源：宽禁带半导体技术创新联盟）

总结

氮化镓作为第三代半导体后起之秀，下游渗透潜力巨大，衬底和外延制备技术正在不断突破，成为降本增效关键点；国内企业在各环节布局逐渐完善，产业链部分自主可控，必将有企业抓住国产替代机遇；未来同质氮化镓技术取得突破后将导入服务器和电动车等领域发挥高功率操作优势。

风险提示：产品研发速度、下游推广不及预期；渗透率不及预期；产能受限和供应链不稳定。

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