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03.

GaN:5G器件关键材料


氮化镓(GaN)是由氮和镓组成的一种半导体材料,因为其禁带宽度大于 2.2eV,故被称为宽禁带半导体材料。GaN 材料作为微波功率晶体管的优良材料与蓝色光发光器件中的一种具有重要应用价值的半导体,是目前全球半导体研究的前沿和热点。

与传统半导体材料硅相比,由于 GaN 禁带宽度是硅的 3-4 倍、热导率是硅的 2 倍,使得 GaN 器件可在 300℃以上的高温下工作,能够承载更高的能量密度,可靠性更高;其击穿场强比硅高 10 倍,使得器件导通电阻减少,有利于提升器件整体的能效;饱和电子迁移速度是硅的 2-4 倍,因此允许器件更高速地工作。GaN 器件在光电子、高温大功率器件和高频微波器件应用方面有着广阔的前景。

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▲GaN 优异特性

GaN 外延片可分为同质外延片与异质外延片。在 GaN 单晶衬底上生长的 GaN为同质外延片,以 GaN 单晶材料作为衬底可以大大提高外延膜的晶体质量,降低错位密度,提高器件工作寿命。但由于 GaN 材料硬度高,熔点高,衬底制作难度高,位错缺陷密度较高导致良率低,技术进步缓慢。因此 GaN 晶圆的成本仍然居高不下,GaN 厚膜衬底的应用受到限制。

除了同质外延片外,GaN 还可以生长在其他衬底材料上,称之为异质外延片。目前常用的衬底材料包括蓝宝石、SiC、硅与金刚石。其中蓝宝石 GaN 只能用来做 LED;硅基 GaN(GaN on Si)可以做功率器件和小功率的射频器件;碳化硅基 GaN(GaN on SiC)可以制造大功率 LED、功率器件和大功率射频芯片。GaN on SiC 和 GaN on Si 是未来的主流技术方向。

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▲GaN 优异特性

GaN 器件产业链各环节依次为:衬底、材料外延、器件设计与制造及下游应用。目前产业以 IDM 企业为主,但是设计与制造环节已经开始出现分工。在上游衬底方面,GaN 衬底大部分由日本公司生产,包括住友电工、三菱化学等。其中,住友电工的市场份额已经超过 90%。GaN 外延片相关企业主要有比利时的EpiGaN、英国的 IQE、日本的 NTT-AT。GaN 器件设计厂商方面,美国的 EPC、MACOM、Transphom,德国的 Dialog 等为主要参与者。IDM企业中日本的住友电工与美国的 Cree 为行业龙头,市场占有率均超过 30%。

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▲GaN 器件产业链及主要企业

亚太地区占据了全球 GaN 衬底市场的主要份额。2019 年亚太地区占全球 GaN衬底市场的 36.34%。由于 GaN 终端应用日益普及,Transparency MarketResearch 预计,2019 至 2027 年亚太地区将继续占据主导地位。除亚太地区外,北美与欧洲地区也成为GaN衬底的重要市场,2019年分别占有28.18%、23.94%的市场份额,GaN 在汽车行业中应用为北美与欧洲两个地区的 GaN 市场提供了巨大的机遇。

在应用领域方面,目前 GaN 主要应用于射频器件和电力电子器件的制造。2019年,射频 GaN 的市场规模占 GaN 器件整体规模的比重达 91%,电力电子 GaN 市场规模仅占 9%。2019 年国内 GaN 产业实现高速增长。据 CASA 初步统计,2019 年国内 GaN 微波射频产值规模近 38 亿元,同比增长 74%。未来随着 5G商用的扩大,现行厂商将进一步由原先的 4G 设备更新至 5G。5G 基站的布建密度高于 4G,而基站内部使用的材料多为 GaN 材料,赛迪顾问预计,到 2022 年国内 GaN 衬底市场规模将达到 5.67 亿元。

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▲2019 年 GaN 市场份额(按地区)

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▲国内 GaN 微波射频产业产值持续上升

GaN 作为第三代半导体材料,有更高的禁带宽度,是迄今理论上电光、光电转换效率最高的材料体系,下游应用包括微波射频器件(通信基站等),电力电子器件(电源等),光电器件(LED 照明、激光等),其中光电器件仍是 GaN 的主要应用方向。目前 GaN 器件多应用于军工电子,如军事通讯、电子干扰、雷达等领域;在民用领域,GaN 主要被应用于通讯基站、功率器件等领域。

