概要

比碳化硅器件，氮化鎵功率器件在同時(shí)對(duì)效率、頻率、體積等綜合方面有要求的場(chǎng)景中，將更有優(yōu)勢(shì)，比如氮化鎵基器件已成功規(guī)模應(yīng)用于快充領(lǐng)域。隨著下游新應(yīng)用規(guī)模爆發(fā)，以及氮化鎵襯底制備技術(shù)不斷取得突破，GaN器件有望持續(xù)放量，將成為降本增效、可持續(xù)綠色發(fā)展的關(guān)鍵技術(shù)之一。

SEMI-e 深圳半導(dǎo)體展深耕半導(dǎo)體行業(yè)領(lǐng)域，關(guān)注產(chǎn)業(yè)核心技術(shù)和發(fā)展趨勢(shì)，通過搭建專業(yè)高端的產(chǎn)業(yè)生態(tài)交流平臺(tái)，為粵港澳大灣區(qū)構(gòu)建具有國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)力的現(xiàn)代產(chǎn)業(yè)體系貢獻(xiàn)力量。本期為大家解讀氮化鎵未來幾大新的增長(zhǎng)點(diǎn)：

當(dāng)前，第三代半導(dǎo)體材料已成為戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)的重要組成部分，也正成為搶占下一代信息技術(shù)、節(jié)能減排及國(guó)防安全技術(shù)的戰(zhàn)略制高點(diǎn)。其中，氮化鎵(GaN)作為一種寬禁帶半導(dǎo)體材料，其禁帶寬度達(dá)到 3.4eV，是最具代表性的第三代半導(dǎo)體材料之一。

7月3日，中國(guó)收緊了對(duì)鎵、鍺相關(guān)物項(xiàng)的出口，正是基于鎵這種稀有金屬的“半導(dǎo)體工業(yè)新糧食”的重要屬性，以及在半導(dǎo)體材料、新能源等領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用優(yōu)勢(shì)，所作出的重要政策調(diào)整。針對(duì)這一政策變化，本文將從制備工藝及挑戰(zhàn)、未來新增長(zhǎng)點(diǎn)、競(jìng)爭(zhēng)格局對(duì)氮化鎵這一材料做相關(guān)的探討與分析。

一

“后起之秀”廣受業(yè)界看好

氮化鎵是指一種由人工合成的半導(dǎo)體材料，是第三代半導(dǎo)體材料的典型代表。與傳統(tǒng)的硅材料相比，氮化鎵(GaN)具有禁帶寬度大、擊穿電場(chǎng)強(qiáng)、導(dǎo)通電阻低、電子遷移率高、轉(zhuǎn)換效率高、熱導(dǎo)率高、損耗低等優(yōu)點(diǎn)。
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氮化鎵單晶是性能優(yōu)異的新一代半導(dǎo)體材料，可以廣泛應(yīng)用在通信、雷達(dá)、消費(fèi)電子、汽車電子、電力能源、工業(yè)激光加工、儀器儀表等領(lǐng)域，因此其研制及批量化生產(chǎn)受到全球各國(guó)以及產(chǎn)業(yè)界的重點(diǎn)關(guān)注。

從產(chǎn)業(yè)鏈來看，氮化鎵產(chǎn)業(yè)鏈上游主要包括襯底與外延片的制備。在GaN器件中，襯底的選擇對(duì)于器件性能起關(guān)鍵作用，襯底也占據(jù)了大部分成本，因而襯底是GaN器件降低成本的突破口。由于GaN單晶襯底生長(zhǎng)尺寸受限，通常在異質(zhì)襯底(藍(lán)寶石、SiC和Si)上生長(zhǎng)外延片。

同時(shí)，氮化鎵單晶不能從自然界中直接獲取，需要人工制備。目前GaN器件主要采用藍(lán)寶石、SiC、Si等襯底，但外延層GaN和異質(zhì)襯底之間存在晶格失配和熱失配問題，效率降低，產(chǎn)業(yè)界正著力突破GaN單晶襯底的制備技術(shù)。

整體來看，目前GaN單晶襯底以2-4英寸為主，4英寸已實(shí)現(xiàn)商用，6英寸樣本正開發(fā)。GaN體單晶襯底的主要方法有氫化物氣相外延法(HVPE)、氨熱法、助熔劑法等。

其中，HVPE 方法生長(zhǎng)速率快、易得到大尺寸晶體，是目前商業(yè)上提供氮化鎵單晶襯底的主要方法;其缺點(diǎn)是成本高、晶體位錯(cuò)密度高、曲率半徑小以及會(huì)造成環(huán)境污染。氨熱法生長(zhǎng)技術(shù)結(jié)晶質(zhì)量高，可以在多個(gè)籽晶上生長(zhǎng)，易規(guī)模化生產(chǎn)，可以顯著降低成本;缺點(diǎn)是生長(zhǎng)壓力較高，生長(zhǎng)速率低。助熔劑法生長(zhǎng)條件相對(duì)溫和，對(duì)生長(zhǎng)裝備要求低，可以生長(zhǎng)出大尺寸的氮化鎵單晶;其缺點(diǎn)是易于自發(fā)成核形成多晶，難以生長(zhǎng)出較厚的氮化鎵晶體。

