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化合物半导体如何成为新基建之基石:GaN

作者:    时间:1970-01-01    阅读量:277

自3月4日我国政府指出要加快5G网络、数据中心等新型基础设施建设进度以来,“新基建”成为经济大热词。“新基建”覆盖5G基建、特高压、城际高铁和城市轨道交通、新能源汽车充电桩、大数据中心、人工智能、工业互联网七大领域,完全可以用硬核科技四个字来概括,而处于最上游的半导体产业又将如何厉兵秣马?


本期智芯咨询整合多家专业机构资源,特别推出《化合物半导体如何成为新基建之基石》系列专题。本文主要介绍极具电力电子器件和射频器件的先天优势的GaN。

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智芯咨询

氮化镓材料由于禁带宽度达到3.4eV,与SIC、金刚石等半导体材料一起,被誉为第三代半导体材料,也称为宽禁带半导体。由于氮化镓具有禁带宽度大、击穿电场高、饱和电子速度大、热导率高、介电常数小、化学性质稳定和抗辐射能力强等优点,成为高温、高频、大功率微波器件的首选材料之一,具有作为电力电子器件和射频器件的先天优势。

相较于SiC,GaN材料的优势主要是成本低,易于大规模产业化。尽管耐压能力低于SiC器件,但优势在于开关速度快。同时,GaN如果配合SiC衬底,器件可同时适用高功率和高频率。与传统Si材料相比,基于GaN材料制备的功率器件拥有更高的功率密度输出,以及更高的能量转换效率,并可以使系统小型化、轻量化,有效降低电力电子装置的体积和重量,从而极大降低系统制作及生产成本。

GaN产业链:海外企业为主,国内企业逐步涉足
GaN器件产业链各环节依次为:GaN单晶衬底(或SiC、蓝宝石、Si)→GaN材料外延→器件设计→器件制造。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,如传统硅晶圆代工厂台积电开始提供GaN制程代工服务,国内的三安集成也有成熟的GaN制程代工服务。各环节相关企业来看,基本以欧美企业为主,中国企业已经有所涉足。


微信图片_20200625191946.jpg资料来源:中泰证券研究所


GaN衬底:主流产品以2~3英寸为主,4英寸也已经实现商用。GaN衬底主要由日本公司主导,日本住友电工的市场份额达到90%以上。我国目前已实现产业化的企业包括苏州纳米所的苏州纳维科技公司和北京大学的东莞市中镓半导体科技公司。
GaN外延片:根据衬底的不同主要分为GaN-on-Si、GaN-on-SiC、GaN-on-sapphire、GaN-on-GaN四种。GaN-on-Si:目前行业生产良率较低,但是在降低成本方面有着可观的潜力:因为Si是最成熟、无缺陷、成本最低的衬底材料;同时Si可以扩展到8寸晶圆厂,降低单位生产成本,使其晶圆成本与SiC基相比只有其百分之一;Si的生长速度是于SiC晶体材料的200至300倍,还有相应的晶圆厂设备折旧以及能耗成本上的差别等。GaN-on-Si外延片主要用于制造电力电子器件,其技术趋势是优化大尺寸外延技术。GaN-on-SiC:结合了SiC优异的导热性和的GaN高功率密度和低损耗的能力,是RF的合适材料。受限于SiC的衬底,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。GaN-on-sapphire:主要应用在LED市场,主流尺寸为4英寸,蓝宝石衬底GaNLED芯片市场占有率达到90%以上。GaN-on-GaN:采用同质衬底的GaN主要应用市场是蓝/绿光激光器,应用于激光显示、激光存储、激光照明等领域。
▼GaN外延用不同衬底的对比


微信图片_20200625191952.jpg资料来源:赛迪智库,中泰证券研究所


GaN器件设计与制造:GaN器件分为射频器件和电力电子器件,射频器件产品包括PA、LNA、开关器、MMIC等,面向基站卫星、雷达等市场;电力电子器件产品包括SBD、常关型FET、常开型FET、级联(Cascode)FET等产品,面向无线充电、电源开关、包络跟踪、逆变器、变流器等市场。按工艺分,则分为HEMT、HBT射频工艺和SBD、PowerFET电力电子器件工艺两大类。
▼GaN器件主要产品与工艺技术


微信图片_20200625191958.jpg资料来源:赛迪智库,中泰证券研究所


GaN器件的分类及应用领域


微信图片_20200625192009.jpg资料来源:长江证券研究所


GaN功率器件处于技术研发向商用推广的发展期,过去几年不断有厂商发布GaN产品,Yole对GaN功率器件市场的预测分为稳定增长型和爆发式增长型两种,其中爆发式增长模型预计在2023年市场空间达到4.3亿美元。


