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行业研究|氮化镓行业概览

2024-08-20 09:39

摘要：

• 应用场景：氮化镓材料具备更宽的禁带宽度、更高的击穿电场、更高的热导率、更高的电子饱和速率及更优的抗辐照能力，使得其在功率器件、射频器件、光电器件领域大有作为。随着5G 通信、消费电子、新能源汽车、数据中心等高景气度下游逐步提出更高性能要求，有望放量提价。

• 产业链：氮化镓产业链上游原材料包括氮化镓衬底及氮化镓外延片，目前主要采用蓝宝石、SiC、Si等衬底，GaN 单晶衬底目前成本较高；中游为氮化镓器件制造商，经营模式分为设计制造一体、设计和代工厂；下游应用领域广泛。

• 市场规模：随着氮化镓行业应用领域的不断拓展，中国氮化镓行业市场规模不断扩大：市场规模由2017年的78.7亿元提高至2021年的303.1亿元，年复合增长率为40.1%，预计2026年将增长至1029.7亿元。

• 竞争格局：中国氮化镓行业集中度较为分散，各企业在氮化镓射频器件、功率器件、显示器件等领域竞相发展，竞争格局日益激烈，氮化镓产业链不断完善。

一、行业综述

（一）定义与介绍

1.第三代半导体

氮化镓化学式为GaN，是氮和镓的化合物，属于第三代半导体材料。第三代半导体是指化合物半导体，包括SiC(碳化硅)、GaN（氮化镓）、ZnO（氧化锌）、GaO（氧化镓）、AlN（氮化铝），以及金刚石等宽禁带半导体材料（导带与禁带间能隙差Eg>2.3eV）。

第三代半导体具有高击穿电场、高热导率、高电子迁移率、高工作温度等优点。以SiC和GaN为代表物质制作的器件具有更大的输出功率和更好的频率特性，更适合制作高温、高频、大功率及抗辐照器件，可广泛应用在高压、高频、高温以及高可靠性等领域，包括射频通信、雷达、卫星、电源管理、汽车电子、工业电力电子等。

2.氮化镓的特性

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。与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，这使其更容易与其他半导体器件集成。

氮化镓（GaN）可同时涵盖射频和功率领域，特别是在高功率和高频率领域应用效果特别出色，与其他化合物半导体材料相比，具有较高投资价值。

3.氮化镓器件制作流程

氮化镓器件制作流程包装衬底、外延及器件设计和制造。由于GaN单晶衬底生长尺寸受限，目前GaN器件主要采用蓝宝石、SiC、Si等衬底，但外延层GaN和异质衬底之间存在晶格失配和热失配问题，效率降低，研究者们正着力突破GaN单晶衬底的制备技术。

虽然基于GaN衬底的GaN器件，在各个性能指标都处于领先水平，但是衬底价格过高。所以硅基和碳化硅基的GaN器件率先商用。

4.氮化镓衬底晶体制备技术

目前GaN单晶衬底以2-4英寸为主，4英寸已实现商用，6英寸样本正开发。GaN体单晶衬底的主要方法有氢化物气相外延法（HVPE）、氨热法，以及助熔剂法，上述三种方法对应的生长条件、生长速率和优劣比较如下表所示。

HVPE方法生长速率快、易得到大尺寸晶体，是目前商业上提供氮化镓单晶衬底的主要方法；其缺点是成本高、晶体位错密度高、曲率半径小以及会造成环境污染。同时HVPE方法也为GaN外延的制备方法之一。

通过高温下高纯Ga不HCl反应形成GaCl蒸气，在衬底戒外延面不NH3反应，沉积结晶形成GaN。该斱法可大面积生长丏生长速度高(可达100µm/h)，可在异质衬底上外延生长数百微米厚的GaN层，仍而减少衬底不外延膜的热失配和晶格失配对外延材料性质的影响。生长后用研磨戒腐蚀法去掉衬底，即可获得GaN单晶片。此法得到的晶体尺寸较大，丏位错密度控制地较好。针对高生长速度带来的缺陷密度高问题，可通过HVPE不MOCVD中的横向覆盖外延生长法(ELOG)相结合有效改善。

