“報(bào)告展示的GaN日常應(yīng)用場(chǎng)景包括氮化鎵汽車(chē),，及快充充電器,?！?/p>

作者：涂鴉君編輯：tuya出品：財(cái)經(jīng)涂鴉

越來(lái)越多的人在使用手機(jī)快充充電器的時(shí)候可能不經(jīng)意間會(huì)發(fā)現(xiàn)氮化鎵（GaN）這個(gè)專(zhuān)業(yè)名詞,，實(shí)際上,，正是“氮化鎵”這一第三代半導(dǎo)體材料的技術(shù)突破,，讓第三代半導(dǎo)體能實(shí)現(xiàn)更多的場(chǎng)景應(yīng)用,，例如氮化鎵電子器件具有高頻,、高轉(zhuǎn)換效率,、高擊穿電壓等特性,，讓微顯示、手機(jī)快充,、氮化鎵汽車(chē)等有了無(wú)限可能,。

12月28日，智慧芽旗下智慧芽創(chuàng)新研究中心最新發(fā)布《第三代半導(dǎo)體－氮化鎵（GaN）技術(shù)洞察報(bào)告》（下稱(chēng)“報(bào)告”）,，從技術(shù)角度全面洞察分析了氮化鎵這一產(chǎn)業(yè)的誕生,、產(chǎn)業(yè)發(fā)展和未來(lái)突破,。 報(bào)告顯示，國(guó)內(nèi)產(chǎn)業(yè)鏈基本形成,，產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)相對(duì)聚焦中游,，中國(guó)企業(yè)紛紛入場(chǎng)。全球在氮化鎵產(chǎn)業(yè)已申請(qǐng)16萬(wàn)多件專(zhuān)利,，有效專(zhuān)利6萬(wàn)多件,。其中，保護(hù)類(lèi)型以發(fā)明專(zhuān)利為主,，行業(yè)技術(shù)創(chuàng)新度比較高,。報(bào)告指出，該領(lǐng)域中美日技術(shù)實(shí)力較強(qiáng),，中美日市場(chǎng)較熱,。 在報(bào)告展示的氮化鎵技術(shù)的日常應(yīng)用場(chǎng)景中，豐田與日本名古屋大學(xué)合作開(kāi)發(fā)“全氮化鎵汽車(chē)”,，且目前寶馬也已經(jīng)加入氮化鎵汽車(chē)應(yīng)用這一陣營(yíng),；與此同時(shí)，氮化鎵快充走進(jìn)日常生活,，華為氮化鎵快充充電器面市,，擁有大功率、超級(jí)快充,、輕巧便捷的特點(diǎn),，支持手機(jī)、平板,、PC電腦等設(shè)備充電,。

氮化鎵產(chǎn)業(yè)初步形成 氮化鎵（GaN）主要是指一種由人工合成的半導(dǎo)體材料，是第三代半導(dǎo)體材料的典型代表,， 研制微電子器件,、光電子器件的新型材料。氮化鎵技術(shù)及產(chǎn)業(yè)鏈已經(jīng)初步形成,，相關(guān)器件快速發(fā)展,。第三代半導(dǎo)體氮化鎵產(chǎn)業(yè)范圍涵蓋氮化鎵單晶襯底、半導(dǎo)體器件芯片設(shè)計(jì),、制造,、封測(cè)以及芯片等主要應(yīng)用場(chǎng)景。 氮化鎵應(yīng)用范圍廣泛,，作為支撐“新基建”建設(shè)的關(guān)鍵核心器件,，其下游應(yīng)用切中了 “新基建”中5G基站、特高壓、新能源充電樁,、城際高鐵等主要領(lǐng)域,。

