圆融光电 第三代半导体氮化镓助力5G、快充、UVC！

第三代半导体材料主要是以碳化硅、氮化镓、氧化锌、金刚石、氮化铝为代表的宽带隙半导体材料。

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带隙、更高的击穿电场、更高的热导率、更高的电子饱和速度和更高的抗辐射能力，更适合制造高温、高频、抗辐射和大功率器件。

氮化镓是一种极其稳定的化合物，是一种坚硬的高熔点材料，熔点为1700℃。氮化镓具有优异的击穿能力、较高的电子密度、电子速度和较高的工作温度。氮化镓具有3.4电子伏的宽能隙，具有低传导损耗和高电流密度的优点。

氮化镓通常用于微波射频、电力电子和光电子。具体来说，微波射频方向包括5G通信、雷达预警、卫星通信等应用；电力电子包括智能电网、高速轨道交通、新能源汽车、消费电子等应用；光电方向包括LED、激光、光电探测器等应用。

01

射频应用分析

自从20年前出现第一批商用产品以来，氮化镓已经成为低密度聚氧乙烯和GaAs在射频功率应用方面的重要竞争对手，其性能和可靠性不断提高，成本不断降低。目前主导射频GaN市场的GaN-on-sic已经突破了4G LTE无线基础设施市场，有望部署在5G Sub 6 GHz实现的RRH。

氮化镓在高温、高频和高功率射频应用中具有独特的优势

与4G系统相比，5G mMIMO的收发机和天线单元更多，采用波束形成信号处理向用户传递射频能量。mMIMO系统可以将192个天线单元连接到64个发射/接收FEM，这些trxfems有16个RFIC收发器和4个数字前端小型基站。GaN射频市场将从2018年的6.45亿美元增长到2024年的20亿美元，主要是电信基础设施和国防的应用推动，卫星通信、有线宽带和射频功率也做出了一定的贡献。

随着基于氮化镓的新型有源电子扫描阵列雷达系统的实施，基于氮化镓的军用雷达有望主导氮化镓的军事市场，从2018年的2.7亿美元增加到2024年的9.77亿美元，CAGR达到23.91%，具有巨大的增长潜力。氮化镓无线基础设施的市场规模将从2018年的3.04亿美元增加到2024年的7.52亿美元，CAGR将达到16.3%。氮化镓有线宽带市场规模从2018年的1550万美元增长到2024年的6500万美元，CAGR达到26.99%。氮化镓射频功率的市场规模从2018年的200万美元增长到2024年的1.046亿美元，CAGR为93.38%，增长很快空。

氮化镓有望在要求高频率和高功率输出的卫星通信中逐步取代GaAs解决方案。在有线电视和民用雷达市场，GaN的成本仍高于LDMOS或GaAs，但附加值明显。GaN-on-si可以为代表GaN的巨大的高性价比射频功率传输市场提供更具成本效益的解决方案。

氮化镓射频市场:以美国和日本为主，欧洲次之，中国刚刚进入

据Yole统计，2019年，全球3750多项专利可分为1700多个专利家族。这些专利涉及射频氮化镓外延、射频半导体器件、集成电路和封装。克里拥有最强的专利实力，在氮化镓HEMT射频应用的专利竞争中处于领先地位，尤其是氮化镓碳化硅技术，远远领先于其主要专利竞争对手住友电气和富士通。目前，Intel和MACOM是射频GaN最活跃的专利申请人，主要专注于GaN-on-Si技术。GaN RF HEMT相关专利的新进入者主要是中国厂商，如HiWafer、Sanan integration、华金创维等。

02

电力电子应用分析

氮化镓技术有望极大地改善电源管理、发电和功率输出等应用。2005年，约30%的能源管理在电力电子领域，预计到2030年，这一数字将达到80%。这相当于节约了30多亿千瓦时的电量，可以支持30多万户家庭使用一年。从智能手机充电器到数据中心，所有直接从电网获取电力的设备都可以受益于氮化镓技术，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的高压大功率应用中具有优势，而GaN器件更适合40-1200V的高频应用，尤其是600V/3KW以下的应用。因此，在微型逆变器、伺服、电机驱动和不间断电源领域，氮化镓可以挑战传统场效应晶体管或IGBT器件的地位。氮化镓使电力产品更薄、更高效。

氮化镓可以为下一代充电器市场提供更好的选择

未来几年GaN将在很多应用中取代硅，其中快速充电是第一个可以大规模生产的应用。在600伏左右，GaN在芯片面积、电路效率、开关频率等方面的性能明显优于硅，因此可以在壁式充电器中替代硅使用。5G智能手机的屏幕越来越大，对应着手机寿命的不断增长的需求，意味着电池容量的增加。GaN快速充电技术可以解决大电池带来的充电时间问题。

与硅相比，氮化镓在极高的电压、温度和开关频率下具有优异的性能，可以显著提高能效。Power GaN出现在2018中后期的售后市场，主要是Anker、Aukey、RAVpower的24-65瓦充电器。

经过20世纪90年代对分立氮化镓和2000年对集成氮化镓的多年学术研究，纳维塔斯的GaNFast源集成电路已经成为业界公认的、对商业有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。单桥半桥氮化镓快速功率集成电路是一种由驱动器和逻辑单片集成的650伏硅基氮化镓场效应晶体管，采用四方扁平无引脚封装。GaNFast技术允许开关频率高达10兆赫，从而允许使用更小和更轻的无源元件。此外，寄生电感限制了Si和早期分立GaN电路的开关速度，集成可以最大限度地减小延迟，消除寄生电感。

