半导体材料从上世纪50年代以来经历了三次重大的革命性升级,使得半导体器件性能不断升级,最终形成了现在人们常见的各种功能强大、集成度极高的电子设备,彻底改变了人类的生活、通信、消费、娱乐等生活中的方方面面。

早期以硅材料为代表的第一代半导体材料是半导体产业发展的基石,时至今日硅材料因为成本低廉、加工提纯工艺简单、可以大批量大尺寸制造等优点仍然是应用最广泛的半导体材料。然而硅材料本身也存在比较明显的短板,硅的禁带宽度(禁带宽度是指半导体内价电子本征激发所需的最小能量,也就是价键束缚的强弱,一般半导体材料禁带宽度越高,其耐高温、高压,抗辐射干扰等恶劣工况的能力也就越强)常温下仅1.12电子伏特(eV),因此在高温、高电压和辐射干扰下,硅器件的稳定性会有明显下降。同时由于硅材料中电子迁移率和击穿电场均较低,硅材料在光电领域和高频大功率设备方面使用受到诸多限制。

因此,在上世纪90年代,以砷化镓(GaAs)、锑化铟(InSb)、磷化铟(InP)为代表的的第二代半导体材料逐渐被关注起来,这些材料的元素都位于化学周期表的III、V主族(B、Al、Ga、In、Tl和N、P、As、Sb、Bi),所以又称III-V族化合物半导体。以砷化镓为例,GaAs的禁带宽度为1.4eV,要好于硅的1.12eV,同时电子迁移率是硅的6倍多,导致GaAs高频、高速性能较硅材料更好,可以用在频率在250GHz以上的场合,在无线通信、卫星导航、微波连线、雷达、光电等诸多领域应用空间很大。但是第二代半导体也不是绝对理想的材料,首先GaAs的高温稳定性不强,容易分解,这就很大程度上限制了其在恶劣环境下的适用性。其次,GaAs的成本相较硅片要高得多,并且由于是化合物,缺陷率很高,一直还没法替代硅作为半导体的基础材料。加之砷元素本身也是剧毒元素,GaAs材料制造、使用都存在一定的污染问题。


图表1 GaN化学结构示意图




资料来源:互联网;国都证券


在2000年之后,以氮化镓(GaN)和碳化硅(SiC)为代表的第三代材料成为半导体领域的新宠。其中GaN具有禁带宽度大、导热率高、抗辐射、耐高温、耐高电压等优点,在恶劣工况下的适用性更好,更适用于如户外基站、新能源汽车车载、轨交设备、智能电网等外部环境较不稳定的情况使用。另外像GaN本身电子饱和速度快,载流子迁移率高可以保证更高的频率,使得GaN比二代半导体如GaAs在射频器件上能表现出更好的适用性,相较GaAs表现除了更好的对高频和高功率环境的适用能力。

另外相较于同属第三代半导体材料的SiC,GaN其实应用研究要晚一些,但是实际应用却比SiC更多更普遍,主要有两个原因。其一是GaN在降低成本方面更有优势,GaN器件能够使用便宜的Si材料作为底衬,在成本上使用GaN材料制造的器件与传统使用Si材料的同类器件相差无几,比SiC材料具有更好的性价比。其二是GaN器件是平面器件,与现在使用最广反的Si半导体在工艺上兼容性强,能够比较完美的实现与其他半导体器件的集成,制成集成化的模块,能够有效降低用户的使用门槛。因此GaN在三代半导体材料中,也是最广为看好的材料。


图表2 GaNGaAsSiC等材料元器件工作频率和功率适用范围比较图



资料来源:Yole Developpement;国都证券


5G基站需要使用大量的第二、三代半导体器件,由于5G基站中装备的大规模天线阵列,需要更多性能更强的配套射频收发单元阵列,导致射频器件的需求量大幅提升,同时由于基站集成度较高,模块之间的电磁辐射干扰也比较强,增加天线阵列难免加大对射频器件抗干扰能力的需要,在这种情况下,GaN、SiC、GaAs、InP是5G基站中常见半导体材料。而且与GaAs和InP两种前辈相比,GaN器件输出功率更大,耐高温和抗干扰性能更好,与同辈的SiC 相比,频率特性更好。同时GaN器件的瞬时带宽也更高,这点对于5G通信的需求特别贴合。加之高能量密度,GaN器件可以做到体积小,集成度高,在5G基站使用需求增长显著。