按照Yole爆发式模型预测,2023年GaN功率器件市场将达到4.3亿美元

微信图片_20200625192013.jpg资料来源:Yole,长江证券研究所

射频:GaN射频器件大有可为,5G是重要机遇

GaN是5G应用的关键技术。5G将带来半导体材料革命性的变化,随着通讯频段向高频迁移,基站和通信设备需要支持高频性能的射频器件,GaN的优势将逐步凸显。

GaN在5G时代应用广泛

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资料来源:Qorvo官网,中泰证券研究所

对于5G解决方案,需要功率放大器兼具高线性度和高效率的特性。由于传统的LDMOS器件在高频段、高带宽的应用效率不及第三代化合物半导体的GaN器件,随着未来工作频率进一步提高,GaN器件(<50V)的优势会进一步显现。随着5G时代的到来,GaAs预计仍为室内网络系统结构的主流,但在宏基站领域,GaN因其高功率特性,优势将得以凸显。从不同的工艺来看,预计GaN-on-SiC将成为对功率要求较高的宏基站射频器件用半导体材料的主流。

得益于GaN可处理更高频率和更高能效的电源,相比硅组件,GaN可以在尺寸和能耗减半的条件下输送同等的功率,从而提高功率密度,帮助客户在不增大设计空间的同时满足更高的功率要求。而大范围的5G网络覆盖要求运营商部署更高功率和运行频率的设备,GaN的功率密度优势可以满足他们的需求。


GaN较GaAs大幅减少体积

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资料来源:RFMD,国盛证券研究所

基站建设将是氮化镓市场成长的主要驱动力之一。Yoledevelopment数据显示,2018年,基站端氮化镓射频器件市场规模不足2亿美元,预计到2023年,基站端氮化镓市场规模将超5亿美元。氮化镓射频器件市场整体将保持23%的复合增速,2023年市场规模有望达13亿美元。
据拓璞产业研究院援引工信部数据,截至2017年12月底中国4G宏基站数量为328万座。中国5G宏基站数量有望达到500万座,为4G基站数量的1.5倍。宏基站建设将会拉动基站端GaN射频器件的需求量,考虑到5G基站的建设周期,拓璞产业研究院预计到2023年基站端GaN射频器件规模达到顶峰,达到112.6亿元。
由于5G蜂窝网络布局有一定的极限,为了满足热点地区的网络需求,在宏基站之外,还需要布臵小基站组成微蜂窝网络。由于小基站不能对宏基站造成干扰,频率较宏基站更高,以Sub-6GHZ为主,GaN射频器件是很好的选择。据拓璞产业研究院援引赛迪智库测算数据,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,到2024年基站端GaN射频器件规模达到峰值,可达9.4亿元。
通信基站的发展趋势 
微信图片_20200625192055.jpg资料来源:Yole,中兴,兴业证券经济与金融研究院整理
GaN材料5G基站发展趋势


微信图片_20200625192100.jpg资料来源:Yole,中泰证券研究所


GaN非常适合毫米波领域所需的高频和宽带宽,可满足性能和小尺寸要求。使用mmWave频段的应用将需要高度定向的波束成形技术,这意味着射频子系统将需要大量有源元件来驱动相对紧凑的孔径。GaN非常适合这些应用,因为小尺寸封装的强大性能是GaN最显著的特征之一。
GaN射频市场
GaN在射频市场更关注高功率、高频率场景。由于GaN在高频下具有较高的功率输出和较小的面积,GaN已被射频行业广泛采用。随着5G到来,GaN在Sub-6GHz宏基站和毫米波(24GHz以上)小基站中找到一席之地。GaN射频市场将从2018年的6.45亿美元增长到2024年的约20亿美元,这主要受电信基础设施和国防两个方向应用推动,卫星通信、有线宽带和射频功率也做出了一定贡献。
GaN在射频市场更关注高功率、高频率市场


微信图片_20200625192106.jpg资料来源:YoleDéveloppement,中信建投证券研究发展部


据Yole统计,2019年全球3750多项专利一共可分为1700多个专利家族。这些专利涉及RFGaN外延、RF半导体器件、集成电路和封装等。Cree(Wolfspeed)拥有最强的专利实力,在RF应用的GaNHEMT专利竞争中,尤其在GaN-on-SiC技术方面处于领先地位,远远领先于其主要专利竞争对手住友电工和富士通。英特尔和MACOM是目前最活跃的RFGaN专利申请者,主要聚焦在GaN-on-Si技术领域。GaNRFHEMT相关专利领域的新进入者主要是中国厂商,例如HiWafer(海威华芯),三安集成、华进创威。
GaNRF玩家全球市场格局


