2023氮化镓行业简析.docx

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1、2023氮化钱行业简析目录?氮化钱(GaN)定义11. 1.氮化钱材料定义11.2. 第一代半导体材料21.3. 第二代半导体材料21.4. 第三代半导体材料2?氮化钱技术及应用领域32. 1.概述32. 2.氮化铁衬底外延工艺42. 2.1.概述43. 2.2.氨化镇基氮化卷(GaN-On-GaN)42. 2.3,硅基氨化镣(GaN-On-Si)52. 2.4.碳化硅基氮化卷(GaN-On-SiC)52. 2.5.蓝宝石基氨化镇(GaN-On-SaPPhire)52. 3.氮化像(GaN)应用范围广泛5?国内外产业链日益完善6?氮化像下游应用73. 1.GaN在射频电子领域的应用74. 2.

2、5G基站助推GaN功率半导体业务增长85. 3.GaN在光电子领域的应用93.4.GaN在电力电子领域的应用103.4.1.快充带动GaN功率器件应用103.4.2.新能源汽车成为GaN功率半导体市场增长驱动力11?氮化钱(GaN)外延片产业链11?附件：中国氮化银(GaN)代表企业及业务13氮化钱(GaN)定义1.1.氮化锡材料定义氮化钱(GaN)是由氮和钱组成的一种半导体材料，因为其禁带宽度大于2.2eV,又被称为宽禁带半导体材料。氮化钱(GaN)外延片(GawUmNitride(GaN)EPiWaferS)是指在蓝宝石、硅、氮化硅和氮化钱等衬底上通过CVD设备、MBE设备、HVPE设备等

3、进行晶体外延生长、制成外延片，制成的外延片主要应用于光电，电子和电力和微波射频等领域，其中主要应用是光电领域。氮化钱(GaN)主要是由人工合成的一种半导体材料，禁带宽度大于2.3eV,也称为宽禁带半导体材料。氮化铁材料为第三代半导体材料的典型代表，是研制微电子器件、光电子器件的新型材料。1.2.第一代半导体材料第一代半导体材料主要是指硅(Si)、楮(Ge)半导体材料，兴起于二十世纪五十年代，带动了以集成电路为核心的微电子产业的快速发展，被广泛的应用于消费电子、通信、光伏、军事以及航空航天等多个领域。1. 3.第二代半导体材料第二代半导体材料是以碎化钱(GaAs)、锦化锢(InSb)为主的化合物

4、半导体，其主要被用于制作高频、高速以及大功率电子器件，在卫星通讯、移动通讯以及光通讯等领域有较为广泛的应用。神化钱和磷化锢半导体激光器成为光通信系统中的关键器件，同时碎化钱高速器件也开拓了光纤及移动通信的新产业。2. 4.第三代半导体材料第三代半导体材料包括了以碳化硅(Sie)、氮化钱(GaN)为代表的宽禁带化合物半导体。第一二代半导体材料工艺已经逐渐接近物理极限，在微电子领域的摩尔定律开始逐步失效，而第三代半导体是可以超越摩尔定律的。相比于第一代及第二代半导体材料，第三代半导体材料在高温、高耐压以及承受大电流等多个方面具备明显的优势，因而更适合于制作高温、高频、抗辐射及大功率器件。图2第三代

5、半导体性能比较在器件的性能对比上，GaN材料以及SiC材料在通态电阻以及击穿电压方面都具备较大的优势。氮化钱技术及应用领域2.1.概述第三代半导体材料应用可以分为微电子以及光电子领域，具体可以细分为电力电子器件、微波射频、可见光通信、太阳能、半导体照明、紫外光存储、激光显示以及紫外探测器等领域，有望突破传统半导体技术的瓶颈，与第一代、第二代半导体技术互补，对节能减排、产业转型升级、催生新的经济增长点将发挥重要作用。微波存储微光 显示可见 通信InGaN 太阳献半导体 照明产业范B件,无图3图4氮化钱技术及产业链图源：智慧芽2. 2.氮化钱衬底外延工艺2. 2.1.概述氮化钱最早是在1928年人

