第三代半导体之GaN专题研究报告

来源:未来智库发布时间:2020-12-21364浏览

总结

我国GaN产品逐步从小批量研发、向规模化、商业化生产发展。GaN单晶衬底实现2-3英寸小批量产业化，4英寸已经实现样品生产。GaN异质外延衬底已经实现6英寸产业化，8英寸正在进行产品研发。 GaN材料应用范围仍LED向射频、功率器件不断扩展。

射频器件方面， GaN受到5G推动。GaN射频器件衬底主要采用SiC衬底。Cree拥有最强的实力，在射频应用的GaN HEMT、尤其是GaN-on-SiC技术方面，该公司处于领先地位，远远领先日系厂商住友电工和富士通。国内主要的厂商是海威华芯、三安集成和华进创威。

功率器件方面，快充将成为最大推动力。2019年OPPO、小米在新机型中采用了GaN快充器件，随着终端客户积极推进，消费级GaN手机电源市场起量。除消费电子领域外，欧洲车企积极采纳，车规级GaN充电市场迎来需求增长。

一、GaN产业格局初成，国内厂商加速布局

1.1 化合物衬底的功率半导体对比

GaN具备带隙大（3.4eV）、绝缘破坏电场大（2×106V/cm）及饱和速度大（2.7×107cm/s）等Si及GaAs不具备的特点。由于容易实现异质结构，因此在LED、半导体激光器、高频及高功率元器件等领域的应用不断扩大。

1.2 GaN结构特性

GaN作为一种宽禁带材料，和硅等传统半导体材料相比，能够在更高压、更高频、更高温度的环境下运行。从结构上看，Si是垂直型的结构，GaN是平面型的结构，这也使得GaN的带隙远大于Si。

SiC相比，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，这使其更容易不其他半导体器件集成。

二、器件发展，材料先行

2.1 GaN应用发展历程

LED：GaN不可替代；以蓝宝石为衬底；2000发展至今， 2014年推出蓝光LED

射频：GaN不硅基材料拉锯；以SiC衬底为主；注重性能、稳定性；2018年PA中GaN超过硅基使用量；

功率器件：GaN参不竞争；以Si衬底为主；成本敏感，注重实用、美观；2020年打开快充市场；

2.1 GaN衬底与应用相关

衬底的选择根据应用的需求而变化。目前市场上GaN晶体管主流的衬底材料为蓝宝石、SiC和Si，GaN衬底由于工艺、成本问题尚未得到大规模商用。蓝宝石衬底一般用于制造蓝光LED，通常采用MOCVD法外延生长GaN。

SiC衬底一般用于射频器件，Si则用于功率器件居多。除了应用场景外，晶格失配度、热膨胀系数、尺寸和价格都是影响衬底选择的因素之一。

2.2 GaN衬底发展历程

SiC衬底应用较广。SiC衬底在4G时代被逐步推广和应用，由于 5G频率高于4G，我们预计GaN-on-SiC将在Sub-6GHz得到广泛应用。目前SiC衬底主要以4寸、6寸为主，随着 8寸SiC晶圆生产工艺成熟，未来有望降低 SiC衬底的使用成本。GaN-on-Si主要用于功率器件，2019年Q1 GaN-on-Si仍处于小规模量产，但因为硅片尺寸已经达到 12寸，未来有望依靠成本优势得到大规模推广。

三、5G、快充推动GaN放量

3.1 蓝光LED原理

LED最基本的结构就是p-n结，由p型GaN和n型GaN组成。目前，商业化的GaN基蓝光LED多采用InGaN/GaN多量子阱结构。在蓝宝石衬底上先生长一层无掺杂的GaN作为缓冲层，再生长一层Si掺杂的GaN层作为n型区，紧接着生长多个周期的InGaN/GaN多量子阱作为复合发光区域，再生长 p型AIGaN作为EBL，然后再用Mg掺杂GaN层作为p型区，最后在p型层和n型层两端分别形成两个电极。

3.1 Micro LED未来可期

Micro LED市场规模将不断扩大，全球市场收入快速增长。据Statista预测，2026年全球MicroLED出货量将达到0.15亿片，2027年全球MicroLED市场收入将达到718亿美元。Mini/Micro LED将成为LED未来的发展方向。 Micro LED适用于极小间距、高对比度和高刷新率的场景，例如智能手表、AR、VR等智能穿戴领域。

全球抢占Micro LED布局。晶电与环宇-KY合资设厂，而后与利亚德合资建立Mini/MicroLED量产基地，同时京东方与美国 Rohinni合资的BOE Pixey正式成立，将共同生产显示器背光源的Micro LED。国内三安光电、华灿光电等在Mini LED芯片外延，国星光电、瑞丰光电等在封装等环节均有布局。上下游技术整合，Micro LED进展有望实现突破。

3.2 GaN工艺改进带来新增长点

5G通信对射频前端有高频、高效率等严格要求，数据流量高速增长使得调制解调难度不断增加，所需的频段越多，对射频前端器件的性能要求也随之加高；载波聚合技术的出现，更是促使移动基站、智能手机对射频前端器件的需求翻倍，给GaN发展带来新契机。