從技術(shù)成熟度來看，氮化鎵技術(shù)的壁壘主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：一是氮化鎵技術(shù)相對(duì)較新，目前尚未完全成熟，需要進(jìn)一步的研發(fā)和改進(jìn);二是氮化鎵技術(shù)的成本相對(duì)較高，需要大量的投入才能達(dá)到預(yù)期的效果;三是氮化鎵技術(shù)的供應(yīng)鏈相對(duì)較為復(fù)雜，需要經(jīng)過多方協(xié)調(diào)才能實(shí)現(xiàn);四是氮化鎵技術(shù)的工藝復(fù)雜，需要經(jīng)過多次迭代才能達(dá)到預(yù)期的效果。

從襯底工藝來看，氮化鎵器件主要分為硅基氮化鎵和碳化硅基氮化鎵兩種晶圓。其中，硅基氮化鎵在面積與整體成本考慮上具有比碳化硅組件更劃算的可能，更適用于中低壓/高頻領(lǐng)域。硅基氮化鎵生長(zhǎng)速度較快，較容易擴(kuò)展到8英寸晶圓;受限于襯底，目前碳化硅基氮化鎵仍是4英寸和6英寸晶圓，8英寸還沒有大規(guī)模應(yīng)用。硅基氮化鎵性能略遜于碳化硅基氮化鎵。

整體來看，目前氮化鎵仍屬“后起之秀”，其全球市場(chǎng)供應(yīng)的單晶數(shù)量少且價(jià)格高，成為制約氮化鎵器件高質(zhì)量發(fā)展的重要因素。

二

未來幾大新的增長(zhǎng)點(diǎn)

相對(duì)傳統(tǒng)半導(dǎo)體器件，氮化鎵器件在能源效率、功率密度、可靠性等方面具有明顯的優(yōu)勢(shì)。隨著5G通信生態(tài)、AIGC、云計(jì)算、大數(shù)據(jù)等新興技術(shù)的快速發(fā)展，高速、高效、高能的半導(dǎo)體器件需求將日益增加，而GaN器件作為重要的功率和射頻器件，將具備廣闊的發(fā)展前景。同時(shí)，隨著新基建、新能源、新消費(fèi)等領(lǐng)域的持續(xù)推進(jìn)，氮化鎵器件將在太陽能逆變器、風(fēng)力發(fā)電、新能源汽車等方面得到廣泛應(yīng)用。整體來看，伴隨5G通信和消費(fèi)電子業(yè)務(wù)的確定性增長(zhǎng)、新能源賽道與數(shù)據(jù)中心的集中爆發(fā)，未來3-5年氮化鎵器件將在以下幾個(gè)領(lǐng)域出現(xiàn)較快增長(zhǎng)。

01

5G通信基站

無線通訊基礎(chǔ)設(shè)施是氮化鎵射頻器件的主要應(yīng)用領(lǐng)域，占比達(dá)到50%。據(jù)CASA Research統(tǒng)計(jì)，2021年GaN射頻市場(chǎng)規(guī)模為73.3億元。氮化鎵材料的優(yōu)異性能使得其射頻器件在5G基站應(yīng)用中更為合適。5G基站中主要使用的是氮化鎵功率放大器和微波射頻器件。氮化鎵材料在耐高溫、耐高壓及承受大電流方面具備優(yōu)勢(shì)，與傳統(tǒng)通信芯片相比具備更優(yōu)秀的功率效率、功率密度和寬頻信號(hào)處理能力。

根據(jù)工信部數(shù)據(jù)，截至2022年12月末，我國(guó)已建成5G基站總數(shù)達(dá)到230萬個(gè)，2022年新建88.7萬站5G基站，當(dāng)前5G基站數(shù)量已達(dá)到移動(dòng)基站總數(shù)的22%。工信部指引2023年將新建5G基站60萬個(gè)，累計(jì)5G基站總數(shù)將超過290萬個(gè)。

2021年我國(guó)5G基站用GaN射頻規(guī)模36.8億元。2023年以后，毫米波基站部署將成為拉動(dòng)市場(chǎng)的主要力量，帶動(dòng)國(guó)內(nèi)GaN微波射頻器件市場(chǎng)規(guī)模成倍數(shù)增長(zhǎng)。另外，目前GaN射頻器件隨著技術(shù)進(jìn)步價(jià)格下降。據(jù)Mouser數(shù)據(jù)，2018-2021年，RF GaN HEMT與Si LDMOS價(jià)差持續(xù)縮小。這也將有助于GaN射頻器件提升滲透率。