氨热法主要以超临界氨为熔体，以GaN多晶为原料。通过溶解于超临界氨中的GaN由于过饱和在籽晶上重结晶生成GaN单晶，酸性戒碱性矿化剂的加入可以提高GaN的溶解度。由于其为液相法生长，得到的晶体位错密度非常低，在实际生产应用中，往往用氨热法得到的晶体作为籽晶，结合HVPE的高生长速率进行外延生长。

氨热法生长技术结晶质量高，可以在多个籽晶上生长，易规模化生产，可以显著降低成本；缺点是生长压力较高，生长速率低。

助熔剂法生长条件相对温和，对生长装备要求低，可以生长出大尺寸的氮化镓单晶；其缺点是易于自发成核形成多晶，难以生长出较厚的氮化镓晶体。

5.氮化镓外延制备

MOCVD（金属有机物气相沉积法），MBE（分子束外延法），HVPE（氢化物气相外延法）等是比较传统的GaN薄膜制备方法。

MOCVD工艺以三甲基镓作为镓源，氨气作为氮源，以蓝宝石(Al2O3)作为衬底，并用氢气和氮气的混合气体作为载气，将反应物载入反应腔内，加热到一定温度下使其发生反应，在衬底表面上吸附、成核、生长，最终形成一层GaN单晶薄膜。采用MOCVD法制备的产量大，生长周期短，适合用于大批量生产。

MBE法制备GaN与MOCVD法类似，主要区别在于镓源的不同。MBE法的镓源通常采用Ga的分子束，NH3作为氮源。用该方法可以在较低的温度下实现GaN的生长，一般为700℃左右。但外延层较厚的膜反应时间较长，在生产中发挥的效率欠佳，因此该方法尚不能用于大规模生产。

MBE技术是通过真空外延技术制备GaN。真空中原子、原子束或分子束落到衬底或外延面上，其中的一部分经过物理-化学过程，在该面上按一定的结构有序排列构成外延膜，形成晶体薄膜。镓分子束通过在真空中加热和蒸发元素形成，氮分子束则采用氨气或氮气等离子体作为氮源，MBE法以氨气为氮源，MBE与MOCVD制备GaN的区别主要在于镓源不同，MBE法可在700℃左右的较低温度下实现晶体生长，有效减少氨气挥发，同时低温减小了分子束与氨气的反应速度，进而能够精确控制外延层厚度。

HVPE法与上述两种方法的区别也在于镓源，通常以镓的氯化物GaCl3为镓源，NH3为氮源，在衬底上以1000℃左右的温度生长出GaN晶体。此方法生成的GaN晶体质量较好，高温下生长速度快，但高温反应对设备、成本与技术要求都比较高。

（二）发展历程

1969年，日本科学家沉积出氮化镓薄膜。1969年至1997年是氮化镓材料的萌芽期，该阶段氮化镓研究仅限实验室范围，研发难度大，发展进程较为缓慢，且氮化镓尚未实现商业化。1998年至2012年，氮化镓的研发进程逐渐从实验室向高新技术企业转变，但主要集中于美国、日本公司，同时氮化镓材料实现了商业化，应用领域由LED照明拓展到电力电子和射频电子领域。2013年之后，全球范围内氮化镓厂商不断增多，中国企业也实现了氮化镓产业链的全覆盖。

（三）行业背景

第一代半导体功率在100W左右，频率约3GHz；第二代半导体材料频率能达到100GHz，但功率却不足100W；第三代半导体材料功率可达到1,000W，频率接近100GHz，是目前最具发展前景的材料。

（四）市场现状

中国氮化镓行业发展速度较快，国产化水平不断提升，多家中国本土企业已拥有了氮化镓晶圆制造水平。

截至2021年底，中国已有应用在电力电子和射频领域的氮化镓晶圆产线各10条，多家中国本土企业已拥有了氮化镓晶圆制造水平。

（五）相关政策

“十四五”期间，国家要求推动碳化硅、氮化镓等宽禁带半导体发展，并提出实现650V电压等级国产氮化镓材料和功率器件的规模化生产；申请发明专利≥10件，指定国家或行业标准≥2项的具体要求。