微信图片_20200625192112.jpg资料来源:YoleDéveloppement,中信建投证券研究发展部


电子电力:GaN推动快充、汽车电子进入小体积、高效率时代
由于结构中包含可以实现高速性能的异质结二维电子气,GaN器件相比于SiC器件拥有更高的工作频率,加之可承受电压要低于SiC器件,所以GaN电力电子器件更适合高频率、小体积、成本敏感、功率要求低的电源领域,如轻量化的消费电子电源适配器、无人机用超轻电源、无线充电设备等。
GaN在电力电子领域主要优势在于高效率、低损耗与高频率。GaN材料的这一特性使得其在消费电子充电器、新能源充电桩、数据中心等领域具有很大的应用前景。


  • 高转换效率:GaN的禁带宽度是Si的3倍,击穿电场是Si的10倍。因此,同样额定电压的GaN开关功率器件的导通电阻比Si器件低3个数量级,大大降低了开关的导通损耗。

  • 低导通损耗:GaN的禁带宽度是Si的3倍,击穿电场是Si的10倍。因此,同样额定电压的GaN开关功率器件的导通电阻比Si器件低3个数量级,大大降低了开关的导通损耗。

  • 高工作频率:GaN开关器件寄生电容小,工作效率可以比Si器件提升至少20倍,大大减小了电路中储能原件如电容、电感的体积,从而成倍地减少设备体积,减少铜等贵重原材料的消耗。

GaN在汽车电子上拥有多样的应用场景

GaN技术有望大幅改进电源管理、发电和功率输出等应用。2005年电力电子领域管理了约30%的能源,预计到2030年,这一数字将达到80%。这相当于节约了30亿千瓦时以上的电能,这些电能可支持30多万个家庭使用一年。从智能手机充电器到数据中心,所有直接从电网获得电力的设备均可受益于GaN技术,从而提高电源管理系统的效率和规模。

硅电源开关成功解决了低电压(<100伏)或高电压容差(IGBT和超结器件)中的效率和开关频率问题。然而,由于硅的限制,单个硅功率FET中无法提供全部功能。宽带隙功率晶体管(如GaN和SiC)可以在高压和高开关频率条件下提供高功率效率,从而远远超过硅MOSFET产品。

由于材料特性的差异,SiC在高于1200V的高电压、大功率应用具有优势,而GaN器件更适合40-1200V的高频应用,尤其是在600V/3KW以下的应用场合。因此,在微型逆变器、伺服器、马达驱动、UPS等领域,GaN可以挑战传统MOSFET或IGBT器件的地位。GaN让电源产品更为轻薄、高效。


电源开关的分类


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资料来源:Infineon,中信建投证券研究发展部


GaN在汽车电子中的应用

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资料来源:EPC,中信建投证券研究发展部


现行汽车的特点和功能是耗电和电子驱动,给传统的12V配电总线带来了额外负担。对于48V总线系统,GaN技术可提高效率、缩小尺寸并降低系统成本。而光线式距离保持和测量功能(激光雷达)使用脉冲激光快速提供车辆周围环境的高分辨率360°三维图像,GaN技术可使激光信号发送速度远高于同类硅MOSFET器件。基于GaN的激光雷达使自主驾驶车辆能够看得更远、更快、更好,从而成为车辆眼睛。此外,GaNFET工作效率高,能以低成本实现最大的无线电源系统效率。用于高强度LED前照灯时,GaN技术可提高效率,改善热管理并降低系统成本。而更高的开关频率允许在AM波段以上工作并降低EMI。综合来看,GaN在汽车电子方面拥有丰富的应用场景。

GaN可为下一代充电器市场提供更优选择

GaN在未来几年将在许多应用中取代硅,其中,快充是第一个可以大规模生产的应用。在600伏特左右的电压下,GaN在芯片面积、电路效率和开关频率方面的表现明显好于硅,因此在壁式充电器中可以用GaN来替代硅。5G智能手机的屏幕越来越大,与之对应的是手机续航的需求越来越高,这意味着电池容量的增加。GaN快充技术可以很好地解决大电池带来的充电时长问题。

