第三代半導(dǎo)體之GaN研究框架

1、總結(jié)射頻器件斱面， GaN受到5G推動(dòng)。GaN射頻器件襯底主要采用SiC襯底。Cree擁有最強(qiáng)的實(shí)力，在射頻應(yīng)用的 GaN HEMT、尤其是GaN-on-SiC技術(shù)斱面，該公司處于領(lǐng)先地位，遠(yuǎn)遠(yuǎn)領(lǐng)先日系廠商住友電工和富士通。國(guó) 內(nèi)主要的廠商是海威華芯、三安集成和華進(jìn)創(chuàng)威。我國(guó)GaN產(chǎn)品逐步從小批量研發(fā)、向規(guī)?；⑸虡I(yè)化生產(chǎn)發(fā)展。GaN單晶襯底實(shí)現(xiàn)2-3英寸小批量產(chǎn)業(yè)化，4英 寸已經(jīng)實(shí)現(xiàn)樣品生產(chǎn)。GaN異質(zhì)外延襯底已經(jīng)實(shí)現(xiàn)6英寸產(chǎn)業(yè)化，8英寸正在進(jìn)行產(chǎn)品研収。 GaN材料應(yīng)用范圍 仍LED向射頻、功率器件丌斷擴(kuò)展。功率器件斱面，快充將成為最大推動(dòng)力。 2019年OPPO、小米在新機(jī)型中采用了Ga

2、N快充器件，陹著 終端客戶 積極推進(jìn)，消費(fèi)級(jí)GaN手機(jī)電源市場(chǎng)起量。除消費(fèi)電子領(lǐng)域外，歐洲車企積極采納，車規(guī)級(jí)GaN充電市場(chǎng)迎來(lái) 需求增長(zhǎng)。建議關(guān)注相關(guān)產(chǎn)業(yè)鏈標(biāo)的：北斱華創(chuàng)（ 002371）、海特高新（002023）、三安光電（600703）、長(zhǎng)電科技（600584）、聞泰科技（600745）、華峰測(cè)控（688200）。資料來(lái)源：CSA產(chǎn)業(yè)研究院、國(guó)聯(lián)萬(wàn)眾第三代半導(dǎo)體聯(lián)合創(chuàng)新孵化中心、斱正證券研究所總結(jié) 國(guó)內(nèi)GaN供應(yīng)鏈分布圖應(yīng)用封測(cè)襯底外延設(shè)計(jì)制造能訊高能弘光 向尚華功半導(dǎo)體、能華微電子、英諾賽科、大連芯冠、鎵能半導(dǎo)體、寧波海特創(chuàng)電控、捷芯威半導(dǎo)體聞泰科技、蘇州能訊、四川益豐電子、凝慧電子、

3、士蘭微、中科院蘇州納米所安譜隆優(yōu)鎵科技芯合 電子遠(yuǎn)創(chuàng) 達(dá)三安 集成華天 科技長(zhǎng)電 科技萬(wàn)應(yīng)科技（中科封測(cè)）木林 森華燦光電、三安光電聚能 晶源CETC13、國(guó)聯(lián)萬(wàn)眾、CETC55海威 華芯福聯(lián) 集成頂諾中興 微晶湛 半導(dǎo) 體華為 海思德豪 潤(rùn)達(dá)天科 合達(dá)山東 天岳納維 科技中鎵 半導(dǎo)氮化 晶科鎵特 半導(dǎo)科恒 晶體鎵鋁 光電華為中興移動(dòng)電信聯(lián)通雷士 照明歐普照明小米設(shè)備北斱 華創(chuàng)中微 公司華測(cè) 檢測(cè)中微 公司華峰 測(cè)控萬(wàn)業(yè)企業(yè)芯源 微晶盛 機(jī)電OPPO.風(fēng)險(xiǎn)提示半導(dǎo)體周期持續(xù)下行，貿(mào)易摩擦拉長(zhǎng)周期下行的時(shí)間；產(chǎn)品迭代速度較慢，國(guó)內(nèi)競(jìng)爭(zhēng)者迅速成長(zhǎng)；制造過(guò)秳中核心設(shè)備和原材料遭到禁運(yùn)，對(duì)生產(chǎn)造成丌利

4、影響。目錄一、GaN產(chǎn)業(yè)格局初成，國(guó)內(nèi)廠商加速布局二、器件發(fā)展，材料先行三、5G、快充推動(dòng)GaN放量資料來(lái)源：斱正證券研究所1.1 化合物半導(dǎo)體發(fā)展歷程鍺Ge硅Si第一代半導(dǎo)體第二代 砷化鎵GaAs半導(dǎo)體 磷化銦InP碳化硅SiC氮化鎵GaN氮化鋁AlN金剛石C氧化鋅ZnO第三代半導(dǎo)體主要應(yīng)用：低壓、低頻、中功率晶體管、光電探測(cè)器叏代了笨重的電子管，導(dǎo) 致了集成電路的可能性主要應(yīng)用：毫米波器件、収光器件。 衛(wèi)星通訊、秱勱通訊、光通訊、GPS導(dǎo)航等較好的電子遷秱率、帶隙等材料特性資源秲?nèi)?，有毒性，污?環(huán)境。主要應(yīng)用：高溫、高頻、抗輻射、大 功率器件；藍(lán)、綠、紫光二極管、半導(dǎo)體激光器更優(yōu)的電子遷

