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              需求爆發,第三代半導體拐點臨近

              1833年,英國科學家法拉第發現硫化銀特有的與金屬相反的導電特性,拉開了半導體行業的大序幕。隨后的半個世紀,光生伏特效應、光電導效應、半導體整流效應逐步被發現。奠定了半導體行業的理論基礎。

              20世紀40年代,隨著第一個晶體管的發明,半導體產業進入快速發展期。隨后20世紀60年代,第一只發光二極管和半導體激光二極管的發明,開創了信息產業時代。

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              半導體材料發展至今經歷了三個階段:以硅(Si)為代表的第一代半導體材料,奠定了微電子產業的基礎;以砷化鎵(GaAs)為代表的第二代半導體材料,開創了微波射頻半導體的時代,奠定了通信半導體的基礎;以碳化硅(SiC)和氮化鎵(GaN)為代表的第三代半導體材料,實現了適應更高溫、高頻、抗輻射的大功率器件的制造。第三代半導體最主要的兩個材料是SiC和GaN,此外,還有眾多其它的高性能第三代半導體材料??傮w可分為III族氮化物(GaN, AlN、InN 、InGaN、InAlN、AlGaN、AlInGaN等)、氧化物半導體(包括ZnO, CaTiO3, IGZO, β-Ga2O3 ,TiO2)、金剛石半導體等。

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              第三代半導體又稱寬禁帶半導體,禁帶寬度在2.2eV以上,具有高擊穿電場、高飽和電子速度、高熱導率、高電子密度、高遷移率等特點。進一步滿足了現代工業對高功率、高電壓、高頻率的需求。

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              Si的制備工藝成熟、成本低廉、自然界儲備量大,應用廣泛。硅半導體器件,耐高溫和抗輻射性能較好,且Si提純與結晶方便,易形成高純度膜,絕緣性能較好。但Si元素的特性決定了只能做低頻、低壓、低功率或中功率晶體管、光電探測器。Si基IGBT可應用在高壓領域,但IGBT高頻特性較差。GaAs生長工藝較成熟,有較好的電子遷移率、帶隙等材料特性。適用于制作高速、高頻、大功率以及發光電子器件,是制作高性能微波、亳米波器件及發光器件的優良材料。但是禁帶寬度不夠大、擊穿電場較低,限制了其在高溫高頻和高功率器件領域的應用,且砷有毒,污染環境。第三代半導體耐高壓、耐高溫、抗輻射、導電性能強、工作頻率快、工作損耗低。適應高溫、高頻、抗輻射的大功率器件;藍、綠、紫光二極管、半導體激光器;成為5G時代主要微波功率器件的優良材質。但目前SiC生長溫度高,且質地堅硬,后續的切割、拋光等工藝難度大。此外封測等環節工藝制成仍不成熟,成本較高。但隨著技術的不斷進步,良率提升后可大規模推廣,目前行業處于爆發前夕。

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              // 第三代半導體為電氣化社會不可或缺的底層技術第三代半導體可廣泛應用于光電子器件、電力電子器件和微波半導體器件。光電子器件可用作發光二極管、激光器、探測器等方面,用途廣泛。電力電子器件是支撐現代工業的基礎性電子元器件。微波半導體器件中,微波射頻、功率放大器等均為電力電子與信息技術中不可或缺的底層技術。

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              電力電子器件又叫功率器件、功率半導體器件,是實現電能轉換、電路控制的核心器件,主要包括二極管、SBD、JBS、MOSFET、JFET、BJT、IGBT在汽車、工業控制、電力(光伏、風電、電網)、軌道交通、家用電器、航空航天等方面有廣泛的應用。第一代半導體硅適用于低電壓(60V及以下)和低功率,第三代半導體中GaN適用于電壓(60V—1200V)和中等范圍功率,SiC在1200V以上優勢明顯,Si基IGBT和SiC電力電子器件適用于中高電壓(1200V及以上)和高功率。

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              功率半導體的應用領域非常廣泛,根據Yole數據,2019年全球功率半導體市場規模為381億美元,預計到2022年達到426億美元,復合增長率為3.79%。2020年功率半導體市場規模達393億美元,占全球半導體市場的4%。