此外，氮化鎵的高效電能轉(zhuǎn)換特性,，能夠幫助實(shí)現(xiàn)光伏,、風(fēng)電（電能生產(chǎn)），直流特高壓輸電（電能傳輸）,，新能源汽車(chē),、工業(yè)電源、機(jī)車(chē)牽引,、消費(fèi)電源（電能使用）等領(lǐng)域的電能高效轉(zhuǎn)換,，助力“碳達(dá)峰，碳中和”目標(biāo)實(shí)現(xiàn),。 從產(chǎn)業(yè)發(fā)展來(lái)看，全球氮化鎵產(chǎn)業(yè)規(guī)模呈現(xiàn)爆發(fā)式增長(zhǎng),。據(jù)分析機(jī)構(gòu)Yole研究顯示,，在氮化鎵功率器件方面，2020年的整體市場(chǎng)規(guī)模為0．46億美元,，受消費(fèi)類(lèi)電子,、電信及數(shù)據(jù)通信、電動(dòng)汽車(chē)應(yīng)用的驅(qū)動(dòng),，預(yù)計(jì)到2026年增長(zhǎng)至11億美元,，復(fù)合年均增長(zhǎng)率為70％。值得一提的是,，電動(dòng)汽車(chē)領(lǐng)域的年復(fù)合增長(zhǎng)率高達(dá)185％,。在氮化鎵射頻器件方面，2020年的整體市場(chǎng)規(guī)模為8．91億美元,，預(yù)計(jì)到2026年增長(zhǎng)至24億美元,，復(fù)合年均增長(zhǎng)率為18％。 從產(chǎn)業(yè)鏈看,，國(guó)內(nèi)氮化鎵產(chǎn)業(yè)鏈已基本形成,，產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)相對(duì)聚焦中游，中國(guó)企業(yè)紛紛入場(chǎng),，主要代表企業(yè)分布在全國(guó)各地,。 

中國(guó)在氮化鎵技術(shù)上起步雖晚發(fā)力強(qiáng)勁 智慧芽數(shù)據(jù)顯示，全球在氮化鎵產(chǎn)業(yè)已申請(qǐng)16萬(wàn)多件專(zhuān)利,，有效專(zhuān)利6萬(wàn)多件,。其中，保護(hù)類(lèi)型以發(fā)明專(zhuān)利為主，行業(yè)技術(shù)創(chuàng)新度比較高,。報(bào)告指出,，該領(lǐng)域美日技術(shù)實(shí)力較強(qiáng)，中美日市場(chǎng)較熱,。 

從技術(shù)發(fā)展的歷史演進(jìn)來(lái)看,，20世紀(jì)70年代初出現(xiàn)氮化鎵相關(guān)專(zhuān)利申請(qǐng)，1994年之前尚處于探索階段,，參與企業(yè)較少,；1994－2005年進(jìn)入快速發(fā)展期，主要驅(qū)動(dòng)力是LED照明商用化,；2010年開(kāi)始,，日本住友、日立等對(duì)氮化鎵襯底大尺寸的突破和進(jìn)一步產(chǎn)品化,，促進(jìn)了相關(guān)專(zhuān)利量的進(jìn)一步快速增長(zhǎng),；自2014年起，專(zhuān)利申請(qǐng)量總體趨于穩(wěn)步發(fā)展態(tài)勢(shì),，年專(zhuān)利申請(qǐng)量基本維持在9000件以上,，在這段時(shí)期，可見(jiàn)光LED熱度減退,，GaN基FET器件,、功率／射頻器件、MicroLED等器件熱度上升,。 從氮化鎵領(lǐng)域全球技術(shù)布局來(lái)看,，中國(guó)、美國(guó)和日本為氮化鎵技術(shù)熱點(diǎn)布局的市場(chǎng),。其中,，美國(guó)和日本起步較早，起步于20世紀(jì)70年代初,，而中國(guó)起步雖晚,，但后起發(fā)力強(qiáng)勁。值得注意的是,，目前全球的氮化鎵技術(shù)主要來(lái)源于日本,。 

國(guó)內(nèi)外龍頭企業(yè)技術(shù)洞察對(duì)比 報(bào)告顯示，全球氮化鎵主要?jiǎng)?chuàng)新主體的龍頭主要集中于日本,。氮化鎵產(chǎn)業(yè)國(guó)外重點(diǎn)企業(yè)包括日本住友,、美國(guó)Cree、德國(guó)英飛凌,、韓國(guó)LG,、三星等（如圖5）,，中國(guó)企業(yè)代表有晶元光電、三安光電,、臺(tái)積電,、華燦光電等（如圖6）。但目前中國(guó)企業(yè)和國(guó)外企業(yè)相比,，專(zhuān)利申請(qǐng)數(shù)量仍有一定差距,。