据 YoleDevelopment 数据,2019 年全球 GaN 功率器件市场规模为 1996.4 万美元,预计 GaN 市场将在 2025 年达到 6.8 亿美元以上,CAGR 高达 80.04%。随着 5G时代的到来,5G 基站与数据中心的建设将大幅度带动 GaN 射频与功率器件市场,GaN 在快充等电源控制方面的应用也成为的新的需求增长点。

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▲2019 年国内 GaN 行业需求分布

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▲ 2025 年全球 GaN 功率器件规模达 6.8 亿美元

5G 终端蓄势待发,大用量规模与技术创新为射频前端带来红利。2020 年,5G已经进入商用部署的快车道。IDC 预计 2020 年,中国 5G 连接终端用户将超过2 亿,VR/AR 等虚拟现实市场也将在未来三年呈现爆发增长的态势。Qorvo 表示在未来 10 年内,5G 终端将会成为手机产业中发展最快的部分。

5G 需要满足行业海量物联网设备的通信需求。在人与人的连接场景之外,连接技术与行业数字化场景的融合也将成为 5G 通信发展的新机遇。IDC 预测,到 2024 年全球物联网的联接量将接近 650 亿,是手机联接量的 11.4 倍,以 5G 为代表的蜂窝物联网技术将发挥重要作用。

5G 时代 GaN 射频市场占比进一步上升,未来将不断占领 LDMOS 市场空间。5G 时代高速增长的数据流量使得调制解调难度不断增加,需要的频段越来越多,对射频前端器件的性能要求也越来越高。目前在射频前端应用中,硅基 LDMOS器件和 GaAs 仍是主流器件。通常来说,LDMOS 适用于 3.5GHz 以下的应用,GaAs 适用于 40GHz 以下的场景,但器件尺寸较大。GaN 在高频环境下能够保持高功率输出,可以有效减少晶体管的数量,从而缩小器件尺寸。

从电压角度来看,LDMOS 的工作电压约为 6V,GaAs 为 10V,GaN 可以工作于 28V 或更高的电压,工作性能优于 LDMOS 与 GaAs,潜在市场空间巨大。据 YoleDevelopment 数据,2015 年射频功率放大器市场中,LDMOS 市场有率为第一,占比约为 50%,GaN 射频器件约占 20%,预计到 2025 年,GaN 射频器件将以55%的占有率取代 LDMOS 第一的市场地位,LDMOS 市场占有率则下降至11.8%。GaN 发展势头良好,5G 时代中 GaN 射频器件的市场占比将进一步上升。

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▲2019-2024 年全球连接规模预测

5G 基站射频系统非常复杂,GaN 器件的小尺寸、高效率和大功率密度等特点可实现高集化的解决方案。5G 射频系统需要使用高载波频率和宽频带的新技术,包括载波聚合、Massive MIMO 等,GaN 在性能、体积、重量以及效率等方面具备独特优势,使其成为高射频、大功耗应用的技术首选。

以 Qorvo 的 MIMO天线为例,与锗化硅基 MIMO 天线相比,GaN 基 MIMO 天线功耗降低了 40%,裸片面积减少 94%,成本降低 80%。据 Qorvo 数据显示,2022 年全球用于Sub-6GHz 频段的 M-MIMO PA 器件年复合增长率将达到 135%,用于 5G 毫米波频段的射频前端模块年复合增长率将达到 119%。

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▲GaN 在基站应用中的市场规模(亿美元)

通信基站应用领域中,GaN 是未来最具增长潜质的第三代半导体材料之一。5G基站是“新基建”重要组成部分之一,根据工信部的数据,截至 2020 年底国内已建成全球最大 5G 网络,累计建成 5G 基站 71.8 万个,推动共建共享 5G 基站33 万个。宏基站建设将会拉动基站端 GaN 射频器件的需求量。

由于 5G 基站天线采用 Massive MIMO 技术,天线和 RRU(射频拉远单元)合设,组成 AAU。假设 Massive MIMO 天线为 64T64R,则单个宏基站天线数量为 192 个,放大器数量为 192 个。考虑到 5G 基站的建设周期,拓墣产业研究院预计到 2023 年基站端 GaN 射频器件规模达到顶峰,达到 112.6 亿元。