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              射頻功率組件需求強勁,有望進入快速發展期。在民用射頻器組件中,功率器件占據了較大的市場份額。而得益于5G基站建設、小型基站增補,射頻功率器件市場有望走出低潮,進入快速發展階段。根據Yole預期,射頻功率組件市場有望在2022年達到25億美元;而在這其中,基站設施與無線回程網絡等組件占比接近一半,2016-2022年間CAGR分別達到12.5%、5.3%。民用端的強勢需求,將在未來幾年持續推動射頻功率組件市場發展。

              // 國內政策持續助力第三代半導體關鍵技術突破及產業化“中國制造 2025”計劃中明確提出要大力發展第三代半導體產業。2015年5月。國家科技部、工信部、北京市科委牽頭成立第三代半導體產業技術創新戰略聯盟(CASA),對推動我國第三代半導體材料及器件研發和相關產業發展具有重要意義。近年來政策法規的出臺,為碳化硅半導體的發展提供了良好的政策環境,推動了碳化硅產業迅速發展。

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              SiC、GaN為第三代半導體代表,爆發拐點臨近


              // 潛在百億級市場空間,SiC新能源汽車為巨頭必爭之地
              1.SiC產業鏈壁壘高、流程長,國內起步晚與國外巨頭仍有較大差距碳化硅在早期因其硬度主要作為磨料使用,應用于半導體首先始于碳化硅單晶的制備方法革新。1955年飛利浦發明Lely法制備碳化硅單晶,此方法是之后所有改良碳化硅制備方法的鼻祖。上世紀六、七十年代,蘇聯引領了碳化硅的研究。1978年,蘇聯科學家發明Lely法改良版:PVT法。1979年,第一個碳化硅發光二極管問世,碳化硅開始應用于半導體行業。1997年美國公司Cree成功將碳化硅晶圓產業化。如今碳化硅已經廣泛應用于功率器件、5G射頻芯片等。

              我國第三代半導體起步晚,與國外巨頭仍有較大差距。2013年中國科技部863計劃將第三代半導體列入戰略發展產業。隨后政策與資金扶持相繼開展,催化我國第三代半導體產業向前快速發展。與國外差距逐步縮小。目前我國已經實現6英寸SiC襯底量產。

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              SiC 功率器件生產過程主要分為三步:第一步是碳化硅單晶的制造;第二步是在單晶晶圓的基礎上,對碳化硅襯底的加工和外延的制造;第三步是設計與制造碳化硅功率器件。對應的是產業鏈襯底、外延、器件與模組三大環節。SiC的下游應用偏向1000V以上的中高電壓范圍功率器件。

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              SiC晶體通常用Lely法和PVT法制造,國際主流產品正從4英寸向6英寸過渡,且已經開發出8英寸導電型襯底產品,國內襯底以4英寸為主。由于現有的6英寸的硅晶圓產線可以升級改造用于生產SiC器件,所以我們預計6英寸SiC襯底的高市占率將維持較長時間。SiC外延通常用化學氣相沉積(CVD)方法制造,根據不同的摻雜類型,分為n型、p型外延片。國內碳化硅產業鏈當中,碳化硅襯底和設計、封裝公司數量最多。提供設備、晶圓、外延制造等的公司較少。

              2.SiC功率半導體CAGR超30%,2025年可達25.62億美元碳化硅在半導體領域多用于功率器件。碳化硅功率器件以其優異的耐高壓、耐高溫、低損耗等性能,能夠有效滿足電力電子系統的高效率、小型化和輕量化要求,在電動車、充電樁、風電、光伏、5G基站、數據中心建設、軌道交通、智能電網等領域找到增長點。作為功率器件整體市場中最主要的細分市場之一,汽車領域也是SiC功率半導體最大的下游應用領域。2019年SiC功率半導體整體市場約5.41億美元,其中新能源汽車領域市場規模為2.25億美元,占整體的41.6%,且未來保持高速增長,2019-2025年CAGR高達38%,高于SiC功率器件整體市場增速。除了新能源汽車的直接拉動外,大功率充電樁對于SiC的需求更加旺盛,2019-2025CAGR高達90%。此外,軌道交通、儲能等領域均保持較高速度的增長。根據Yole Développement的預測,2025年,SiC功率半導體整體市場空間將達到25.62億美元,2019-2025年整體CAGR超過30%。