在這些企業(yè)中，日本住友全球率先量產(chǎn)氮化鎵襯底,，是全球氮化鎵射頻器件主要供應(yīng)商,，同時(shí)也是華為GaN射頻器件主要供應(yīng)商之一。住友聚焦于襯底和器件方面的研究,，其中,，器件方面近幾年側(cè)重于氮化鎵FET器件。該公司的氮化鎵襯底單晶生長(zhǎng)技術(shù)側(cè)重HVPE法,，重點(diǎn)解決襯底缺陷,、尺寸等難題。

此外,，住友在氮化鎵FET器件上,，側(cè)重外延工藝和芯片工藝突破。 美國(guó)Cree依靠其技術(shù)儲(chǔ)備支撐氮化鎵功率器件的市場(chǎng)化,。2019年,，Cree逐步剝離LED業(yè)務(wù),，專(zhuān)注于碳化硅電力電子器件和用于GaN射頻器件,，并于2021年正式更名為Wolfspeed（原Cree旗下的功率＆射頻部門(mén)）。在技術(shù)分布上,，發(fā)光二極管LED和GaN基FET器件兩大方向是Cree重要的專(zhuān)利布局領(lǐng)域,。

其中，前者的研發(fā)熱度在近幾年明顯衰退,，而Cree在后者的細(xì)分領(lǐng)域中則探索了較多的技術(shù)難題,，注重器件多性能發(fā)展。 德國(guó)英飛凌持續(xù)深耕功率器件領(lǐng)域,，且重點(diǎn)關(guān)注美國(guó)市場(chǎng),。其前身作為西門(mén)子集團(tuán)的半導(dǎo)體部門(mén)，英飛凌主要生產(chǎn)IGBT,、功率MOSFET,、HEMT、DC－DC轉(zhuǎn)換器,、柵極驅(qū)動(dòng)IC,、AC－DC電源轉(zhuǎn)換器等功率半導(dǎo)體器件，曾連續(xù)10年居全球功率半導(dǎo)體市場(chǎng)之首。在氮化鎵領(lǐng)域,，英飛凌的技術(shù)分布于集中產(chǎn)業(yè)鏈中游——器件模組,，持續(xù)關(guān)注GaN基FET、IGBT等功率元器件,，以及由多個(gè)功率元器件集成的功率模塊（如電源轉(zhuǎn)換器）的研發(fā),。總體而言,，英飛凌在功率模塊,、GaN基FET器件上布局的專(zhuān)利最多。 

國(guó)內(nèi)LED龍頭“三安光電”在氮化鎵領(lǐng)域有一定技術(shù)儲(chǔ)備,。三安光電是目前國(guó)內(nèi)規(guī)模最大的LED外延片,、芯片企業(yè)。2014年,，該公司投資建設(shè)氮化鎵高功率半導(dǎo)體項(xiàng)目,；2018年，在福建泉州斥資333億元投資Ⅲ－Ⅴ族化合物半導(dǎo)體材料,、LED外延,、芯片、微波集成電路,、光通訊,、射頻濾波器等產(chǎn)業(yè)。在氮化鎵領(lǐng)域,，三安光電同樣集中于產(chǎn)業(yè)鏈中游——器件模組的研究,。其布局的器件類(lèi)型主要包括可見(jiàn)光LED、紫外LED,、Micro／Mini LED和GaN基FET,。2016年后，三安光電對(duì)可見(jiàn)光LED的專(zhuān)利申請(qǐng)量逐漸下降,，并開(kāi)始增加對(duì)Micro／Mini LED,、GaN基FET的專(zhuān)利申請(qǐng)。

氮化鎵三大重點(diǎn)技術(shù)解析 首先,，GaN襯底技術(shù)是器件降本的突破口,，當(dāng)前正從小批量規(guī)模向產(chǎn)業(yè)商業(yè)化方向發(fā)展，同時(shí)向大尺寸和高晶體質(zhì)量方向發(fā)展,。GaN單晶襯底以2－3英寸為主,，4英寸已實(shí)現(xiàn)商用，6英寸已實(shí)現(xiàn)樣本開(kāi)發(fā),；GaN異質(zhì)外延襯底則已實(shí)現(xiàn)6英寸產(chǎn)業(yè)化,，8英寸正在進(jìn)行產(chǎn)品研發(fā),。 

