行业|2020年第三代半导体行业研究报告半导体|研究报告|第三代|5g|2

一、第三代半导体 GaN：射频、电源、光电子广泛运用
第一代半导体材料主要是指硅（Si）、锗（Ge）元素半导体。
【行业|2020年第三代半导体行业研究报告】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，如铝砷化镓（GaAsAl）、磷砷化镓（GaAsP）等。还有一些固溶体半导体材料，如锗硅（Ge-Si）、砷化镓-磷化镓（GaAs-GaP）等；玻璃半导体（又称非晶态半导体）材料，如非晶硅、玻璃态氧化物半导体等；有机半导体材料，如酞菁、酞菁铜、聚丙烯腈等。
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。
1.2 GaN 优势明显，5G 时代拥有丰富的应用场景
氮化镓（GaN）是极其稳定的化合物，又是坚硬和高熔点材料，熔点为 1700℃。GaN 具有出色的击穿能力、更高的电子密度和电子速度以及更高的工作温度。GaN 的能隙很宽，为 3.4eV，且具有低导通损耗、高电流密度等优势。
氮化镓通常用于微波射频、电力电子和光电子三大领域。具体而言，微波射频方向包含了 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。
二、射频应用分析
2.1 GaN 在高温、高频、大功率射频应用中独具优势
自 20 年前出现首批商业产品以来，GaN 已成为射频功率应用中 LDMOS 和 GaAs 的重要竞争对手，其性能和可靠性不断提高且成本不断降低。目前在射频 GaN 市场上占主导地位的 GaN-on-SiC 突破了 4G LTE 无线基础设施市场，并有望在 5G 的 Sub-6GHz 实施方案的 RRH（Remote Radio Head）中进行部署。

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与 4G 系统相比，5G mMIMO 具有更多收发器和天线单元，使用波束赋形信号处理将射频能量传递给用户。mMIMO 系统可将 192 个天线单元连接到 64 个发送/接收（TRx）FEM，这些 TRx FEM 具有 16 个收发器 RFIC 和 4 个数字前端（DFE)，与典型的 LTE 4T MIMO 中的 4 个收发器相比，数字信号处理性能可提高 16 倍。5G mMIMO 设计下，急剧增加的信号处理硬件极大影响了系统尺寸，信号处理的功耗也在逼近板载功率放大器的功耗，在某些情况下，甚至已经超过了板载功率放大器的功耗。
mMIMO 设计有助于减少传统收发器架构中模数、数模转换所需的步骤，从而缩小 5G 天线的尺寸和重量。与 LDMOS 器件相比，硅基 GaN 提供了良好的宽带性能和卓越的功率密度和效率，能满足严格的热规范，同时为紧密集成的 mMIMO 天线阵列节省了宝贵的 PCB 空间。

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GaN 非常适合毫米波领域所需的高频和宽带宽，可满足性能和小尺寸要求。使用 mmWave 频段的应用将需要高度定向的波束成形技术，这意味着射频子系统将需要大量有源元件来驱动相对紧凑的孔径。GaN 非常适合这些应用，因为小尺寸封装的强大性能是 GaN 最显著的特征之一。
在高功率放大器方面，LDMOS 技术由于其低频限制只在高射频功率方面取得了很小进展。GaAs 技术能够在 100GHz 以上工作，但其低导热率和工作电压限制了其输出功率水平。50V GaN/SiC 技术在高频下可提供数百瓦的输出功率，并能提供雷达系统所需的坚固性和可靠性。HV GaN/SiC 能够实现更高的功率，同时可显著降低射频功率晶体管的数量、系统复杂性和总成本。
2.2 GaN 射频市场规模到 2024 年约为 20 亿美元，CAGR 达 21%
GaN 在射频市场更关注高功率、高频率场景。由于 GaN 在高频下具有较高的功率输出和较小的面积，GaN 已被射频行业广泛采用。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％，具有很大的增长潜力。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%，具有很大的成长空间。
在要求高频高功率输出的卫星通信中，预计 GaN 将逐渐取代 GaAs 解决方案。在有线电视（CATV）和民用雷达市场，与 LDMOS 或 GaAs 相比 GaN 的成本仍然较高，但其附加值显而易见。对于代表 GaN 巨大的消费级射频功率传输市场，GaN-on-Si 可提供更具成本效益的解决方案。
2.3 GaN 射频市场：美日统治，欧洲次之，中国新进
据 Yole 统计，2019 年全球 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。

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三、电力电子应用分析：推动快充、汽车电子进入小体积、高效率时代
3.1 GaN 在汽车电子上拥有多样的应用场景
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%。这相当于节约了 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于 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。因此，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。GaN 让电源产品更为轻薄、高效。
3.2 GaN 可为下一代充电器市场提供更优选择
GaN 在未来几年将在许多应用中取代硅，其中，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，因此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。
在非常高的电压、温度和开关频率下，GaN 与硅相比具有优越的性能，可显着提高能源效率。功率 GaN 于 2018 年中后期在售后市场中出现，主要是 Anker、Aukey 和 RAVpower 的 24 至 65 瓦充电器。