图表3 2018年至2024GaN射频器件市场预测




资料来源:Yole Developpement;国都证券

从研究机构Yole Developpement的研究来看全球2018年GaN射频元器件市场规模约有6.3亿美元,其中军用GaN射频约占了整个GaN市场的一般,总计3.31亿美元;而GaN在无线通信基建应用占比仅次于军事运用,市场规模达2.39亿美元,而其他应用如卫星通讯、有线宽带等运用则规模较小。而到2024年,全球GaN预计可以达到20.2亿美元,年复合增长率达到21%,其中军工运用超过10.53亿美元,而无线通信基建也可达到7.16亿美元。另外值得注意的是,GaN在RF Energy(如微波加热)领域的应用会从2018年仅200万美元的规模快速成长至2024年1.05亿美元的规模,成为GaN的第三大应用场景。

此外在功率应用领域,GaN材料在高电压、高温和高频率切换方面的先天优势,需求不断扩大。如目前在消费电子领域推广力度较大的快速充电技术,其充电功率从早期的20W级跃升至45W级为主流,而目前主要推广的65W级也有望很快渗透至各种电子产品的旗舰型号,包括手机、Pad,甚至未来出现百瓦级充电器,将实现充电设备的通用化,从笔记本到手机、Pad和其他可穿戴设备使用统一充电器设备。而在这种功率提升下,传统Si材料已经不能满足设备的紧凑度和散热性要求,GaN成为理想的替代材料。

图表4 小米新发布的65W快充充电器,可支持笔记本、手机、Pad等多种电子设备



资料来源:互联网;国都证券

目前GaN产业中三个主要应用方向光电、射频和电源主要核心参与者皆以美日企业为主,中国企业和研究机构多为新进势力。目前专利和研发能力最强的为美国Cree(Wolfspeed)公司,公司是全球SiC功率器件第一大供应商和GaN射频器件第二大供应商,公司的GaN HEMT器件年出货量超过1500万只。全球GaN射频器件第一大供应商则是日本住友电工,主要生产GaAs低噪声放大器(LNA)、GaN放大器、光收发器及模块,公司也是华为GaN射频器件第一大供应商。此外还有Navitas在GaN功率IC方面处于领导地位,如本月小米发布的65W快充即使用的Navitas的IC芯片。

图表5 全球硅基底衬GaN器件参与者格局



资料来源:Yole Developpement;国都证券

图表6 GaN射频器件全球研发能力比较图




资料来源:Yole Developpement;国都证券

目前国内氮化镓产业仍处于初级阶段,虽然在GaN制造技术方面取得一些突破,但是与国际先进水平相比在衬底、外延材料、器件的整体水平等方面仍然有三年左右的差距,有很大的增长空间。国家为大力发展以GaN、SiC为代表的第三代半导体产业,由国务院和科技部、工信部、发改委等各部委,以及地方政府陆续出台了一系列推动第三代半导体材料产业发展的支持政策,加快产业的快速增长。

图表7 2016-2018年中国大陆第三代半导体材料相关支持政策



资料来源:CASA中信证券;国都证券

目前A股上市公司中,参与GaN材料、器件制造的企业不多,目前规模较大的器件供应商有三安光电子公司三安集成,其产能规划为 30 万片/年 GaAs 高速半导体外延片、30万片/年 GaAs 高速半导体芯片、6 万片/年 GaN 高功率半导体外延片、6 万片/年 GaN 高功率半导体芯片。另外三安集成已经在微波射频领域建成4英寸、6英寸的化合物晶圆制造产线,同时也推出了SiC和GaN-on-Silcon功率器件产品。

在晶圆代工领域,目前海特高新的子公司海威华芯则已建成6寸化合物生产线,并完成了GaN、SiC、GaAs、InP等多种第二、三代半导体化合物生产工艺的开发。目前公司的应用于5G基站的GaN元器件已经通过性能验证,处于小批生产阶段,未来随着5G建设的推进,还有很大的增长空间。

此外闻泰科技通过收购安世半导体已经拥有了全套的GaN生产制造能力,安世半导体作为全球率先批量供应GaN场效应晶体管的制造商,其在GaN半导体器件的制造研发能力不容小觑。

另外如华润微(科创板待上市)在2017年完成对中航(重庆)微电子有限公司的收购,拥有8英寸硅基氮化镓生产线和国内首个8英寸600V/10A GaN功率器件产品,可用于电源管理。士兰微在2017年也打通了一条6英寸的GaN-on-Silcon功率器件生产线。耐威科技也在去年年底宣布拟在青岛建设一条6英寸氮化镓微波器件生产线和一条8英寸氮化镓功率器件生产线。


追加内容

本文作者可以追加内容哦 !