第三代半导体GaN产业链专题研究报告

来源：中国平安
发布时间：2021/05/30
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一、或跃于渊：GaN将领跑第三代化合物半导体市场

什么是第三代化合物半导体

第三代半导体是指化合物半导体，包括SiC(碳化硅)、GaN（氮化镓）、ZnO（氧化锌）、GaO（氧化镓）、AlN（氮化铝），以及金刚石等宽禁带半导体材料（导带与禁带间能隙差Eg>2.3eV）。第三代半导体具有高击穿电场、高热导率、高电子迁移率、高工作温度等优点。以SiC和GaN为代表物质制作的器件具有更大的输出功率和更好的频率特性。

主要氮化镓器件的参数对比

硅基和碳化硅基的器件将率先商用：虽然基于GaN衬底的 GaN器件，在各个性能指标都处于领先水平，但是衬底价格过高。所以硅基和碳化硅基的 GaN器件将会率先商用。

氮化镓材料性能优异，应用市场广泛

氮化镓（GaN）可同时涵盖射频和功率领域，特别是在高功率和高频率领域应用效果特别出色，与其他化合物半导体材料相比，具有较高投资价值。以氮化镓为材料的功率半导体器件可广泛应用于工业、通信、计算机、消费电子、汽车电子、航空航天、国防军工等传统产业领域。

二、射频通信：5G通信驱动技术升级，GaN将逐步替代LDMOS

氮化镓将成为5G射频器件的主要材料

使用GaN制作的功放产品的输出功率和效率都显著优于其他材料（GaAs、LDMOS）制作的功放产品；频率响应曲线的平坦持续范围最宽。正是由于GaN优秀的材料特质，毫米波、MassiveMIMO、波束合成以及载波聚合等5G移动通信中使用到的核心基础技术最后都将使用GaN材料制作功率放大器产品。

GaN材料在射频产品的渗透率将逐步提升

射频器件材料主要有三种：GaAs ，基于 Si 的 LDMOS以及GaN 。GaAs器件的缺点是器件功率较低，低于 50W；LDMOS 器件的缺点是工作频率存在极限，最高有效频率在3GHz以下；GaN弥补了GaAs和Si基LDMOS两种老式技术之间的缺陷，在体现 GaAs 高频性能的同时，结合了Si基LDMOS的功率处理能力。随着GaN材料工艺的成熟和成本的下降，GaN在射频市场的渗透率将提升，预计到2025年将达到50%左右。

全球GaN射频器件市场将保持12%的增速，预计2025年达20亿美元

2019年-2025年，GaN射频器件市场将保持12%的增速增长，预计2025年达20亿美元。通信和军工是推动GaN射频器件市场增长的主要驱动力， 2025 年通信市场规模占比 36.6%,军工占比55.5%。2025年，全球通信射频前端市场规模将达36亿美元，其中功放市场15亿美元，GaN在功放市场的渗透率将超过50%。

三、功率器件：消费电子率先突破，中高压领域或后来居上

提高效率并实现小型化是GaN在功率器件领域的目标

GaN器件的转换效率高：由于导通电阻小，使用GaN器件制作的功率器件转换效率将显著提升，显著降低电力损耗情况，达到节能的效果。GaN器件的体积将显著降低：由于导通电阻小、可在高温环境下共奏以及效应速度快，器件体积将显著降低。

GaN功率器件有望在低压领域代替硅基功率器件

GaN功率器件在中低压领域优势较为明显：由于SiC衬底价格比较昂贵，目前大多数GaN功率器件均采用Si衬底；采用GaN-on-Si的功率器件工作电压在1000V以下，成本在1美金左右。因此，GaN功率器件在低压领域（0-900V）首先商用，替代传统的硅基功率器件。潜在市场规模约300亿美元：按照工作电压来分类，全球功率器件的68%左右应用在0- 900V的低压领域；以2021年442亿美元的功率器件市场来看，GaN功率器件的潜在市场规模约300亿美元。

GaN功率器件在充电器产品的潜在市场规模约80亿美金

GaN器件制作的充电器体积小、重量轻，在发热量、转换效率上比硅基器件制作的充电器有显著的优势，大大改善了用户的使用体验。GaN功率器件的应用目标主要为笔记本电脑、手机、平板等电源；目前来看，基于 GaN的充电器将成为首选。全球每年充电器销售量大约为40 亿只，按照每个充电器使用2个芯片，每芯片1美金估算，GaN在快充市场潜在规模大约为80亿美金。

GaN功率器件在数据中心行业具有可观的降本增效空间

提升效率：GaN器件制作的服务器电源，相比于硅基产品，功率密度可以提升2.8倍，转换效率可以提升7个百分点。

降低成本：服务器用电是数据中心最主要的成本，占比约50% 左右，使用GaN电源后，单机柜年度电费可降低2400元。

提高收入：使用GaN电源后，单机柜可装服务器数量由30个提升到34个，对于IDC服务商来说，单机柜租金增长空间约13%。

GaN功率器件在新能源车领域的应用可能提前

由于硅基GaN功率器件的工作电压较低，而耐高压的SiC基GaN功率器件又比较贵，因此法国 Yole公司预估，GaN功率器件要到2025年后，才有可能在电动车上部署。

GaN功率器件在新能源车上的应用将提前： IMEC实验室在4月29日宣布了工作电压可达 1200V的硅基GaN外延片；若是商业化顺利，硅基GaN功率器件在新能源车上的应用将提前。

全球GaN功率器件市场将保持70%的增速，预计2025年达11亿美元

2020年-2026年，GaN功率器件市场将保持70%的增速增长，预计2026年达11亿美元。通信和消费电子是推动GaN功率器件市场增长的主要驱动力， 2026 年通信市场规模占比 20.3%,消费电子占比61.1%。传统车和新能源车会是GaN功率器件应用的一个全新场景， 2026年，市场规模会从2020年的30万美元增加到1.6亿美元。

硅基氮化镓外延技术壁垒高，难以在短期掌握

硅基氮化镓外延片技术壁垒高：生产是系统性工程，原材料配方设计、制造工艺技术、配套设备工艺设计、自主研发能力、资本实力、产业链资源等各方面的能力储备缺一不可。

行星式反应炉的控制难以在短期内掌握：生产过程当中，需要：使晶圆片受热均匀、控制好掺杂浓度要控制好、控制晶圆上下面的温差、控制衬底边缘的晶圆翘曲度。