目前在射频前端应用电路中，硅基LDMOS器件和GaAs仍是主流器件，但在工作频率、带宽、功率等关键指标上明显逊于GaN。虽然GaAs放大器在线性和失真度上有一定优势，但GaN器件可通过数字预失真等技术进行优化，且随着 GaN技术向更小的工艺尺寸演进，未来GaN将挑战GaAs器件、硅基LDMOS器件主导地位。

3.2 GaN通信基站

GaN射频器件主要为三种：（1）4G宏基站及CATV的大功率功放管；（2）Sub-6GHz 5G基站PA模块；（3）5G高频频段的GaN MMIC。GaN的高频、高功率、高效率、宽禁带等特性能很好满足5G基站及通信系统的需求。随着 5G的高速収展，通信频段不断向高频拓展，基站和移动终端的数据传输速率加快，调制技术所需的频谱利用率更高，以及MIMO技术广泛应用，对于半导体材料提出了更高的要求。

3.2 GaN包络跟踪技术

GaN器件具有较低的寄生电容和优良的热性能，适合高频应用，其中应用于5G的包络跟踪技术将加速GaN的发展。5G通信对频谱利用率要求高，5G基站部署密度大，因而对射频信号的峰值平均功率比（PAPR）要求更高。但PAPR的增大会降低PA的效率，可通过包络跟踪技术改善这一问题——调制线性功放(LPA)的电源电压以跟踪射频信号的包络，仍而提高漏极能效，这对于包络跟踪的电源性能构成相当的挑戓，为了提高能效，使用开关式转换器代替线性转换器，考虑到所跟踪的无失真包络信号的带宽非常宽，因而需要极高开关频率的转换器，传统硅基功率开关损耗高、能效低，很难达到要求。

3.2 GaN基站应用市场预期

GaN在基站中的应用比例持续扩大，市场增速可观。预计2022年全球4G/5G基站市场规模将达到16亿美元，值得关注的是，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%，用于Sub-6GHz频段的M-MIMOPA器件年复合增长率将达到135%，另外用于4G宏的GaN PA器件年复合增长率也将达到33%，用于4G/5G的小信号器件达到16% 。

3.2 GaN射频应用市场及发展预期

GaN射频设备市场规模持续增长，军备国防、无线通信基础设施为主要支柱以及主要增长动力。预计2018-2024年GaN射频设备整体年复合增长率达到21%，2019-2025年封装的GaN射频设备整体年复合增长率达到12%。GaN将取代 GaAs在高功率、高频率卫星通信领域的应用，同时在有线电视(CATV)和民用雷达市场上提供比LDMOS或 GaAs更高的附加值。

在 GaN 射频元器件市场，第一阵营的厂商是住友电气、Cree/Wolfspeed和Qorvo。GaN射频器件衬底主要采用SiC衬底。Cree拥有最强的实力，在射频应用的 GaN HEMT、尤其是GaN-on-SiC技术方面，该公司处于领先地位，远远领先日系厂商住友电工和富士通。国内主要的厂商是海威华芯、三安集成和华进创威。

3.3 GaN在功率器件应用

GaN功率器件通常采用HEMT（高迁移率晶体管）的设计，主要应用于高频场景。相较于Si、SiC，GaN晶体管的源极、栅极、漏极均在同一个平面，因此使用存在与AlGaN和GaN层级间的2DEG（二维电子气）作为电流路径。异质结导致的二维电子气显著提高迁移率，因此 GaN晶体管切换速度很快。在中高频驱动逆变器的快速切换的场景中，如果采用传统的MOSFET和IGBT会产生不可接受的损耗，而 GaN HEMT能够克服这样的损耗。但快速切换使得栅极电压为0V时，也依旧会有电流通过，因此GaN HEMT也被称为常开型元件。

高频环境，GaN单位功率上优于Si。当功耗和尺寸评判Si和GaN时，尤其是功率器件处在高频环境下，GaN器件拥有更小的体积和更低的功耗。根据英飞凌的数据，目前GaN器件在单位功率上已经能够达到Si器件的200%。更大的单位功率能够节省出更多的空间给电池以及其他电子元器件。这项特性能够给电动汽车提供更长的续航时间，为服务器、基站提供更高的性能空间。

GaN主要适用于低压、高频领域，目前大部分产能都集中于0-250V和650V，商业化的Si基GaN功率器件最高电压仍然是在 650V，900V GaN FET提供试样，未来有望将电压提升至1200V。

3.3 快充推动GaN 功率器件在消费电子领域应用

根据 Global Market Insights的数据，GaN与SiC功率器件市场在2025年将达到30亿美元，年复合增速达到30%。半导体区别于其它材料的主要特性是带隙能—将材料仍绝缘体变为导体所需的电压跳变。GaN提供的带隙能是Si的3倍，而更高的带隙意味着较高温度下的更佳性能电压，因此GaN将会成为Si的理想替代品。随着这些设备在光伏逆变器、混合动力和电动汽车、 UPS和其他电力应用领域的应用，该市场已经初步显现。

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