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              對于我國市場而言,功率器件的下游應用新增長點多在新能源汽車,家電和工控行業,其中車載功率器件的應用空間最廣。目前SiC器件在電動汽車上的應用主要是功率控制單元(PCU)、逆變器、DC-DC轉換器、車載充電器等方面。根據麥肯錫統計數據,功率半導體為電動汽車成本最主要組成部分,純電動汽車的半導體成本為 704 美元,比傳統汽車 350 美元高出近 1 倍,其中功率半導體的成本為 387 美元,占總成本的 55%,成本占比過半。電動車需求的不斷上升將帶來SiC需求的不斷上升和對SiC成本下降的需求,但是相比于硅器件5-6倍的成本仍是其推廣的最大掣肘。

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              特斯拉2018年在Moldel 3主驅電路上采用SiC功率模塊,2020年比亞迪也在其新能源汽車“比亞迪·漢”上采用SiC功率模塊。而SiC功率模塊在奔馳、奧迪、現代、大眾等傳統汽車巨頭均處于導入階段。自2000年第一個SiC器件誕生以來,碳化硅襯底功率器件制造技術在近年逐步成熟,并快速推廣應用,正掀起一場節能減排和新源領域的巨大變革。受益于下游需求爆發,意法半導體、英飛凌、ON半導體等國際巨頭,紛紛與上游晶圓廠Cree、 Sicrystal簽訂SiC 晶圓的長期供貨協議。國內玩家緊跟國際趨勢,紛紛涉足SiC產業鏈,已經在國內形成了完整的上下游產業鏈。2020年COVID-19爆發,并未對SiC功率半導體的造成太大的影響。隨著疫情的消散,全球經濟重回正規, SiC的未來可期。

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              3.產業鏈上下游雖已布局,但高端芯片突破仍待時日國際上600~1700V SiC SBD、MOSFET器件已經實現產業化,主流產品耐壓水平在1200V以下,封裝形式以TO封裝為主。目前全球SiC產業格局呈現美國、歐洲、日本三足鼎立態勢。其中美國全球獨大,占有全球SiC產量的70%~80%,碳化硅晶圓市場CREE一家獨大,主要企業有Cree、Transphorm、II-VI、道康寧等;歐洲擁有完整的SiC襯底、外延、器件以及應用產業鏈,具有強大的話語權,主要企業包括Siltronic、意法半導體、IQE、英飛凌等;日本產業鏈完整,在設備與模塊方面具有絕對領先優勢,主要企業包括松下、羅姆、住友電氣、三菱、瑞薩電子、富士電機。

              我國已實現全產業鏈的自主可控。第三代半導體核心難點在SiC單晶襯底材料的制備,天科合達、山東天岳等企業已實現6英寸SiC晶圓的大規模制備。在高技術壁壘的半絕緣型SiC領域也已實現量產。器件設計領域涌現了瞻芯電子、蘇州鍇威特、忱芯科技、派恩杰等一批優秀的初創公司。泰科天潤、中車時代、楊杰電子、瑞能半導體、基本半導體等則采取IDM的模式。雖然國內產業鏈完整,但車規級芯片仍幾乎由Cree、Rohm、II-VI公司等壟斷。國外巨頭研發投入大、布局時間早,在技術積累、人才、資金、組織運營等方面對國內企業具有強大的領先優勢。雖然長期來看國產替代趨勢確定,但短期來看,車規級功率器件門檻高,突破難度大。

