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巨·研究 | 氮化镓消费领域应用崭露头角 应用处于爆发前期

2020-02-21 15:59
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导读:

小米10近期成功发布,其中氮化镓充电器,打开了氮化镓作为功率器件衬底材料的应用先河,氮化镓具有的禁带宽度大、热导率高、耐高温等多种优点将逐渐进入功率器件相关产业,应用处于快速增长期,今天我们就重点来看一看。

氮化镓是什么?

GaN 是一种新型半导体材料,和 SiC 同属于第三代高大禁带宽度的半导体材料,和第一代的 Si 以及第二代的 GaAs 等相比,其在特性上优势突出。它具有 禁带宽度大、热导率高、耐高温、抗辐射、耐酸碱、高强度和高硬度等特性,在早期广泛运用于新能源汽车、轨道交通、智能电网、半导体照明、新一代移动通信。

近年来,随着技术进步和市场需求扩大逐渐将 GaN 导入了快充充电领域,常见于USB PD 快充等中高端产品,在输入电压为 100 V 或更低的应用中。

▲氮化镓器件分类及应用领域

应用领域拓展空间大 规模增长速度高

由于 GaN 各方面的特性,使得 GaN 在射频器件、功率器件等领域都表现出其强劲的渗透能力。

射频领域

氮化镓的频率特性好、瞬时带宽更高、速度更快、可以实现更高的功率密度。对于既定功率水平,GaN 具有体积小的优势。有了更小的器件,就可以减小器件电容,从而使得较高带宽系统的设计变得更加轻松。射频电路中的一个关键组成是 PA(功率放大器)。从目前的应用上看,功率放大器主要由砷化镓功率放大器和互补式金属氧化物半导体功率放大器(CMOS PA)组成,其中又以 GaAs PA 为主流,但随着 5G 的到来,砷化镓器件将无法满足在如此高的频率下保持高集成度。

▲GaN 射频器件市场发展

功率器件

GaN 也广泛应用于功率器件市场。GaN 主要应用于低压环境中的功率器件,高压环境主要使用 SiC 材料,600-900V 为两者的竞争市场。相比 SiC,GaN 在成本方面表现出更强的潜力,且 GaN 器件是个平面器件,与现有的 Si 半导体工艺兼容性强,这使其更容易与其他半导体器件集成。

▲GaN 和 和 SiC 对应用 电压 范围的市场细分

▲功率器件低压占比高 未来渗透空间大

根据 2017 年功率器件的市场结构情况,低压功率器件市场占比高达 68%,高压功率期间市场占比低,因此 GaN 的低压功率器件市场空间大。

▲GaN 功率器件应用领域及市场空间

目前,GaN 功率器件的市场份额在各应用领域占比比较平衡,电源供给方面的器件增长最快,预计到 2022 年会占有一半以上份额。2019-2022 年整个电源市场的复合增长率高达 91%。

功率器件2017-2023年市场增速高

GaN 功率器件处于技术研发向商用推广的发展期,过去几年不断有厂商发布 GaN 产品,按照Yole 对 GaN 功率器件市场的预测分为稳定增长型(#1)和爆发式增长型(#2)两种,其中爆发式增长模型预计在 2023 年市场空间达到 4.3 亿美元。

▲氮化硅功率器件高速增长模型

根据 Yole 的统计及预测,2017 年全球 GaN 功率器件的市场空间约为 1000 万美金,预计到 2023 年,GaN 功率器件的市场空间可以达到 4.3 亿美元,对应 2017-2023 年复合增速达到约 约 87%。

小米推出氮化镓充电器 激发消费领域市场需求 产业链受益

目前,GaN 应用最广泛的是充电器。 采用了 GaN 元件的充电器体积小、重量轻,在发热量、效率转换上相比普通充电器也有更大的优势,大大的提升了消费者的使用体验。GaN技术是全球最快的功率开关器件,并且可以在高速开关的情况下仍保持高效率水平,能够应用于更小的元件,应用于充电器时可以有效缩小产品尺寸。