6、工合成出来的材料。但它的单晶生长很难，目前氮化钱衬底晶圆仍然偏贵。商业场景（LED/射频RF/功率器件）中使用的多是异质外延片。氮化铁器件所选用的衬底主要有Si、SiC、GaN.蓝宝石等，在此基础上进行氮化钱的同质外延或异质外延。硅（或碳化硅）衬底上生长硅（或碳化硅）外延层，衬底和外延相同材质称为同质外延；在硅（或蓝宝石，碳化硅）衬底上生长氮化家外延层称为异质外延。2. 2.2.氮化钱基氮化钱（GaN-On-GaN）GaN单晶衬底是外延GaN最理想的衬底，缺陷密度低，外延材料质量好。但GaN单晶生长设备要求高，控制工艺复杂，位错缺陷密度较高，良率较低，且相关技术发展较慢，GaN衬底片成本较高，

7、应用受到限制。主流GaN衬底产品以2英寸为主，4英寸也已经实现商用。2. 2.3.硅基氮化锡(GaNonSi)Si衬底成本低，GaN-On-Si生长速度较快，较容易扩展到8英寸晶圆；GaN-On-Si是硅基工艺，与CMOS工艺兼容性好，使GaN器件与CMOS工艺器件能很好地集成在一个芯片上，可以利用现有硅晶圆代工厂进行规模量产。GaN-on-Si外延片主要用于制造电力电子器件。3. 2.4.碳化硅基氮化锡(GaNonSiC)GaN-OnSiC结合了SiC优异的导热性和GaN高功率密度、低损耗能力，衬底上的器件可在高电压和高漏极电流下运行，结温将随RF功率缓慢升高，RF性能更好，目前多数GaN射

8、频器件的衬底都是SiC。受限于SiC衬底，目前尺寸仍然限制在4寸与6寸，8寸还没有推广。GaN-On-SiC外延片主要用于制造微波射频器件。2. 2.5.蓝宝石基氮化谷(GaN-On-SaPPhire)蓝宝石衬底通常采用MOCVD法外延生长GaN,主流尺寸为4英寸，主要应用在LED市场。在GaN器件中，衬底的选择对于器件性能起关键作用，衬底也占据了大部分成本，因而衬底是氮化铁器件降低成本的突破口。目前市场上GaN晶体管主流的衬底材料为Si、SiC和蓝宝石，GaN衬底由于工艺、成本问题尚未得到大规模商用。3. 3.氮化锡(GaN)应用范围广泛一一在功率器件、射频器件、显示领域应用广泛，支撑新基建

9、快速发展支撑“新基建”建设的关键核心器件:氮化钱是目前能同时实现高频、高效、大功率代表性材料，下游应用切中“新基建”中5G基站、特高压、新能源充电桩、城际高铁等主要领域高效电能转换，助力“碳达峰，碳中和”目标实现:第三代半导体可助力实现光伏、风电(电能生产)，直流特高压输电(电能传输)，新能源汽车、工业电源、机车牵引、消费电源(电能使用)等领域的电能高效转换,推动能源绿色低碳发展。图5氮化钱(GaN)的应用方向数据来源：苏州晶湛半导体国内外产业链日益完善器件模组I衬底(发光二管LED、场另应晶体管话:内的基三级管、.光二极*等)J应用场景,外M工艺I芯片工艺I封装工艺1美国安-Hf *4X w

10、oh、收号兜。EPiSTAR 元允q ep,s,l nMI.” 英“dS5rty苏华指憎泉序空吃电工 ；卜GC 启匚二二坛M*等州反体 At SYSTKMSK ( MUKII E 率身体YASKAWA j_中台充日内充* HUAWtI ANKTRSftZTE ? Q oppoE 2空整图6全球氮化镇(GaN)产业图谱图源：智慈芽从氮化线产业链公司来看，国外公司在技术实力以及产能上保持较大的领先。GaN龙头企业以IDM模式为主，其中Qorvo拥有自身的晶圆代工厂以及封测厂，在国防以及5G射频芯片领域具备较大优势，在2017年Qorvo最早推出39GhZ双通道GaNFET,并在2018年推出业内最