（六）应用

氮化镓材料具备更宽的禁带宽度、更高的击穿电场、更高的热导率、更高的电子饱和速率及更优的抗辐照能力，目前其主要应用方向可分为：光电子领域、射频电子领域以及电力电子领域。

氮化镓器件的应用与衬底密切相关，不同衬底应用不同领域。

SiC衬底在4G时代被逐步推广和应用，由于5G频率高于4G，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晶囿生产工艺成熟，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。

1.光电子领域

相较于传统的硅材料，氮化镓具有更高的电子迁移率、更宽的能隙、更好的热导率和更高的韧性。这些特性使得氮化镓在光电子领域具有重要的应用优势。氮化镓材料可以用于制备高性能的 LED（发光二极管）和 LD（激光二极管）器件。

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多量子阱作为复合収光区域，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。

LED 具有高亮度、低功耗、长寿命和环保等优点，被广泛应用于室内和室外照明、汽车车灯、显示屏、信号灯等领域。而 LD 则可以用于通信、医疗、工业加工等领域，具有较高的能量转换效率、较小的尺寸和较快的开关速度等特点。其次，氮化镓材料还可以用于制备高性能的光电子器件，如光电探测器、太阳能电池和光通信器件等。

2.射频电子领域

氮化镓射频器件主要应用于军用雷达、卫星通讯、5G 基站等方面。射频器件材料主要有三种：GaAs ，基于 Si 的 LDMOS以及GaN 。GaAs器件的缺点是器件功率较低，低于50W；LDMOS 器件的缺点是工作频率存在极限，最高有效频率在3GHz以下；GaN弥补了GaAs和Si基LDMOS两种老式技术之间的缺陷，在体现 GaAs 高频性能的同时，结合了Si基LDMOS的功率处理能力。

根据业内公司发布的实验数据显示：使用GaN制作的功放产品的输出功率和效率都显著优于其他材料（GaAs、LDMOS）制作的功放产品；频率响应曲线的平坦持续范围最宽。正是由于GaN优秀的材料特质，毫米波、MassiveMIMO、波束合成以及载波聚合等5G移动通信中使用到的核心基础技术最后都将使用GaN材料制作功率放大器产品。

3.电力电子领域

由于导通电阻小，使用GaN器件制作的功率器件转换效率将显著提升，显著降低电力损耗情况，达到节能的效果。由于导通电阻小、可在高温环境下共奏以及效应速度快，器件体积将显著降低。

由于SiC衬底价格比较昂贵，目前大多数GaN功率器件均采用Si衬底；采用GaN-on-Si的功率器件工作电压在1000V以下，成本在1美金左右。因此，GaN功率器件在低压领域（0-900V）首先商用，替代传统的硅基功率器件。

二、产业链分析

氮化镓产业链上游原材料包括氮化镓衬底及氮化镓外延片，原材料成本较高，进口依赖严重；中游为氮化镓器件制造商，经营模式分为设计制造一体、设计和代工厂；下游应用领域广泛。

（一）上游氮化镓衬底

氮化镓衬底材料可分为蓝宝石、硅、碳化硅、氮化镓自支撑衬底四种材料。目前主流氮化镓器件公司采用碳化硅衬底。全球碳化硅衬底市场集中度高，美国在碳化硅衬底领域布局较早，美国企业CRE E和Ⅱ-Ⅵ集团占据约60%的市占率。中国本土企业起步晚，市占率较低，仅10%左右。

氮化镓自支撑衬底虽然缺陷密度低，外延材料质量好，但成本较高，且技术发展较慢，可量产的尺寸较小。碳化硅衬底与氮化镓器件匹配度高，性能好，且成本相对较低，因此受到广泛应用；中国碳化硅衬底本土企业起步晚，全球市占率较低，仅10%左右，但经营状况较好。

（二）上游氮化镓外延片

MOCVD工艺可精确控制外延层特性，可同时生长多片，产量高，是目前应用最广泛的氮化镓外延生长方法。硅基氮化镓外延片技术壁垒高：生产是系统性工程，原材料配方设计、制造工艺技术、配套设备工艺设计、自主研发能力、资本实力、产业链资源等各方面的能力储备缺一不可。