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              4.技術壁壘極高寡頭壟斷,降本及可靠性迭代驗證驅動行業發展SiC單晶襯底的壁壘較高,主要體現在控制SiC晶體的核心參數,包括微管密度、位錯密度、電阻率、翹曲度、表面粗糙度等。這需要在密閉高溫腔體內進行原子有序排列并完成晶體生長、同時控制參數指標,后將生長好的晶體加工成可以滿足半導體器件制造所需襯底。隨著碳化硅晶體尺寸的增大及產品參數要求的提高,生產參數的設定和動態控制難度會進一步提升。目前上游的晶片基本被美國CREE 和II-VI 等美國廠商壟斷。以導電型碳化硅晶片為例,2018年美國公司碳化硅晶片產量占全球碳化硅晶片產量的70%以上,剩余份額主要分布于日本和歐洲,國內公司的產量總和小于3%。2020上半年全球半導體SiC晶片市場中,美國Cree出貨量占據全球45%;羅姆子公司SiCrystal占據20%,II-VI占13%;中國企業發展較快,國內頭部企業市占率逐步提升。其中,天科合達的市占率由2019年的3%上升至2020年的5.3%。功率半導體下游包括SiC功率芯片設計、芯片制造和模塊的設計、封裝和測試,其中,芯片設計是核心。目前,功率器件的向著低損耗、高性能、小型化的方向發展。IGBT和MOSFET是最主流、最先進的芯片結構。SiC器件的壁壘和難點大部分集中在SiC晶體的生長和晶圓制造方面,但功率器件設計行業依然具有著極高的技術壁壘、人才壁壘、資金壁壘。意法半導體、科銳、羅姆、英飛凌等巨頭幾乎壟斷第三代半導體功率器件。全球前10中,仍然缺乏中國企業身影。

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              成本和可靠性驗證制約產業發展。SiC襯底成本高,導致SiC器件的成本是Si的4-5倍。SiC器件產品參數和短路耐受性仍需進一步驗證。自2018年特斯拉Model 3中率先使用了SiC MOS功率模塊,標志著SiC通過車規級認證,其技術已經成熟。但一些產品參數如短路耐受時間等缺乏足夠多數據驗證,SiC MOS在車載和工控等領域的大規模推廣應用仍需時間。

              降本推動市場下沉。SiC器件的成本是Si 的4-5 倍,隨著SiC晶圓尺寸提高、缺陷密度降低、生長速度加快,疊加規模效應,產業鏈上下游密切配合,SiC器件成本有望快速下降,推動市場下沉。隨著上游材料器件紛紛擴產上線,未來2~3年后市場供應加大,價格將進一步下降,預計價格達到對應Si產品2~3倍時,由系統成本減少和性能提升帶來的優勢將推動SiC逐步占領Si器件的市場空間。 目前,我國已經是世界上最大的功率器件市場之一,但國產缺口巨大。美國一家獨大,歐洲日本瓜分其他份額,行業CR5 72%。

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              // GaN成本優于SiC,快充及大功率射頻率先放量
              1.GaN更容易實現異質外延,成本優勢明顯更具應用潛力氮化鎵(GaN)是極其穩定的化合物,高熔點、高硬度,熔點為 1700℃。GaN 具有出色的抗擊穿能力、更高的電子密度和電子速度以及更高的工作溫度。GaN 的能隙為4eV,且具有低導通損耗、高電流密度等優勢。

              GaN作為第三代半導體材料的代表,與第一、二代半導體材料相比,能夠在更高壓、高頻、高溫的環境下運行。GaN單晶生長極其困難,由于工藝和成本問題,GaN-on-GaN尚未得到大規模商用。GaN在應用時需要在其它類型的襯底上生長GaN的外延層。根據襯底材料的不同,GaN可以分為GaN-on-SiC,GaN-on-Si,GaN-on-GaN和GaN-on藍寶石四種類型,其襯底材料分別為SiC、Si、GaN、藍寶石。與SiC相比,GaN更容易與Si等傳統半導體襯底材料兼容,因此具有一定的成本優勢,更具應用潛力。GaN應用范圍包括高頻、高功率的功率半導體器件(主要是消費領域)、微波半導體器件(射頻)、光電子器件(半導體照明、激光器)等領域的應用不斷擴大。