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▲中国 5G 宏基站 PA 市场测算

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▲2019-2024 年宏基站 PA 使用量预测

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▲ 2019-2024 年基站端 GaN 射频器件规模及预测

5G 小基站布局带动 GaN 射频器件规模增大。5G 的高传输速度和广覆盖将需要搭建更多更复杂的基站,大量的毫米波微基站、Sub-6GHz 微基站对于 GaN 器件的需求也将大幅提升。由于小基站不能对宏基站造成干扰,故频率较宏基站更高,GaN 射频器件成为不二之选。

据赛迪智库测算数据,中国 5G 网络小基站需求约为宏基站的 2 倍,即需要 1000 万站小基站。按照每个小基站需要 2 个放大器,小基站建设进度落后宏基站 1 年测算,拓墣产业研究院预计,到 2024 年基站端 GaN 射频器件规模达到峰值,市场规模可达 9.4 亿元。

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▲中国 5G 小基站 GaN 射频器件市场规模预测

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▲中国 5G 小基站 PA 市场测算

数据中心电源效率要求提升,GaN 的市场前景明朗。随着网络、云计算的发展,新物联网设备和边缘计算需求的激增,数据中心重要程度逐渐凸显。受新冠疫情影响,Gartner 调查显示,2020 年数据中心基础设施支出同比下降了 10.3%,约 60%的新数据中心设施建设受阻。但疫情导致的远程工作比例提高,实际上数据中心处理的数据量有大幅增长,能源效率与功率、数据密度的需求持续提升。

GaN 技术使得电源体积进一步缩小,从而允许在同一机架空间中添加更多的存储和内存,并使数据中心的功率密度由 30 瓦/立方英寸提升至 50-60 瓦/立方英寸甚至更高,即无需实际构建更多的数据中心即可增加数据中心的容量。2023年欧盟将提高对数据中心电源效率的要求,将进一步促进 GaN 在数据中心中的使用。Gartner 预计 2021 年全球最终用户数据中心基础设施支出将以 6%的增速达到 2000 亿美元。

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▲2019-2021 年全球数据中心基础设施支出金额

GaN 电源市场成长动力十足。随着多端口适配器的兴起,OEM 厂商将推出更多GaN 充电器。凭借设备设计、性能等要求的提高,GaN 充电器满足了便携、快充等不断发展的客户需求,并逐渐转变为主流标准。从技术角度分析,采用 GaN技术的充电器外形尺寸可比传统的基于硅的充电器减少 30-50%,整体系统效率可提升至 95%,在相同尺寸和相同输出功率的情况下,充电器外壳温度将比传统充电器更低。

此外,GaN 充电器可以使用较小的变压器和较小的机械散热器,因此整体重量可减少 15-30%。Yole Development 预测,2019 年 GaN 电源目标市场约为 9000 万美元,2021 年将达到 1.6 亿美元,而在 2022 年将增长到 2.4亿美元。2020 年美国 CES 展会中,参展的 GaN 充电器数量已经多达 66 款,涵盖了 18W、30W、65W、100W 等多个功率段,GaN 充电器市场迎来爆发期。

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▲2019-2022 年 GaN 电源市场营收增速较快

音频设备为 GaN 器件应用新亮点。音频是一个拥有众多细分市场的庞大的市场,从专业音响,家庭音响到便携音响的所有细分市场中,高质量音频均为首要评判标准。引入 GaN D 类放大器的音频系统能在不需要牺牲声音质量的前提下,以更小更轻的设计提供更多的功率和更多的通道,满足消费者市场对出色音质的追求。2020 年,GaN System 发布了一款为高音质 12V 音频系统开发的参考设计, 该参考设计有两个通道,每通道(8 欧姆负载)Class-D 音频放大器支持 200 瓦功率,允许 12V 电源升压到 18V 给音频系统供电,并支持+-32V 输出。

GaN 器件使用,在保证音质的前提下,将这款 400 瓦音频产品的成本和功率输出能力上做到了很好的平衡。Semiconductor Digest 认为,到 2021 年底,音频市场会有更多品牌配备 GaN 音频放大器和配套电源,对高质量音频的需求正在推动 D类音频放大器市场的增长。BCC Research 数据显示,全球 D 类音频放大器市场将从 2020 年的 24 亿美元增长到 2025 年的 35 亿美元,2020-2025 年 CAGR为 7.7%。

