2019年中國氮化鎵（GaN）供給與需求、電子電力器件及其他氮化鎵應用情況[圖]

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

GaN 、GaS 和LDMOS 性能比較

數據來源：公開資料整理

    半導體材料的發(fā)展主要體現(xiàn)在三個方面：1）襯底及外延材料向大直徑發(fā)展；2）材料質量和器件性能的提升；3）成本和價格的下降推動產業(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 外延片的材料已經實現(xiàn)量產。

    在電力電子器件方面，目前 Si 襯底上 GaN 電力電子器件產品的耐壓為 600V，實驗室耐壓已經超過 2000V，達到了市電應用要求，展現(xiàn)出巨大的實用潛力。

    一、GaN 供給

    氮化鎵產業(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商有德國 Siltronic、日本 Sumco、日本 Shin-Etsu 等企業(yè)，而日本的NTT-AT、比利時的 EpiGaN 和英國的 IQE 等則是硅基 GaN 外延片的主要供應商。部分廠商則在產業(yè)鏈上延伸，同時生產外延片及器件制造，例如 Episil、Bridg、Fujitsu 等。目前主流氮化鎵生產廠家依舊集中在歐洲國家及日本等，我國企業(yè)尚未進入供給端第一梯隊。下面僅簡單介紹以生產外延片為主的幾家主流供應商。

    1、NTT-AT 。

    NTT 尖端科技株式會社成立于 1976 年，總部位于日本。公司目前生產可用于大功率集成電路及高頻率通信領域的高品質氮化鎵外延片。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)質的半導體廠商所采用。公司 2018 財（2018 年 4 月-2019 年 3 月）實現(xiàn)收入 561.95 億日元，實現(xiàn)凈利潤 24.24億日元。

    2、EpiGaN 。

    公司成立于 2010 年，總部位于比利時東部哈瑟爾特市，是全球最大的微電子產學研中心之一 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、傳感器等領域。目前公司已經率先實現(xiàn)了 8英寸硅基氮化鎵磊晶圓工業(yè)量產，生產工藝處于行業(yè)先進水平。

    3、DOWA 。

    公司成立于 1884 年，目前面向尖端電子設備的需求進行開發(fā)，提供差異化半導體材料、導電材料及磁性材料。目前公司從事氮化鎵外延片生產，通過使用專利緩沖層在氮化鎵外延片上實現(xiàn)了高電壓電阻和良好的平整度。下游主要應用于功率半導體中的逆變器和交直流變換器以及移動基站。IQE 。公司成立于 1988 年，總部位于英國卡迪夫，是全球領先的設計和制造先進的半導體外延產品的公司之一。下游市場主要為電子、汽車、航天等領域。公司 2018 年共實現(xiàn)營收 1.56 億英鎊。

    二、需求

    氮化鎵作為第三代半導體材料，有更高的禁帶寬度，是迄今理論上電光、光電轉換效率最高的材料體系，下游應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域、4G/5G 通訊基站等，由于涉及軍事安全，國外對高性能氮化鎵器件實行對華禁運。因此，發(fā)展自主氮化鎵射頻功放產業(yè)，有助于打破國外壟斷，實現(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計空間的同時滿足更高的功率要求。而大范圍的 5G 網絡覆蓋要求運營商部署更高功率和運行頻率的設備，GaN 的功率密度優(yōu)勢可以滿足他們的需求。

    據調查數據顯示，截至2017年12月底中國4G宏基站數量為328萬座。中國 5G 宏基站數量有望達到 500 萬座，為 4G 基站數量的 1.5 倍。宏基站建設將會拉動基站端 GaN 射頻器件的需求量，考慮到 5G 基站的建設周期，預計到 2023 年基站端 GaN 射頻器件規(guī)模達到頂峰，達到 112.6 億元。

2019-2024年中國 5G 基站新增數量及預測（萬站）

數據來源：公開資料整理

2019-2024年宏基站 PA 市場規(guī)模預測

數據來源：公開資料整理

2019-2024年基站端GaN射頻器件規(guī)模及預測

數據來源：公開資料整理

    由于 5G 蜂窩網絡布局有一定的極限，為了滿足熱點地區(qū)的網絡需求，在宏基站之外，還需要布臵小基站組成微蜂窩網絡。由于小基站不能對宏基站造成干擾，頻率較宏基站更高，以 Sub-6GHZ 為主，GaN 射頻器件是很好的選擇。據拓璞產業(yè)研究院援引賽迪智庫測算數據，中國 5G 網絡小基站需求約為宏基站的 2 倍，即需要 1000 萬站小基站。按照每個小基站需要 2 個放大器，小基站建設進度落后宏基站 1 年測算，到 2024年基站端 GaN 射頻器件規(guī)模達到峰值，可達 9.4 億元。

2020-2025年中國 5G 小基站 GaN射頻器件市場規(guī)模預測

數據來源：公開資料整理

    1、電子電力器件

    GaN 作為第三代半導體材料，廣泛應用于功率電子器件中，根據調查數據顯示，2018 年 GaN 功率器件國際市場規(guī)模中，電源設備領域占比 55%，其次是激光雷達，占比達到 26%，其他下游應用如包絡跟蹤、無線電源等。目前我們使用的電子及電源設備，如個人電腦適配器、音頻/視頻接收器和數字電視等，有著占用空間大、不美觀、發(fā)熱導致電量損耗等缺點，而 GaN 能夠減少電源體積，同時提升效率。

    不僅如此，GaN 在電源設備的應用還包括手機的快速充電及無線充電等，我們認為隨著消費電子朝小型化，智能化發(fā)展，GaN 將擁有更多應用場景。

2018 年GaN 功率器件國際市場分布占比

數據來源：公開資料整理

    2018 年 GaN 功率電子器件國內市場規(guī)模約為 1.2億元，尚處于應用產品發(fā)展初期，但未來市場空間有望持續(xù)拓展，在市場樂觀預期下 2023年 GaN 功率電子市場規(guī)模有望達到 4.24 億美元。

    2、其他需求

    GaN 和 SiC 器件進入光伏市場，將為小型系統(tǒng)帶來更大的競爭優(yōu)勢，主要包括：更低的均化電力成本，提升通過租賃和電力購買協(xié)議而銷售的電能利潤。此外，這些器件還能改善性能和可靠性。據調查數據顯示，受太陽能模組的下游需求驅動，寬禁帶半導體——即碳化硅(SiC)和氮化鎵(GaN)將引領太陽能逆變器隔離器市場在 2020 年達到 14 億美元。

    在軍用市場，GaN 射頻器件需求快速增長，據調查數據顯示，僅戰(zhàn)斗機雷達對 GaN 射頻功率模塊的需求就將達到 7500 萬只。目前，美國海軍新一代干擾機吊艙及空中和導彈防御雷達（AMDR）已采用 GaN 射頻功放器件替代 GaAs 器件。預測，2020 年末，GaN 射頻器件市場規(guī)模將達到 7.5 億美元，年均復合增長率 20%。

    相關報告：智研咨詢發(fā)布的《2020-2026年中國氮化鎵(GaN) 行業(yè)市場分析預測及投資機會預測報告》