（三）中游器件制造商

产业链中游为氮化镓器件制造商，经营模式分为设计制造一体（IDM模式）、设计（Fabless模式）和代工厂（Foundry模式），其中IDM模式占比最大，为80%。IDM模式的企业能够充分发掘技术潜力；Fabless模式的企业资产较轻，企业运行费用较低；Foundry模式的企业无需承担决策风险。

（四）下游应用

氮化镓下游应用可分为光电子领域、射频电子领域、电力电子领域三大方向；中国半导体市场规模逐年上涨，氮化镓在半导体市场中渗透率较低，未来发展空间大。

三、市场规模及驱动因素

随着氮化镓行业应用领域的不断拓展，中国氮化镓行业市场规模不断扩大：市场规模由2017年的78.7亿元提高至2021年的303.1亿元，年复合增长率为40.1%，预计2026年将增长至1,029.7亿元。

（一）光电子市场

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。

（二）射频电子市场

无线通讯基础设施是氮化镓射频器件的主要应用领域，占比达到 50%，据 CASA Research 统计，2021 年 GaN 射频市场规模为 73.3 亿元，较上年增长 11%。氮化镓材料的优异性能使得其射频器件在 5G 基站应用中更为合适。5G 基站中主要使用的是氮化镓功率放大器和微波射频器件。

根据工信部数据，截至 2022 年 12 月末，我国已建成 5G 基站总数达到 230 万个，2022 年新建 88.7 万站 5G 基站，当前 5G 基站数量已达到移动基站总数的 22%。工信部指引 2023 年将新建 5G 基站 60 万个，累计 5G 基站总数将超过 290 万个。2021 年我国 5G 基站用 GaN 射频规模 36.8 亿元。2023 年以后，毫米波基站部署将成为拉动市场的主要力量，带动国内 GaN 微波射频器件市场规模成倍数增长。

折算成晶圆来看，2021 年国内 5G 宏基站生产对 4 英寸 GaN 晶圆需求量约 8.4 万片，未来 5 年的总需求将超过 60 万片。若毫米波基站开始部署，其 4 英寸 GaN 晶圆总需求约为 200-400 万片。

（三）电力电子市场

根据 Yole 预测，2020 年全球 GaN 功率器件市场规模约为 4600 万美元，预计 2026 年可达 11 亿美元，2020-2026 年 CAGR 有望达到 70%。

1.高功率电源

GaN 的“双高”特性在高性能消费电子设备中渗透潜力巨大，可满足快速充电与充电保护的场景要求。具体应用场景主要包括：PD 快充、电源适配器、无线充电、过电压保护OVP 等。

CASA Research 数据显示 2021 年国内 PD 快充 GaN 电力电子器件市场规模为 6.5 亿元，若以年均增速 50%计，2026 年可达 50 亿元，对应上游晶圆需求 68 万片。

2.新能源汽车

2022 年全国新能源汽车销量达到 680 万辆，渗透率爆发式提升，汽车电动化等级提升显著增加了功率半导体单车价值量。GaN 功率半导体主要用于电动汽车的动力总成系统，包括车载充电器 OBC、DC-DC/DC-AC 及 BMS 电池管理系统。根据 Navitas、Yole 数据测算，预计 2030 年电动汽车单车GaN 价值量有望达到 50 美元/辆。

3.数据中心

2023 年，伴随 ChatGPT 风靡全球，AIGC 有望加速推动其下游业务，对上游算力支撑提出巨大需求，数据中心放量确定性极强。GaN 功率半导体主要用于数据中心的 PSU 电源供应单元。与传统 Si 相比，GaN 可以减少用电成本并提升能量密度，减小 PSU 单元尺寸、优化数据中心整体机架排布，提供更紧凑、高效、可靠的电力供应系统。

2022 年 3 月， GaN Systems 宣布推出尖端电源单元 (PSU)解决方案，使数据中心能够提高盈利能力，降低运营成本，并减少能源消耗，为更可持续的未来做出贡献。对于数据中心中的每 10 个一组的机架，如果使用基于 GaN 的 PSU 可提高 300 万美元的利润，并降低数据中心的运营成本，而且每年还可以减少 100 多吨的二氧化碳排放量。