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▲高质量音频的需求推动全球 D 类音频放大器市场

GaN 下游应用行业拥有大量的市场参与者。这些公司包括恩智浦、英飞凌、GaNSystem、Efficient Power、Qorvo、Cree 等。全球 GaN 市场的主要参与者通过在销售、市场和技术方面的密切合作显示出协同效应。

GaN 衬底供应商也通过与同行以及各种研究机构建立战略联盟来扩大规模,以建立自己在全球市场的参与者地位。意法半导体在 2018 年与 CEA-Leti 展开功率 GaN 合作,主要涉及常关型氮化镓 HEMT 和氮化镓二极管设计及研发,并于 2020 年 3 月收购法国 GaN创新企业 Exagan 公司的多数股权;2018 年,Cree 收购了英飞凌的 RF 部门成为了全球最大的 GaN 射频器件供应商;国内企业闻泰科技 2019 年以 268 亿元成功收购行业内唯一量产交付客户 GaN FET 产品的化合物功率半导体公司安世半导体,成为国内首家世界级 IDM 半导体公司。

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▲GaN 射频器件市场格局

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▲ GaN 功率器件市场集中度较低


04.

SiC:高温大功率材料首选


碳化硅(SiC)由硅元素与碳元素组成,是原子的复合体,其物理特性取决于晶体中碳、硅原子的排列结构,性能差异主要取决于硅和碳原子的相对数目,以及原子排列的不同结构。目前已发现的 SiC 同质异型晶体结构有 200 多种,其中六方结构的 4H 型 SiC(4H-SiC)具有高临界击穿电场、高电子迁移率的优势,是制造高压、高温、抗辐照功率半导体器件的优良半导体材料,也是目前综合性能最好、商品化程度较高、技术较为成熟的第三代半导体材料。

SiC 功率器件的研发始于 20 世纪 90 年代,目前已成为新型功率半导体器件研究开发的主流,产业链主要包含单晶材料、外延材料、器件、模块和应用这几个环节。SiC 单晶材料主要分为导通型衬底和半绝缘衬底两种。SiC 晶片通常作为衬底,可以通过化学气相沉积法(CVD),在晶片上淀积一层单晶形成外延片。

其中,在导电型 SiC 衬底上生长 SiC 外延层制得的 SiC 外延片,可进一步制成功率器件,并应用于新能源汽车、光伏发电、轨道交通、智能电网、航空航天等领域。在半绝缘型 SiC 衬底上生长 GaN 外延层制得的 SiC 基 GaN(GaN on SiC)外延片,可进一步制成微波射频器件,应用于 5G 通讯、雷达等领域。

与第一代半导体硅晶片类似,第三代半导体 SiC 晶片向大尺寸方向不断发展,不断提高下游对 SiC 片的利用率和生产效率。在 8 英寸 SiC 晶片尚未实现产业化的情况下,6 英寸 SiC 晶片将成为市场主流产品。导通型 SiC 衬底材料方面,作为制造 SiC 功率半导体器件的基材,根据 Yole Development 统计,2017 年 4英寸导通型 SiC 晶圆市场接近 10 万片;6 英寸导通型 SiC 晶圆供货约 1.5 万片;预计到 2020 年,4 英寸导通型 SiC 晶圆的市场需求保持在 10 万片左右,单价将降低 25%;6 英寸导通型 SiC 晶圆的市场需求将超过 8 万片。

半绝缘型 SiC衬底方面,当前主流半绝缘衬底的产品以 4 英寸为主。Yole Development 预计,到 2020 年,4 英寸半绝缘衬底的市场保持在 4 万片,而 6 英寸半绝缘衬底的市场迅速提升至 4-5 万片;2025-2030 年,4 英寸半绝缘衬底逐渐退出市场,而 6英寸晶圆将增长至 20 万片。

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▲全球导通型 SiC 晶圆材料市场预估

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▲全球半绝缘 SiC 晶圆材料市场预估

全球 SiC 市场规模不断扩大,美国企业处于龙头地位。根据 IHS Markit 数据,2019 年 SiC 功率器件市场规模约 6.1 亿美元,受新能源汽车等领域较大需求的驱动,2025 年全球 SiC 功率器件的市场规模将达到 30 亿美元,年均复合增速达到 30.4%。