11、强GaN-on-SiC晶体管；Infineon则是专注于功率半导体领域，主要产品集中在6英寸GaN产线上，8英寸产线也在准备当中，公司是市场上唯一可以提供氮化像等全系列功率产品的公司。国内厂商包括苏州能华、华功半导体以及英诺赛科等，其中英诺赛科建成中国首条8英寸硅基氮化钱外延与芯片大规模量产生产线，公司产品在氮化钱快充领域具备国际领先的技术实力。GaN衬底市场主要由日本住友电工、三菱化学也以及新越化学主导，其市场份额占到90%以上，可以成熟提供4英寸以及6英寸GaN衬底，国内厂商包括苏州纳维以及东莞中铁，目前已经实现2英寸氮化钱衬底产品量产，对于4英寸氮化铁仍处于研发及试生产阶段，与国际领先厂

12、商技术还存在一定差距。市场上主流的GaN外延片供应商包括日本NTTAT,其可以提供用于大功率集成电路及高频率通信领域的高品质氮化保外延片；比利时公司EpiGaN可提供4、6英寸氮化钱外延晶圆，广泛用于5G通讯、高效电力电子、射频功率、传感器等领域，目前公司已经率先实现了8英寸硅基氮化钱晶圆量产，生产工艺处于行业先进水平。国内厂商包括晶湛半导体、苏州能华以及华功半导体等,其中晶湛已经建成了年产1万片6英寸氮化钱外延片生产线，在全球拥有超过150家著名半导体客户，技术实力已经向国际领先水平靠近。从事GaN芯片设计厂商包括EPC、GaNSys以及Navitas等公司，其主要是面向功率器件设计，安谱隆

13、以及RFHIC主要面向射频相关领域，其中安谱隆在2018年被中国资本以18亿欧元收购，极大提升了我国在GaN器件设计领域的实力。为设计公司提供晶圆代工的厂商包括稳懋、TSMC富士通、世界先进、Cree等，国内海威华芯、三安集成等新兴代工厂也具备GaN晶圆代工能力。?.氮化钱下游应用GaN下游应用广泛，主要有光电子领域、射频电子领域和电力电子领域。4. 1.GaN在射频电子领域的应用GaN射频器件主要应用于军用雷达、卫星通讯、5G基站等方面。根据Yole统计数据，2018年GaN整体市场规模为6.45亿美元，其中无线通讯应用规模为3.04亿美元，军事应用规模为2.7亿美元，未来在电信基础设施以及

14、国防两大应用的推动下，预计到2024年，GaN市场规模将增长至20.01亿美元，年复合增长率为21%,其中无线通讯应用规模将达到7.52亿美元，同比增长147.43%,射频相关应用规模从200万美元大幅增长至1.04亿元，增长近50倍。GMiRtary Wirelessinfrastructure Satellitecommunication,Wiredbroadband Commercialradar&avionics RFenergy Others图7全球GaN市场快速增长3.2.5G基站助推GaN功率半导体业务增长5G基站中主要使用的是氮化钱功率放大器和微波射频器件。GaN材料在耐高温、

15、耐高压及承受大电流方面具备优势，与传统通信芯片相比具备更优秀的功率效率、功率密度和宽频信号处理能力，应用在5G基站中更加合适。5G射频系统由于要使用到高频载波聚合以及高频带等多种新技术，整体系统复杂度大幅提高，因此使用GaN等新技术将大幅缩减系统功耗，图8中左侧为德化硅基MIMo天线，其由1024个元件构成，裸片面积为4096平方毫米，辐射功率为65dBm,如果采用GaN材料来制作，整体元件数量将减少至192个，裸片面积仅为250平方毫米，仍能保持辐射功率不变，虽然价格有一定程度的提高，但是功耗降低了40%,成本可以降低80%。, 65 dBm radiated power (EIRP)40% Less Power Consumed94% Smaller Di Area80% Lower CostGaN4)Md MIMOZkntenna1X5 cmTRlCDGaNAdvantagesformmW5GInfrastructureSimplifiesbasestationarchite