02

高功率電源

GaN的“雙高”特性在高性能消費(fèi)電子設(shè)備中滲透潛力巨大，可滿足快速充電與充電保護(hù)的場(chǎng)景要求。具體應(yīng)用場(chǎng)景主要包括：PD快充、電源適配器、無線充電、過電壓保護(hù)OVP等。消費(fèi)電子領(lǐng)域存量市場(chǎng)巨大但競(jìng)爭(zhēng)激烈，但占據(jù)性能高地的GaN功率器件有望不斷滲透并創(chuàng)造新的增量動(dòng)力。

除PD快充以外，消費(fèi)電子市場(chǎng)還有兩個(gè)趨勢(shì)有望成為GaN功率產(chǎn)品在消費(fèi)電子領(lǐng)域的新增長(zhǎng)點(diǎn)，一是大功率快充產(chǎn)品的前端PFC電路中采用了GaN電力電子器件，二是蘋果、華為、三星等移動(dòng)設(shè)備廠商在研發(fā)基于GaN的高頻無線感應(yīng)充電產(chǎn)品來提升移動(dòng)產(chǎn)品的無線充電性能。

具體來看，“充電”將成為GaN功率器件放量提價(jià)的關(guān)鍵。在電源適配器、無線充電應(yīng)用中，GaN器件關(guān)斷速度快、開關(guān)頻率高、無反向恢復(fù)損失、低傳導(dǎo)損耗的特點(diǎn)可以得到充分發(fā)揮，逐步取代原有電源適配器中Si MOSFET趨勢(shì)明顯。根據(jù) TrendForce集邦咨詢《2023 GaN功率半導(dǎo)體市場(chǎng)分析報(bào)告-Part1》顯示，全球GaN功率元件市場(chǎng)規(guī)模將從 2022年的1.8億美金成長(zhǎng)到 2026年的13.3億美金，復(fù)合增長(zhǎng)率高達(dá) 65%。

03

新能源汽車

從實(shí)際應(yīng)用來看，目前上車的第三代半導(dǎo)體器件主要是碳化硅器件，但有合適采用氮化鎵材料能通過車規(guī)認(rèn)證的功率器件模塊、或其他合適的封裝方式，仍然會(huì)被整機(jī)廠和OEM廠商接受。從具體應(yīng)用來看，GaN功率半導(dǎo)體主要用于電動(dòng)汽車的動(dòng)力總成系統(tǒng)，包括車載充電器OBC、DC-DC/DC-AC及BMS電池管理系統(tǒng)。

車規(guī)級(jí)市場(chǎng)對(duì)功率芯片可靠性、穩(wěn)定性、效率要求更高。車規(guī)級(jí)芯片在溫度適用范圍、濕度、抗電磁干擾、抗機(jī)械振動(dòng)方面，都比消費(fèi)類和工業(yè)級(jí)提出更高要求，設(shè)計(jì)壽命也遠(yuǎn)長(zhǎng)于消費(fèi)類和工業(yè)級(jí)芯片。根據(jù)Navitas、Yole數(shù)據(jù)測(cè)算，預(yù)計(jì)2030年電動(dòng)汽車單車GaN價(jià)值量有望達(dá)到50美元/輛。

數(shù)據(jù)顯示，2022年全國(guó)新能源汽車銷量達(dá)到680萬輛，滲透率爆發(fā)式提升，汽車電動(dòng)化等級(jí)提升顯著增加了功率半導(dǎo)體單車價(jià)值量。可以說，新能源汽車有望打開GaN功率器件第二增長(zhǎng)曲線，有望成為新的潛在增長(zhǎng)點(diǎn)。

04

數(shù)據(jù)中心

2023年，隨著ChatGPT風(fēng)靡全球，AIGC有望加速推動(dòng)其下游業(yè)務(wù)，對(duì)上游算力支撐提出巨大需求，數(shù)據(jù)中心放量確定性極強(qiáng)。GaN功率半導(dǎo)體主要用于數(shù)據(jù)中心的PSU電源供應(yīng)單元。與傳統(tǒng)Si相比，GaN可以減少用電成本并提升能量密度，減小PSU單元尺寸、優(yōu)化數(shù)據(jù)中心整體機(jī)架排布，提供更緊湊、高效、可靠的電力供應(yīng)系統(tǒng)。

2022年3月，GaN Systems宣布推出尖端電源單元(PSU)解決方案，使數(shù)據(jù)中心能夠提高盈利能力，降低運(yùn)營(yíng)成本，并減少能源消耗，為更可持續(xù)的未來做出貢獻(xiàn)。對(duì)于數(shù)據(jù)中心中的每10個(gè)一組的機(jī)架，如果使用基于GaN的PSU可提高300萬美元的利潤(rùn)，并降低數(shù)據(jù)中心的運(yùn)營(yíng)成本，而且每年還可以減少100多噸的二氧化碳排放量。