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              2. GaN在功率半導體器件、微波半導體器件、光電子行業前景廣闊(一)GaN快充趨勢已成,快速爆發與SiC基功率半導體相比,GaN更適用于高頻、中等電壓,其最佳狀態在60V至1200 V范圍內。其主要應用場景為消費電子,除此之外還包括新能源汽車、智能電網、高速軌道交通、電信技術設施等。手機、平板電腦和手持游戲設備等充電器和適配器市場應用廣泛??焖俪潆娦枰叩墓β?,意味著更大的設備體積。GaN具備高頻高效、極低損耗、快速散熱等特點,有助于實現產品的高效率和小體積。由于功率的提升,選用傳統的硅MOS作為主開關管效率較低、發熱較大,無法實現緊湊的設計。英諾賽科33W GaN快充方案效率92%以上,相比目前市面上主流的20W Si方案,功耗降低3個百分點。由于發熱減少,實際應用中可以省掉散熱片,從而實現小尺寸的緊湊型氮化鎵快充方案。目前英諾賽科33W GaN功率密度可達1.88W/cm3,相當于蘋果現有20W Si MOSFET快充方案的2倍以上。

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              在汽車電子領域,GaN可應用與總線系統、激光雷達以及LED前照燈。對于總線系統,GaN技術可提高效率、縮小尺寸并降低系統成本。激光雷達使用脈沖激光快速為車輛提供周圍環境的高分辨率三維圖像,GaN技術可使激光信號發送速度遠高于同類硅MOSFET器件。從而提高測量距離、反應速度,此外通過更高的效率,實現更高系統效率。用于高強度LED前照燈時,GaN技術可提高效率,改善熱管理并降低系統成本。而更高的開關頻率允許在AM波段以上工作并降低EMI。

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              (二)GaN應用于高溫、高頻、大功率射頻優勢明顯

              微波射頻器件是實現信號發送和接收的基礎部件,是無線通訊的核心。GaN應用于高溫、高頻、大功率射頻優勢明顯。電信行業不斷要求更高的數據速率,工業系統不斷需要更高的分辨率,這要求電子設備工作頻率的不斷上升。因此射頻功放的帶寬越來越寬、功率越來越高。采用GaN能夠大幅簡化輸出合成器、減少損耗,因而可以提高效率,減小芯片尺寸。

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              近年來,GaN逐漸成為射頻功率應用中LDMOS和GaAs的重要競爭對手,其性能和可靠性不斷提高。LDMOS 技術受低頻限制,GaAs能夠滿足100GHz以上工作,但其低導熱率和工作電壓限制了其輸出功率水平。GaN-on-SiC在高頻下可提供數百瓦的輸出功率,并能提供雷達系統所需的堅固性和可靠性。同時可顯著降低射頻功率晶體管的數量、系統復雜性和總成本。

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              現行GaN器件以GaN-on-SiC及GaN-on-Si兩種晶圓為主進行制造。其中GaN-on-SiC適合應用在高溫、高頻的操作環境。在散熱性能上具優勢,以5G基站射頻應用最多,預期未來在5G商用帶動下,具有龐大市場商機。20年前,第一批GaN-on-SiC和GaN-on-Si器件幾乎同時出現,但GaN-on-SiC技術更加成熟。目前在射頻GaN市場上占主導地位的是GaN-on-SiC。GaN-on-Si具有成本優勢,在功率半導體器件領域率先展開應用。未來隨著GaN-on-Si異質外延技術的成熟,有望在5G、sub 6G領域逐漸滲透。

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              目前GaN微波半導體器件運用以5G基礎設施為主。對于消費電子設備如手機來說,GaN成本高、供電電壓高,與手機微波器件需求匹配度差。但若未來通過改進GaN射頻元件特性,仍有可能應用于手機。無論如何,GaN已成為高頻、大功耗應用技術首選,包括需高功率水平的傳輸訊號或長距離應用,例如基地臺收發器、雷達、衛星通信等。