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▲SiC 电子电力器件产业链相关厂商

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▲全球 SiC 市场规模不断扩大

国内 SiC 产品主要依赖进口,国产替代方向明确。国内 SiC 晶体、晶片领域的研究从 20 世纪 90 年代末开始起步,在行业发展初期受到技术水平和产能规模的限制,未进入工业化生产。进入 21 世纪以来,在国家产业政策的支持和引导下,国内 SiC 晶片产业发展大幅提速。据智研咨询数据显示,2018 年国内 SiC单晶片行业市场规模为 34.09 亿元,较 2017 年的 34.15 亿元小幅下滑 0.18%。

目前国内 SiC 产品 80%左右依赖进口,国产替代空间较大。以天科合达为代表的第三代半导体材料制造企业经过十余年的自主研发,实现了设备研制、原料合成、晶体生长、晶体切割、晶片加工、清洗检测的全流程自主可控,有能力为下游外延器件厂商稳定提供高品质 SiC 晶片,为 SiC 下游厂商实现进口替代提供了条件。未来伴随国内新能源汽车、5G 通讯、光伏发电、轨道交通、智能电网、 航空航天等行业的快速发展,国内 SiC 材料产业规模和产业技术将得到进一步提升。

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▲2018 年中国 SiC 单晶片市场规模小幅下降

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▲ 国内 SiC 产品 80%左右依赖进口

与 GaN 相比,SiC 拥有更高的热导率和更成熟的技术,适用于 1200V 以上的高温大电力领域,多制作用于高压、高温、高频、高抗辐射的大功率器件,在新能源汽车、新能源发电、轨道交通、航天航空、国防军工等极端环境的应用有着不可替代的优势。根据 Yole Development 的数据,2017-2023 年 SiC 功率器件的CAGR 将超过 30%,新能源汽车和充电设施是其中增长最快的两个应用场景。

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▲SiC 功率器件各应用市场规模(亿美元)

新能源汽车领域是 SiC 功率器件应用推广的主要驱动力。SiC 大量运用在DC-DC 转换器、牵引逆变器、车载充电器等方面。随着电动汽车市场的扩大,SiC 功率半导体市场需求激增,据 Yole Development 数据显示,2018 年,新能源汽车细分领域中 SiC 市场规模约为 1.13 亿美元,预计 2024 年 SiC 市场规模达到 9.46 亿美元,年均复合增长率达到 29%。

2019 年,全球新能源汽车 SiC 二极管和晶体管市场规模 2600 万美元,预计 2021 年市场规模达到 5700 万美元。DIGITIMES Research 预计到 2025 年,电动汽车用 SiC 功率半导体将占SiC 功率半导体总市场的 37%以上,高于 2021 年的 25%。

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▲2018-2024 年新能源汽车 SiC 市场规模

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▲新能源汽车 SiC 二极管、晶体管市场规模

在光伏发电应用中,基于硅基器件的传统逆变器成本约占系统 10%左右,却是系统能量损耗的主要来源之一。使用 SiC MOSFET 或 SiC MOSFET+SiC SBD 的功率模块的光伏逆变器,能使转换效率 从 96%提升至 99%以上,能量损耗降低 50%以上,设备循环寿命提升 50 倍,从而缩小系统体积、增加功率密度、延长器件使用寿命、降低生产成本。高效、高功率密度、高可靠和低成本是光伏逆变器的未来发展趋势。在组串式和集中式光伏逆变器中,SiC 产品预计会逐渐替代硅基器件。

目前,全球 SiC 半导体产品中,70%-80%来自美国公司。以导电型产品为例,据 Yole Development 统计,美国占有全球 SiC 晶片产量的 70%以上,仅 Cree公司就占据一半以上市场额,剩余份额大部分被日本和欧洲的其他 SiC 企业占领;欧洲在 SiC 衬底、外延、器件以及应用方面拥有完整的产业链;日本是设备和模块开发方面的领先者。近年 SiC 器件行业市场规模高速增长,国外企业占据的市场份额较大。据CASA统计,全球SiC器件领域主要玩家包括Infineon、Cree、Rohm、ST,四家合计占据 90%的市场份额。

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▲导电型 SiC 晶片厂商市场占有率

来源:智东西、华西证券



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