27wGaN充电器VSApple30W充电器

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资料来源:充电头网,中信建投证券研究发展部

在1990年代对分立GaN及2000年代对集成GaN进行了多年学术研究之后,Navitas的aNFast源集成电路现已成为业界公认的,具有商业吸引力的下一代解决方案。它可以用来设计更小、更轻、更快的充电器和电源适配器。单桥和半桥的GaNFast电源IC是由驱动器和逻辑单片集成的650V硅基GaNFET,采用四方扁平无引线(QFN)封装。GaNFast技术允许高达10MHz的开关频率,从而允许使用更小、更轻的无源元件。此外,寄生电感限制了Si和较早的分立GaN电路的开关速度,而集成可以最大限度地减少延迟和消除寄生电感。

GaN增加了功率和效率

微信图片_20200625192215.jpg资料来源:半导体行业观察,中信建投证券研究发展部


GaN电源市场到2024年约3.5亿美元,CAGR达85%
2019年9月,OPPO宣布在其65W内置快速充电器中采GaNHEMT器件,GaN在2019年首次进入主流消费应用。2020年2月,小米公司在小米10发布会上也宣布使用65W的GaN快充,引起了市场极大的关注,GaN功率器件在2020年预计将会加速普及。由于GaN充电器具有体积小、发热低、功率高、支持PD协议的特点,GaN充电器有望在未来统一笔记本电脑和手机的充电器市场。
据Yole预测,受消费者快速充电器应用推动,到2024年GaN电源市场规模将超过3.5亿美元,CAGR为85%,有极大增长空间。此外,GaN还有望进入汽车及工业和电信电源应用中。从生产端看,GaN功率半导体已开始批量出货,但其价格仍然昂贵。制造成本是阻碍市场增长的主要障碍,因为到今天GaN仍主要使用6英寸及以下晶圆生产。一旦成本可降低到一定门槛,市场就会爆发。


长期GaN功率市场演变

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资料来源:YoleDéveloppement,中信建投证券研究发展部


基于手机快充的激烈竞争,OPPO、vivo、小米等中国手机厂商将带动GaN功率市场快速增长。GaN功率器件领域一直由EPC,GaNSystems,Transphorm和Navitas等纯GaN初创公司主导,他们的产品主要是TSMC,Episil或X-FAB代工生产。国内新兴代工厂中,三安集成和海威华芯具有量产GaN功率器件的能力。
光电子:GaN低功耗、高发光效率为LED、紫外激光器助力
1993年,Nichia公司中村修二推出了第一只高亮度GaN蓝光LED,解决了自1962年LED问世以来高效蓝光缺失的问题,1996年又首次在蓝光LED上涂覆黄色荧光粉从而实现白光发射,开启了LED白光照明的新时代。目前实现白光LED有三种主要方法:(1)采用蓝色LED激发黄光荧光粉,实现二元混色白光;(2)利用紫外LED激发三基色荧光粉,由荧光粉发出的光合成白光;(3)基于三基色原理,利用红、绿、蓝三基色LED芯片合成白光。这几种获得白光LED照明的方法各有自己的优缺点。
MicroLED是新一代显示技术,比现有的OLED技术亮度更高、发光效率更好,但功耗更低。2017年5月,苹果已经开始新一代显示技术的开发。2018年2月,三星在CES2018上推出了MicroLED电视。MicroLED显示技术可以将LED结构设计薄膜化、微小化与阵列化,尺寸仅约1~100μm等级,但精准度可达传统LED的1万倍。此外,MicroLED在显示特性上与OLED类似,无需背光源且能自发光,唯一区别是OLED为有机材料自发光。目前OLED受各大厂商青睐,是因为在反应时间、视角、可挠性、显色性与能耗等方面均优于TFTLCD,但MicroLED更容易准确调校色彩,且有更长发光寿命和更高亮度。MicroLED有望继OLED之后,成为另一项推动显示品质的技术。
晶能光电目前硅衬底GaN基LED实现了8英寸量产,并且在单片MOCVD腔体中取得了8英寸外延片内波长离散度小于1nm的优异均匀性,这对于MicroLED来说至关重要。商用的12英寸及以上的硅圆晶已经完全成熟,随着高均匀度MOCVD外延大腔体的推出,硅衬底LED外延升级到更大圆晶尺寸不存在本质困难。因此,硅衬底GaN基技术的特性是制造MicroLED芯片的天然选择。
基于GaN-on-Si技术的MicroLED