全球GaN襯底技術(shù)共有13000多件專(zhuān)利，其中有效專(zhuān)利量4800多件,，占比為35．2％,。其中，審中專(zhuān)利占比較少,，可見(jiàn)未來(lái)有效專(zhuān)利增長(zhǎng)空間較小,。此外，日本和美國(guó)兩大市場(chǎng)分布的專(zhuān)利較多,。全球襯底技術(shù)排名靠前的專(zhuān)利申請(qǐng)人以日本企業(yè)居多,，整體技術(shù)實(shí)力較強(qiáng)，且日本住友在襯底領(lǐng)域技術(shù)儲(chǔ)備占有絕對(duì)優(yōu)勢(shì),。 

第二,，在氮化鎵基FET器件技術(shù)的應(yīng)用中，車(chē)規(guī)級(jí)氮化鎵功率器件市場(chǎng)規(guī)模進(jìn)入新紀(jì)元,，其市場(chǎng)規(guī)模不斷升高,。在電動(dòng)汽車(chē)領(lǐng)域，目前EPC和Transphorm已經(jīng)通過(guò)了車(chē)規(guī)認(rèn)證,。與此同時(shí),，BMW i Ventures對(duì)GaN Systems公司的投資，表明了汽車(chē)行業(yè)越來(lái)越認(rèn)可和重視GaN功率器件解決方案應(yīng)用于電動(dòng)汽車(chē)及混合動(dòng)力汽車(chē)（EV／HEV）,。 整體上,，氮化鎵基FET器件正在向多單元模塊化發(fā)展。在這一領(lǐng)域中,，美國(guó),、日本和中國(guó)為GaN基FET器件熱點(diǎn)布局的市場(chǎng)，其中重點(diǎn)為美國(guó)市場(chǎng),。自2000年起,，該技術(shù)領(lǐng)域開(kāi)始快速發(fā)展,，且到2010年后,，發(fā)展速度進(jìn)一步加快。頭部企業(yè)中,，日本企業(yè)仍占據(jù)大多數(shù),，且美國(guó)Cree和英特爾也占有一定的優(yōu)勢(shì)。 

第三,，Micro LED應(yīng)用場(chǎng)景廣泛涵蓋微顯示和數(shù)字終端領(lǐng)域,，未來(lái)可期?？纱┐髟O(shè)備以及超大屏顯示將于2021年進(jìn)入市場(chǎng),。據(jù)分析機(jī)構(gòu)Yole預(yù)測(cè),，至2025年產(chǎn)業(yè)鏈成熟后，或?qū)⑦_(dá)到3．3億臺(tái)的出貨量,。 Micro LED顯示技術(shù)的優(yōu)勢(shì)是自發(fā)光,、低功耗、高亮度,、超高分辨率,、小尺寸和高色彩飽和度，十分符合顯示屏領(lǐng)域輕薄化,、小型化,、低功耗、高亮度的發(fā)展方向,。因此,，高反應(yīng)速度的Micro LED是現(xiàn)今非常熱門(mén)的新一代顯示概念，將成為L(zhǎng)ED未來(lái)的發(fā)展方向,。 在Micro LED領(lǐng)域,，巨量轉(zhuǎn)移技術(shù)是該領(lǐng)域發(fā)展的重點(diǎn)。Micro／Mini LED技術(shù)在近5年處于高速發(fā)展期,，中國(guó)專(zhuān)利申請(qǐng)趨勢(shì)與全球總體一致,，并且近5年的發(fā)展勢(shì)頭迅猛，全球領(lǐng)先,。在這一技術(shù)的全球主要專(zhuān)利申請(qǐng)人中,，F(xiàn)acebook和蘋(píng)果公司分別位列第一、第二,，國(guó)內(nèi)企業(yè)如京東方,、歌爾股份、三安光電等也都名列前茅,。

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