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在 1990 年代对分立 GaN 及 2000 年代对集成 GaN 进行了多年学术研究之后，Navitas 的 GaNFast 源集成电路现已成为业界公认的，具有商业吸引力的下一代解决方案。它可以用来设计更小、更轻、更快的充电器和电源适配器。单桥和半桥的 GaNFast 电源 IC 是由驱动器和逻辑单片集成的 650V 硅基 GaN FET，采用四方扁平无引线（QFN）封装。GaNFast 技术允许高达 10 MHz 的开关频率，从而允许使用更小、更轻的无源元件。此外，寄生电感限制了 Si 和较早的分立 GaN 电路的开关速度，而集成可以最大限度地减少延迟和消除寄生电感。
3.3 GaN 电源市场到 2024 年约 3.5 亿美元，CAGR 达 85％
据 Yole 预测，受消费者快速充电器应用推动，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。此外，GaN 还有望进入汽车及工业和电信电源应用中。从生产端看，GaN 功率半导体已开始批量出货，但其价格仍然昂贵。制造成本是阻碍市场增长的主要障碍，因为到今天 GaN 仍主要使用 6 英寸及以下晶圆生产。一旦成本可降低到一定门槛，市场就会爆发。
基于手机快充的激烈竞争，OPPO、vivo、小米等中国手机厂商将带动 GaN 功率市场快速增长。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

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四、光电子领域应用分析
4.1 GaN 是蓝光 LED 的基础材料，在 Micro LED、紫外激光器中有重要应用
1993 年，Nichia 公司中村修二推出了第一只高亮度 GaN 蓝光 LED，解决了自 1962 年 LED 问世以来高效蓝光缺失的问题，1996 年又首次在蓝光 LED 上涂覆黄色荧光粉从而实现白光发射，开启了 LED 白光照明的新时代。
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。Micro LED 显示技术可以将 LED 结构设计薄膜化、微小化与阵列化，尺寸仅约 1~100μm 等级，但精准度可达传统 LED 的 1 万倍。此外，Micro LED 在显示特性上与 OLED 类似，无需背光源且能自发光，唯一区别是 OLED 为有机材料自发光。目前 OLED 受各大厂商青睐，是因为在反应时间、视角、可挠性、显色性与能耗等方面均优于 TFTLCD，但 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 有望继 OLED 之后，成为另一项推动显示品质的技术。
商用的 12 英寸及以上的硅圆晶已经完全成熟，随着高均匀度 MOCVD 外延大腔体的推出，硅衬底 LED 外延升级到更大圆晶尺寸不存在本质困难。因此，硅衬底 GaN 基技术的特性是制造 Micro LED 芯片的天然选择。

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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。在军事领域，典型的军事应用有：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。在民用领域，典型的应用有：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。由此可见，GaN 在光电子学和微电子学领域有广泛的应用，其中 GaN 基紫外激光器在紫外固化、紫外杀菌等领域有重要的应用价值，也是国际上的研究热点。
4.2 GaN 光电子市场成长快速，市场规模增量可期
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。此外，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 LEDinside 发布的《2019 深紫外线 LED 应用市场报告》显示，2018 年全球 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 达到 27%。UV LED 广阔的发展前景正吸引越来越多的厂商进入。
基于氮化镓半导体的深紫外发光二极管（LED）是紫外消毒光源的主流发展方向，其光源体积小、效率高、寿命长，仅仅是拇指盖大小的芯片模组，就可以发出比汞灯还要强的紫外光。由于其具备 LED 冷光源的全部潜在优势，深紫外 LED 是公认的未来替代紫外汞灯的绿色节能环保产品。但深紫外 LED 技术门槛很高，目前还是处于发展阶段，在光功率、光效、寿命、成本等方面还有待提升。近年来，深紫外 LED 的技术水平和芯片性能进步很快，在一些高端领域已经得到批量应用，未来预计会得到更加广泛的应用。
目前市场上高端的深紫外 LED 产品仍主要以日本、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，进行了深度布局。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、湖北深紫、中科潞安、华灿光电、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。
五、总结
5G 基站的大规模建设对于 GaN 射频有巨大需求，全球 GaN 射频市场主要由住友电工（第一）、Cree（第二）占据，其中住友电工是华为 GaN 射频器件的第一大供应商。国产厂商在 GaN 射频领域相对弱势，但已有不少厂商布局。
GaN 功率市场主要由快充带动，其增长强度主要与国产手机厂商在 GaN 快充方面的推进强度相关。目前来看，今年米 OV 及其部分附属品牌的旗舰机都将标配 GaN 快充，GaN 快充出货量有望在今年铺开。小米的 GaN 快充的电源 IC 由美国厂商 Navitas 供应，电源 IC 主要由国外厂商把控，国内厂商在 GaN 功率器件代工方面有所布局。