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资料来源:Plessey官网,中信建投证券研究发展部


GaN光电子市场成长快速,市场规模增量可期
根据LEDinside分析,LED照明市场规模2018-2023年的CAGR为6%。在物联网和5G新时代,智慧化产品渗透率更加迅速提升,智能家居照明的商机即将爆发。此外,2022年MicroLED以及MiniLED的市场产值预计将会达到13.8亿美元。下一代MiniLED背光技术将是各家厂商的开发重点,至2023年MiniLED市场规模预计会达到10亿美元。其中显示屏应用成长速度最快,2018年至2023年CAGR预计超过50%。
MicroLED产业链大致分为LED芯片、转移、面板与终端应用四大环节,目前以芯片和应用端推动力度最大,中端环节较为薄弱。已布局的上游厂商分别有Osram、Nichia、晶电、錼创(PlayNitride)与三安等;中游有LuxVue、mLED与工研院;下游有Apple、Sony与Lumiode等。从区域来看,欧美厂商偏重下游终端应用开发,亚太厂商聚焦关键零组件的发展。
MicroLED产业链情况


微信图片_20200625192245.jpg资料来源:拓墣产业研究院,中信建投证券研究发展部

重点企业

Macom硅基GaN的引领者

Macom是硅基GaN的引领者,公司在北美、欧洲和亚洲拥有多个研发中心,具备超过65年的射频微波器件生产历史。公司产品线广泛,从射频到光器件都有所涉及,下游客户主要包括数据中心,电信以及工业和国防等。Macom的硅基GaN器件主要用于基站,目标是替代LDMOS以及SiC基GaN。

Macom产品线涵盖射频微波器件到光器件

微信图片_20200625192313.jpg资料来源:MACOM官网,中泰证券研究所

CREE:碳化硅基氮化镓龙头

CREE成立于1987年,1993年上市,为全球LED外延、芯片、封装、LED照明解决方案、化合物半导体材料、功率器件和射频于一体的著名制造商和行业领先者。

CREE在氮化镓射频领域,专利护城河全球第一。根据专利研究机构KnowMade对3750项氮化镓射频领域专利的研究,基于数量与质量等多个维度的综合考量,CREE毫无疑问为全球第一,尤其在碳化硅基氮化镓领域。

氮化镓射频领域专利实力

微信图片_20200625192318.jpg资料来源:knowmade、国盛证券研究所


公司在2018年2月的投资者日提出了未来的发展规划,推动Wolfspeed成为增长引擎,将LED聚焦于更加差异化的市场。Wolfspeed专注于碳化硅与氮化镓领域,产品包括碳化硅材料、射频器件、功率器件。下游包括电动车、通讯、工业、国防、航天航空。
2019年3月15日,CREE宣布出售其照明产品业务部门(CreeLighting)给IDEALINDUSTRIES,其中包括面向商业、工业及消费者的LED照明灯具、光源和照明解决方案业务。该交易税前价约为3.1亿美元(约合人民币20.8亿元)。出售照明业务部门符合公司战略,有助于为Wolfspeed半导体业务提供增长资本,预计公司资本配臵将优先用于wolfspeed业务,进一步增强公司在碳化硅、氮化镓领域的竞争力。
住友电工:全球GaN射频器件第一大供应商
住友集团具有400年渊源历史,旗下住友电工(SumitomoElectric)主要生产GaAs低噪声放大器(LNA)、GaN放大器、光收发器及模块。住友电工为全球GaN射频器件第一大供应商,同时也是华为GaN射频器件第一大供应商,住友电工还向华为供应大量的光收发器及模块,位列华为50大核心供应商之列。住友电工垄断全球GaN衬底市场,其技术在业内处于领先地位。

公司中期经营计划


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资料来源:住友电工官网,中信建投证券研究发展部


Navitas:世界领先的GaN功率IC——GaNFast技术的创造者
Navitas半导体成立于2014年,旨在推动电力电子领域的高速革命。Navitas认为,将高开关频率与高能效相结合可以使电源系统大幅提高充电速度和功率密度,并降低成本。Navitas发明了业界首个GaN功率IC,该技术使开关速度提高了100倍,同时节省了40%及以上的能源。
公司技术包括业界首个商用平面功率MOSFET,首个高压功率IC,首个驱动器+MOSFET集成,首个专用功率MOS芯片组,首个级联GaN功率FET以及所有主要功率电子市场中的其他产品。Navitas团队创建了超过40亿美元的新功率半导体业务。小米在2020年2月发布的65WGaN快充即采用了Navitas提供的IC芯片。
Navitas的GaN功率IC效果


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资料来源:Navitas官网,中信建投证券研究发展部


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(本文转自:第三代半导体联合创新孵化中心


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