              GaN音頻放大器具有更小的尺寸和卓越的音頻質量。GaN具有極高的開關速度,比硅基MOSFET快1000倍。GaN Systems的一份白皮書顯示,基于GaN的D類放大器可以產生0.004%的總諧波失真(THD) ,接近完美晶體管,而硅產品為0.015%。(三)GaN在光電子行業的應用前景廣闊GaN是藍光LED的基礎材料,在MicroLED、紫外激光器中有重要應用。MicroLED是新一代顯示技術,比現有的OLED亮度更高、更容易準確調校色彩、發光效率更好,功耗更低。有望成為繼OLED之后的另一項推動顯示品質的技術。GaN-on-Si技術是制造MicroLED芯片的天然選擇。GaN還是制備紫外光器件的良好材料,紫外光電芯片在軍事及民用領域均有廣闊的應用場景。典型的軍事應用有滅火抑爆系統(地面坦克裝甲車輛、艦船和飛機)、飛機著艦(陸)導引、空間探測、核輻射和生物戰劑監測、爆炸物檢測等;典型的民用應用有:火焰探測、電暈放電檢測、醫學監測診斷、水質監測、大氣監測、刑事生物檢測等?;诘壈雽w的深紫外發光二極管(LED)是紫外消毒光源的主流發展方向,其光源體積小、效率高、壽命長。具備LED冷光源的全部潛在優勢,是公認的未來替代紫外汞燈的綠色節能環保產品。但深紫外LED技術門檻很高,目前僅在一些高端領域得到批量應用。目前市場上主要以日本、韓國廠商為主,不過越來越多的國內半導體公司入局。

              3.消費電子快充設備快速普及與5G商用推動GaN高成長根據Yole的預測,GaN快充設備2018-2024 年CAGR超92%,至2024年市場整體規模有望超過3.5億美元。至2025年,汽車、消費電子、能源、工業、儀器設備等領域所貢獻的市場空間約6.5億美元。在所有GaN器件的應用領域中,消費電子充電設備最具爆發潛力。

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              OPPO于2019年第4季度在其高端手機上采用配備GaN HEMTs的65W快充轉換器,標志著GaN功率器件開始進入批量生產。此后,三星、小米、realme等眾多智能手機OEM在其附件或配置的快速充電器中集成了GaN功率器件。2020年化合物功率器件市場增長速度加快。預計GaN快充功率器件還將進入其他主要的OEM。以滿足消費者不斷增長的充電速度以及充電設備小型化的需求。OPPO、小米等設備廠商宣布未來會推出100W以上的充電設備。過去兩年來, Navitas 公司的system-on-chip(SoC) 、system-in-package (SiP)與集成模塊,已經進入了50多家快充后市場品牌, 包括Ravpower, Anker, and Aukey。樂觀估計,隨著GaN快充技術的成熟以及市場接受度的提高,其相對于Si MOSFET的優勢更加明顯。頭部OEM如蘋果、華為、三星同樣有望全面引入GaN快充技術。根據Yole的預測,在強大需求的推動下,GaN快充設備有望呈現爆發式增長,2018-2024 年CAGR超92%,至2024年GaN 設備市場整體規模有望超過3.5億美元。5G 與國防軍工射頻器件是GaN微波半導體器件主要的下游市場。根據Yole的數據,2019-2025年,GaN射頻器件整體規模將從7.4億美元增長至20億美元,CAGR12%。其中通信領域GaN微波射頻器件市場規模3.18億美元,2025年可達7.31億美元,CAGR 15%。國防軍工方面2019年市場規模3.42億美元,2025年可達11.1億美元,CAGR 22%。

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              工信部數據顯示,2020年底我國5G基站累計建設超71.8萬座,5G終端連接數居世界第一,已超2億,5G套餐用戶累計超3.2億。根據Trendforce數據,到2023年,我國5G GaN功率放大器需求將達到1.76億以上。

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              4.壁壘低于車規級功率器件,國內多家公司已實現消費級產品量產氮化鎵下游應用行業擁有大量的市場參與者。包括恩智浦、英飛凌、GaN System、EfficientPower、Qorvo、Cree等。意法半導體在2018年與CEA-Leti展開功率GaN合作,主要涉及常關型氮化鎵HEMT和氮化鎵二極管設計及研發,并于2020年3月收購法國氮化鎵創新企業Exagan公司的多數股權;2018年,Cree收購了英飛凌的RF部門成為了全球最大的GaN射頻器件供應商;我國企業聞泰科技2019年以268億元成功收購行業內已經量產交付客戶GaN FET產品的化合物功率半導體公司安世半導體,成為國內首家世界級IDM半導體公司。