到2024年，氮化镓电源市场将达到3.5亿美元，CAGR将达到85%

根据Yole的预测，在消费者快速充电器应用的推动下，到2024年，氮化镓电源的市场规模将超过3.5亿美元，CAGR将达到85%，增幅很大空。此外，氮化镓有望用于汽车、工业和电信电源应用。从生产方面来说，GaN功率半导体已经批量出货，但是价格还是比较贵。制造成本是市场增长的主要障碍，因为今天氮化镓仍然主要使用6英寸及以下的晶片。一旦成本可以降低到一定的门槛，市场就会爆炸。

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电力市场的快速增长。氮化镓功率器件一直由纯氮化镓初创企业主导，如EPC、氮化镓系统、Transphorm和Navitas，其产品主要由TSMC、Episil或X-FAB制造。在中国的新铸造厂中，三安集成和海威华新具有大规模生产氮化镓功率器件的能力。

03

光电领域的应用分析

1993年，中村修二尼西亚公司推出了第一款高亮度氮化镓蓝色发光二极管，解决了自1962年发光二极管问世以来缺乏高效蓝光的问题。1996年，蓝色LED首次涂上黄色荧光粉实现白光发射，开启了LED白光照明的新时代。

微型LED是新一代显示技术，比现有o LED技术亮度更高，发光效率更好，但功耗更低。微型LED显示技术可以使LED结构设计薄、小、阵列化，尺寸只有1~100μm左右，但精度可以达到传统LED的1万倍。另外，微型LED在显示特性上与o LED类似，不需要背光，可以自发光。唯一的区别是有机发光二极管是有机材料的自发光。目前，OLED受到各大厂商的青睐，因为它在反应时间、视角、灵活性、显色性、能耗等方面都优于TFTLCD，而Micro LED更容易精确调色，发光寿命更长，亮度更高。微型LED有望成为继o LED之后又一项提升显示质量的技术。

12英寸及以上的商用硅圆形晶体已经完全成熟。随着高均匀性MOCVD外延大腔的引入，将硅基LED外延升级为更大的圆形晶体尺寸并没有本质上的困难。因此，硅基氮化镓技术的特性是制造微型发光二极管芯片的自然选择。

氮化镓因其高频特性是制备紫外器件的良好材料，紫外光电芯片具有广泛的军事和民用用途。在军事领域，典型的军事应用包括:灭火抑爆系统、紫外制导、紫外告警、紫外通信、紫外搜救定位、飞机着陆制导、空探测、核辐射和生物战剂监测、爆炸物探测等。在民用领域，典型的应用有火焰检测、电晕放电检测、医疗监测诊断、水质监测、大气监测、刑事生物检测等。由此可见，氮化镓在光电子和微电子领域有着广泛的应用，其中氮化镓基紫外激光器在紫外固化、紫外杀菌等领域具有重要的应用价值，也是国际上的研究热点。

氮化镓光电市场发展迅速，市场规模有望扩大

据莱德内分析，2018年至2023年CAGR的LED照明市场规模为6%。物联网和5G新时代，智能产品普及率快速提升，智能家居照明商机即将爆发。此外，2022年微型LED和迷你LED的市值预计将达到13.8亿美元。下一代Mini LED背光技术将是各厂商的发展重点，预计到2023年Mini LED的市场规模将达到10亿美元。其中，显示应用增长速度最快，预计2018年至2023年CAGR将超过50%。

据LEDinside发布的《2019年深紫外LED应用市场报告》显示，2018年全球UV LED市场规模将达到2.99亿美元，预计2023年市场规模将达到9.91亿美元，2018-2023年CAGR将达到27%。紫外发光二极管广阔的发展前景正吸引越来越多的制造商进入。

基于氮化镓半导体的深紫外发光二极管是紫外线消毒光源的主流发展方向。它的光源体积小，效率高，寿命长。只有拇指盖大小的芯片模块才能发出比汞灯更强的紫外光。由于具备LED冷光源的所有潜在优势，深紫外LED被公认为未来替代紫外汞灯的绿色节能环保产品。但深紫外LED技术的门槛很高，目前还处于发展阶段，在光功率、光效、寿命、成本等方面都有待提高。近年来，深紫外LED的技术水平和芯片性能取得了快速的进步，在一些高端领域得到了批量应用，有望在未来得到广泛应用。

目前市场上的高端深紫外LED产品仍然以日韩厂商为主，但越来越多的国内半导体公司已经开始关注深紫外行业，并进行深度布局。比如，布局深紫外芯片封装模块产业链的青岛捷盛，深紫外LED芯片的三安光电、湖北深紫、中科六安、华灿光电、李鸿冰夷，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。镓敏光电研发的高端氮化镓和碳化硅紫外敏感芯片已投入大规模生产，广泛应用于饮用水、空气体、食品、服装、医疗器械等紫外净化领域。

04

摘要

5G基站的大规模建设对GaN射频的需求很大，全球GaN射频市场主要被住友电气和Cree占据，其中住友电气是华为GaN射频器件的最大供应商。国内厂商在GaN射频领域比较弱，但是厂商不多。

GaN电力市场主要以快充驱动，其增长强度主要与国内手机厂商在GaN快充方面的推广力度有关。目前，今年米OV及其部分附属品牌的旗舰机将配备GaN快充作为标配，预计今年将推出GaN快充的出货。小米的GaN快充的功率IC由美国厂商Navitas提供，功率IC主要由国外厂商控制，而国内厂商在GaN功率器件的OEM方面有一定布局。

手稿来源:未来智库

图片来源:Paixin.com

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