四、竞争格局

（一)国内竞争格局

中国氮化镓行业集中度较为分散，各企业在氮化镓射频器件、功率器件、显示器件等领域竞相发展，竞争格局日益激烈，氮化镓产业链不断完善。

2021年中国氮化镓厂商中，英诺赛科可生产8英寸氮化镓，氮化镓产能达到10,000片/月，实力较为突出。海威华芯作为具有代表性的氮化镓代工企业，可生产6英寸氮化镓，产能8,000片/月，在生产制造方面具有竞争力。华润微电子、苏州能讯、三安光电在氮化镓产能方面能力稍弱，但三安光电研发能力强，华润微电子生产出的氮化镓尺寸较大，性能较强，苏州能讯个方面发展较为均衡。整体中国氮化镓厂商行业集中度较为分散，各企业在氮化镓射频器件、功率器件、显示器件等领域竞相发展，竞争格局日益激烈。

中国氮化镓行业相关企业主要集中于东部及东南沿海地区，氮化镓行业属于高新技术产业，有研发投入高、技术先进特点，相关企业多布局于经济较发达省份，其中江苏省氮化镓行业发展的最好。

（二）国内外主要企业

全球氮化镓主要创新主体的龙头集中于日本、美国。氮化镓产业国外重点企业包括日本住友、美国 Cree、德国英飞凌、韩国 LG、三星等，中国企业代表有，晶元光电、三安光电、台积电、华灿光电等，目前中国企业和国外企业相比，技术储备、生产能力等方面仍有巨大差距。

1.Cree：全球最大的SiC衬底和器件制造商

2.住友电工：全球GaN射频器件第一大供应商

3.Navitas：全球快充市场领先的GaN功率芯片供应商

4.Qorvo：全球重要的功率放大器供货商

5.三安光电：国内布局最完整的化合物半导体公司

五、投资机会分析

1.硅基GaN功率产品：关注具有核心技术的外延片制造商

外延片在硅基GaN功率产品的总体成本中占比大约35%以上，是产业链的价值核心。外延片是产业链技术核心：在制造环节，外延片形成了器件70%的性能，决定了器件的竞争力。关注具有核心技术的外延片制造商：国内公司具有核心技术的有聚力成（未上市）、三安光电等。

2.碳化硅基GaN射频产品：关注具有核心技术的IDM公司

Massive-MIMO驱动功率放大器数量增长：基站天线上需要的功率放大器从之前的10余个增长到60+。功率放大器的单片集成是趋势：为了降低功耗，未来功率放大器将会和LNA、滤波器等集成到一个芯片上。关注具有核心技术的IDM公司：国内目前只有苏州能讯以及中电科13所具有成熟的技术和已经商用的产品。

3.碳化硅基GaN射频产品：关注具有核心技术的衬底制造商

SiC衬底制作周期长：物理气相运输法是目前的市面可商用主要方法，制作周期大约需要8天，时间不具有优势。国内企业成本和性能都无优势：目前，国内厂商生产的SiC衬底不仅贵，而且性能无法满足射频通信要求。关注具有核心技术的衬底制作商：山东天岳的SiC衬底可能是国内能够率先应用于射频通信的产品。

4.外延设备和长晶炉是产业链国产化的重要基础

设备是产业链的基础：SiC和GaN等化合物半导体的制作，一方面需要丰富的工程经验，一方面也需要高端的设备。国内设备企业仍需努力：在CVD、MOVCD、外延CVD和MBE等设备领域，主要玩家均为外国公司，占据了主要份额。关注具有国产化能力的设备公司：北方华创、中微公司以及天科合达在设备国产化进程中居于前列。

参考资料

1.20201206-方正证券-方正证券电子行业专题报告：第三代半导体之GaN研究框架

2.20210527-平安证券-平安证券半导体系列报告（一）：GaN产业链简介，射频通信将大显身手，功率器件或后来居上

3.20230414-浙商证券-浙商证券金属新材料行业专题报告：氮化镓，第三代半导体后起之秀，下游渗透潜力巨大

4.第三代半导体-氮化镓技术洞察报告

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