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              按產業鏈分布來看,國外公司在技術實力和產能上有較大的領先。行業龍頭企業以IDM模式為主。國內廠商包括三安光電、江蘇能華、海特高新、中科晶電等。由于消費級產品的可靠性驗證與新技術導入均快于車規級功率芯片,其技術要求也低于車規級功率器件,國內多家公司已實現量產。未來隨著成本的降低,GaN市場有望迎來爆發式增長。

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              第三代半導體家族成員眾多,多款材料極具吸引力


              // Ⅲ族氮化物半導體是光電子器件的優選材料Ⅲ族氮化物半導體材料是由ⅢA族元素如銦(In)、鎵(Ga)、鋁(Al)與氮元組成的,除前文提到帶GaN外,還包括InN、AlN、InGaN、InAlN、AlGaN、AlInGaN等。

              其禁帶寬度可以由InN的0.63eV到GaN的3.40eV,再到AlN的6.28eV。這一禁帶寬度覆蓋了197-1610nm的光譜,從紅外光波段跨過可見光,一直延伸至深紫外光波段。因此Ⅲ族氮化物材料是發展光電子,尤其是短波長光電子器件的優選材料。氮化物半導體多用于LED的制造。在半導體照明技術尚未興起之時,全球17%-20%的用電量被照明消耗。這主要原因是傳統照明光源能耗高。采用LED作為光源,理論上能耗密度可以降低至白熾燈的10%,熒光燈的50%。根據CSA research發布的《2019中國半導體照明產業發展藍皮書》顯示,中國LED半導體照明產業發展穩定,2019年中國LED半導體照明行業總產值達7548億元,微增2.4%。發光二極管已經廣泛地用于各種照明領域,可替代白熾燈和熒光燈等傳統光源,也可用于計算機、電視、等液晶顯示用背光源,戶外顯示、交通指示,以及植物培育和醫療。除了LED作為光源外,激光器也是氮化物半導體在光電子領域的重要應用之一。藍色激光器可用于水下通信,綠色激光器是局域網通信和水下探測的關鍵光源,紫外光激光器在高密度存儲、空氣和水凈化、精密光刻、印刷和檢測、空間紫外通信(非視距傳輸)、化學傳感等方面有很大的潛在的應用。作為微波功率器件和電力電子器件的主要是GaN基半導體材料。

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              AlN襯底材料比發達國家落后約30年。AlN帶隙寬度高達6.2eV,可作為AlGaN的襯底材料。在全組分范圍內均為直接帶隙半導體,對應光譜波長覆蓋了200-365nm的紫外、深紫外波段。AlGaN具有熱導率高、電阻率大、紫外光透過率高、擊穿場強高、抗輻射能力強等優點,在高溫、高頻、抗輻射及大功率器件,如高能效光電子器件、高功率電子器件、固態激光探測器和高密度固態存儲器等方面具有重要的應用。此外,AlN在深紫外光LED、紫外光電探測器方面應用較為成功和廣泛,在殺菌消毒、皮膚病的治療等醫療衛生領域、污染物分解及水與空氣等環保領域、高顯色指數白光照明領域以及在大容量信息存儲等領域有廣泛的應用。目前美國、日本的一些晶片企業已經進入產業化初級階段,我國在此領域才剛剛起步,與發達國家相比,滯后約30年。在國家973項目、國家自然基金等的支持下,目前已經取得了部分突破性進展。AlGaN多用于紫外發光二極管。AlGaN材料外延主要采用的襯底是(0001)藍寶石襯底、6H-SiC襯底、(111)面硅襯底以及AlN單晶襯底。目前基于AlGaN的UV A至UV C各波段的深紫外光LED和深紫外探測器都已成功研發。InGaN在LED 和LD行業已經得到了廣泛的應用。InGaN是氮化物體系材料中非常重要的一個三元合金材料。由于其禁帶寬度從0.63eV(InN)~3.4eV(GaN)連續可調,只要改變InGaN三元合金中的In與Ga的比例,便可獲得該范圍內各種不同的禁帶寬度,幾乎覆蓋了整個太陽光譜。InN適合于制作高速電子器件。InGaN還具有良好的抗輻射性能、擊穿電壓高、化學性質穩定等特點,是一種優質的光電轉換材料。在光電子器件方面的最大用途包括發光器件(LED背光、激光照明等)、太陽能電池(由于帶隙連續可調,特別適合制作多結疊層電池,其理論轉換效率可達70%)。InGaN薄膜材料作為近紫外光、紫光、藍光、綠光等光電子器件的主要組成部分,在LED 和LD行業已經得到了廣泛的應用。作為LED、LD有源區的核心組成部分,InGaN的生長時間、所消耗的成本都是外延片最大的組成部分,其晶體質量也直接決定了器件的性能。InGaN在電子器件的應用也有重要的應用,InGaN材料高擊穿電壓、高電子遷移率的優點在HEMT、異質結HBT等電力電子器件中也有重要應用。