三

氮化鎵競(jìng)爭(zhēng)格局分析

01

與碳化硅的競(jìng)爭(zhēng)

毫無疑問，從技術(shù)演進(jìn)的角度，未來碳化硅、氮化鎵等第三代半導(dǎo)體以及其他化合物半導(dǎo)體將逐步替代硅基器件，但不排除未來氮化鎵在一些應(yīng)用領(lǐng)域與碳化硅直面競(jìng)爭(zhēng)，比如汽車市場(chǎng)。

不過，盡管GaN功率器件具備優(yōu)異的性能，但在新能源汽車領(lǐng)域其滲透能力仍需持續(xù)關(guān)注，畢竟SiC器件在性能指標(biāo)、成本、工藝成熟度等方面均具備更強(qiáng)的先發(fā)優(yōu)勢(shì)。

相比碳化硅器件，氮化鎵功率器件在同時(shí)對(duì)效率、頻率、體積等綜合方面有要求的場(chǎng)景中，將更有優(yōu)勢(shì)，比如氮化鎵基器件已成功規(guī)模應(yīng)用于快充領(lǐng)域。然而，目前問題是寄生效應(yīng)嚴(yán)重，限制了氮化鎵基器件的性能。

02

氮化鎵產(chǎn)業(yè)鏈的競(jìng)爭(zhēng)

從產(chǎn)業(yè)鏈發(fā)展來看，歐美日企業(yè)發(fā)展較早，技術(shù)積累、專利申請(qǐng)數(shù)量、規(guī)模制造能力等方面均處于絕對(duì)優(yōu)勢(shì)。而中國(guó)在自主替代大趨勢(shì)下，目前在氮化鎵產(chǎn)業(yè)鏈各環(huán)節(jié)均有所涉足，在政策支持下已在技術(shù)與生產(chǎn)方面取得進(jìn)步。

在襯底材料上，碳化硅襯底與氮化鎵器件匹配度高、性能好、且成本相對(duì)較低，受到廣泛應(yīng)用。全球碳化硅襯底市場(chǎng)集中度高，美國(guó)企業(yè)CREE和II-VI集團(tuán)占據(jù)約60%的市場(chǎng)份額，天岳先進(jìn)、天科合達(dá)等中國(guó)本土企業(yè)合計(jì)市占率僅10%左右。外延片材料方面，蘇州晶湛、聚能晶源、聚燦光電是中國(guó)生產(chǎn)制造氮化鎵外延片的代表企業(yè)。

在氮化鎵器件制造方面，IDM模式的代表廠商有三安光電、英諾賽科、士蘭微電子、蘇州能訊、江蘇能華、大連芯冠科技等公司，F(xiàn)abless廠商主要有華為海思、安譜隆等，同時(shí)海威華芯和三安集成可提供GaN 器件代工服務(wù)(Foundry模式)。

整體來看，從氮化鎵基功率器件角度看，中國(guó)材料和器件的整體研發(fā)水平基本與國(guó)際同步，但在部分特性指標(biāo)上仍需努力，雖然已經(jīng)應(yīng)用于手機(jī)快充、通用電源等領(lǐng)域，但是產(chǎn)品可靠性與海外頭部廠商的水平還存在一定差距。

當(dāng)前，全球氮化鎵產(chǎn)業(yè)鏈企業(yè)不斷在擴(kuò)大產(chǎn)能，一些國(guó)際大廠更是開啟并購(gòu)之路。比如，今年3月，英飛凌官宣收購(gòu)氮化鎵初創(chuàng)公司GaN Systems，交易總值8.3億美元現(xiàn)金(57億人民幣)。GaN Systems是開發(fā)基于GaN的功率轉(zhuǎn)換解決方案的全球技術(shù)領(lǐng)導(dǎo)者。英飛凌收購(gòu)GaNSystems一方面體現(xiàn)來了GaN在汽車、數(shù)據(jù)中心、工業(yè)等應(yīng)用領(lǐng)域的未來發(fā)展前景，另一方面也預(yù)示著產(chǎn)業(yè)鏈競(jìng)爭(zhēng)或?qū)⑦M(jìn)入整合階段。該公司預(yù)測(cè)，到2027年，氮化鎵芯片市場(chǎng)將以每年56%的速度增長(zhǎng)。

綜合上述，隨著下游新應(yīng)用規(guī)模爆發(fā)，以及氮化鎵襯底制備技術(shù)不斷取得突破，GaN器件有望持續(xù)放量，將成為降本增效、可持續(xù)綠色發(fā)展的關(guān)鍵技術(shù)之一。

來源｜電子工程專輯

作者 | 張河勛

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