第三代半导体氮化镓GaN A股仅有的两家核心公司值
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。，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。
，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，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。，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。，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，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。，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。
(作者秦亮 执业证书A0680616110002)