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              // 氧化物半導體材料前景廣闊,當前仍處于研發階段氧化物半導體材料包含氧化鋅(ZnO)、氧化鎵(Ga2O3)、鈣鈦礦(CaTio3)等化合物,普遍具有相對較大的禁帶寬度和較大地激子結合能??捎糜诠怆娖骷凸β孰娮悠骷约凹す馄骷闹圃?。ZnO是發展短波長光電子器件的優選材料。ZnO禁帶寬度3.4eV、激子束縛能高達60meV、高擊穿場強、高電子漂移率、強化自發極化、環保等優點,適合用于發展激子型激光器?;赯nO制造的半導體器件包括ZnO肖特基肖特基二極管、ZnO紫外探測器、ZnO發光器件及激光器、ZnO場效應晶體管、ZnO納米結構器件。β- Ga2O3在大功率高亮度發光器件中應用前景廣闊。其禁帶寬度高達4.9eV,介電常數10.2~14.2。β- Ga2O3晶體制造成本可以大幅降低,適合大規模生產。β- Ga2O3作為襯底生長外延可降低元件電阻和熱阻,同時使電流分布均勻化,減小LED產生的熱量,因此適合大功率GaN基藍綠光及紫外光LED的制備。

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              鈣鈦礦化合物分為鈣鈦礦氧化物和鈣鈦礦鹵化物。鈣鈦礦金屬氧化物禁帶寬度較高,在寬禁帶發光材料方面有著重要的應用前景,可用于微納光電子器件。鈣鈦礦鹵化物禁帶寬度較窄,能很好的吸收太陽光,適用于制造太陽能電池。

              // 金剛石半導體帶隙最寬,性能全面超越SiC、GaN金剛石半導體具有超強的硬度,極低對的動態摩擦系數、最高的熱導率、最低的熱膨脹系數和很強的化學穩定性。室溫禁帶寬度約為5.47eV,為所有元素半導體材料中帶隙最寬的材料。金剛石可以作為有源器件材料,如場效應晶體管、電源開關,也可以作為無源器件應用于半導體技術領域。集力學、電學、熱學、聲學、光學、耐腐蝕等優異性能于一身,在微電子、光電子、生物醫學、機械、航空航天、核能等高新技術領域具有廣闊的應用前景。由于金剛石半導體材料具有帶隙寬、擊穿電場強、極高的電子遷移率等優點,使得其半導體器件能夠在高頻、高功率、高電壓,以及強輻射等十分惡劣的環境中運行,并且,從紫外光到紅遠外光很寬的波長范圍內具有很高的光譜透射性能,是大功率紅外激光器和探測器的光學窗口材料。金剛石性能全面超越SiC、GaN和Si等半導體材料。例如金屬/p型硼摻雜金剛石二極管的擊穿電壓是Si的546倍,是SiC或GaN的數十倍,此外還具有耐高溫的特性。近年來,由于金剛石摻雜的突破,各種金剛石器件不斷研制成功。包括深紫外光發光二極管、深紫外探測器、生物傳感器、高壓大電流肖特基二極管、高頻高功率場效應晶體管等。

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