消费电子领域,全球首家采用 GaN 充电器的厂家是 OPPO 在 19 年 11 月发布 RenoAce 手机搭载的 65W 快充,在提升充电效率的同时减小体积。但该款是作为手机专用配件搭配手机使用。小米为第一家将GaN 充电器单独零售的手机企业,而且售价创下业内新低。小米的加入直接加速 GaN 充电器的渗透,各大手机厂商会马上跟进。未来如果苹果也开始采用氮化镓的充电器,氮化镓充电器的渗透率会加速上升。

在今年的 CES2020 上,包括 Anker 在内的 30 家厂商推出了 66 款氮化镓快充产品。

▲氮化镓充电器比传统充电器体积小重量轻

▲部分传统快充充电头与氮化镓充电头在重量、体积、价格上的对比

GaN 充电器相比传统快充充电器,其最大的优势便是在同等功率的情况下重量、体积、价格上均有优势,对于消费电子充电器品类有着较强的渗透能力,未来 100-200 元区间的 GaN 充电器将进一步对现有传统充电器乃至传统快充充电器进行替代,全面利好产业链。

GaN 产业链包括上游的衬底和外延环节、中游的器件和模块制造环节以及下游的应用环节。目前 IDM 厂商较多,包括德国英飞凌、美国 Cree、美国 Avogy、美国 Exagan和日本三菱电机等。随着行业的发展,GaN 功率器件领域涌现了一批初创设计企业,与拥有生产线的 IDM 企业或代工厂合作开发 GaN 器件产品,如 EPC、Transphorm、GaN System 等设计公司已与 On Semi、富士通半导体、台积电、X-Fab 等代工厂达成合作协议。

▲氮化镓功率器件产业链

▲氮化镓功率器件产业链上市公司

A股上市公

三安光电(600703)

公司主要从事Ⅲ-Ⅴ族化合物半导体材料的研发与应用,着重于砷化镓、氮化镓、碳化硅、磷化铟、氮化铝、蓝宝石等半导体新材料所涉及到外延、芯片为核心主业。

公司2018年年报中表示氮化镓射频涵盖 5G 领域,已给几家客户送样,产品已阶段性通过电应力可靠性测试,实现小批量供货。

公司全资子公司厦门市三安集成电路主要提供化合物半导体晶圆代工服务,工艺能力涵盖微波射频、电力电子、光通讯和滤波器四大产品领域,主要应用于 5G、大数据、云计算、物联网、电动汽车、智能移动终端、通讯基站、导航等领域。

海特高新(002023)

持股比例53.79%的子公司海威华芯是由公司和中电科29所共同打造的集工艺开发、器件模型制造于一体的第二代/第三代化合物半导体集成电路领域的开放平台,射频、光电、电力电子等都属于公司重点发展的业务领域。公司的产线设计一定程度为了满足股东层面更高性能指标的要求,工艺设定直指领先技术。

海威华芯是氮化镓芯片专利技术的第一梯队,专利总数达249项,其中过半数是发明专利,已完成多项工艺路线的技术开发工作,包括砷化镓、氮化镓和磷化铟工艺,其次在以市场为导向下,公司已开发5G中频段小于6GHz的基站用氮化镓工艺、砷化镓PPA15、PED25及硅基氮化镓功率器件,发布了毫米波频段用0.15um砷化镓工艺,三吋和六吋砷化镓VCSEL激光器工艺、电力电子用硅基氮化镓制造工艺也在2019年取得较大的进展。

公司目前已建成国内首条6吋化合物半导体商用生产线,实现了核心高端芯片自主可控及国产化替代,完成了包括砷化镓(GaAs)、氮化镓(GaN)、碳化硅(SiC)及磷化铟在内的6项工艺产品的开发。产能方面,当前公司砷化镓晶圆规划产能2000片/月,氮化镓规划产能600片/月。根据2019年半年报显示,海威华芯总资产和非流动资产分别为14.75亿元和13.74亿元,预计已达到折旧巅峰。

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(作者:赵玲 执业证书:A0680615040001)

责任编辑:lvg

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