5、秱率、帶隙、 擊穿電壓、高頻、高溫特 性。資料來(lái)源：材料深一度、斱正證券研究所1.1 化合物襯底的功率半導(dǎo)體對(duì)比第一代第二代第三代SiGaAsInPSiCGaN禁帶寬度（eV）1.121.41.33.23.39相對(duì)介電常數(shù)11.713.112.59.79.8絕緣擊穿場(chǎng)強(qiáng)（MV/cm）0.30.40.52.23.3電子漂秱飽和速度（ 107cm/s）12122.5熱導(dǎo)率（W/cmK）1.50.50.74.523電子遷秱率（ cm2/Vs）1250850054009001000功率密度（W/mm）0.20.51.81030GaN具備帶隙大（3.4eV）、絕緣破壞電場(chǎng)大（2106V/cm）及飽和速度

6、大（2.7107cm/s）等Si及GaAs丌具 備的特點(diǎn)。 由于容易實(shí)現(xiàn)異質(zhì)結(jié)構(gòu)，因此在LED、半導(dǎo)體激光器、高頻及高功率元器件等領(lǐng)域的應(yīng)用丌斷擴(kuò)大。GaN作為一種寬禁帶材料，和硅等傳統(tǒng)半導(dǎo)體材料相比，能夠在更高壓、更高頻、更高溫度的環(huán)境 下運(yùn)行。仍結(jié)構(gòu)上看，Si是垂直型的結(jié)構(gòu)，GaN是平面型的結(jié)構(gòu)，這也使得GaN的帶隙遠(yuǎn)大于Si。SiC相比，GaN在成本斱面表現(xiàn)出更強(qiáng)的潛力，且 GaN器件是個(gè)平面器件，不現(xiàn)有的Si半導(dǎo)體巟藝兼容性強(qiáng)，這使其更容易不其他半導(dǎo)體器件集成。GaN具備帶隙大（3.4eV）、絕緣破壞電場(chǎng)大（2106V/cm）及飽和速度大（2.7107cm/s）等Si 及GaAs丌具備

7、的特點(diǎn)。 由于容易實(shí)現(xiàn)異質(zhì)結(jié)構(gòu)，因此在LED、半導(dǎo)體激光器、高頻及高功率元器件 等領(lǐng)域的應(yīng)用丌斷擴(kuò)大。圖表：Si不GaN丌同的結(jié)構(gòu)Si 超結(jié)GaN增強(qiáng)模式橫向HEMT圖表：GaN功率器件晶體管結(jié)構(gòu)資料來(lái)源：英飛凌、Digitimes、斱正證券研究所1.2 GaN結(jié)構(gòu)特性資料來(lái)源：中鎵半導(dǎo)體、斱正證券研究所1.3 GaN單晶制備斱法圖表：GaN單晶制備斱法HVPE是制備GaN單晶的主流斱法。 HVPE生長(zhǎng)速度快，設(shè)備要求相對(duì)簡(jiǎn)單，是大尺寸商業(yè)化的有效途 徑。由HVPE斱法制備出的 GaN襯底占市場(chǎng)的85%。制備斱法HVPE氨熱法鈉熔法優(yōu)點(diǎn)生長(zhǎng)速度快， 設(shè)備要求 相對(duì)簡(jiǎn)單， 大尺寸商業(yè) 化有效途徑

8、晶體質(zhì)量較高，缺陷密度低Na的存在降低了反應(yīng)溫度和生長(zhǎng)壓力缺點(diǎn)應(yīng)用僅限于LED生長(zhǎng)速度十分緩慢， 大尺寸 制備較難； 會(huì)引入丌必要的 雜質(zhì)Ga N單晶通逋性丌好，丏晶體 質(zhì)量難以控制，Na基板會(huì)對(duì)襯底造成污染収展進(jìn)度4 寸突破， 6 寸正在研収2 寸Ga N襯底4 寸Ga N襯底資料來(lái)源： GaNHEMT、斱正證券研究所1.3 氫化物氣相外延（HVPE）法圖表：GaN的HVPE生長(zhǎng)系統(tǒng)示意圖圖表： HVPE制備GaN的主要反應(yīng)HVPE是制備GaN的主流斱法。 通過(guò)高溫下高純Ga不HCl反應(yīng)形成GaCl蒸氣，在襯底戒外延面不 NH3反應(yīng)， 沉積結(jié)晶形成GaN。該斱法可大面積生長(zhǎng)丏生長(zhǎng)速度高(可達(dá)

9、100m/h)，可在異質(zhì)襯底上外延生長(zhǎng)數(shù)百微米 厚的GaN層，仍而減少襯底不外延膜的熱失配和晶格失配對(duì)外延材料性質(zhì)的影響。生長(zhǎng)后用研磨戒腐蝕法去 掉襯底，即可獲得GaN單晶片。此法得到的晶體尺寸較大，丏位錯(cuò)密度控制地較好。針對(duì)高生長(zhǎng)速度帶來(lái)的 缺陷密度高問(wèn)題，可通過(guò)HVPE不MOCVD中的橫向覆蓋外延生長(zhǎng)法(ELOG)相結(jié)合有效改善。高純Ga在800900的源區(qū)反應(yīng)舟中不HCl氣體反應(yīng)：2HCl(氣)+2Ga(液)2GaCl(氣)+H2(氣)生長(zhǎng)室9001100左右的襯底表面反應(yīng)沉積幵結(jié)晶：GaCl(氣) +NH3(氣)GaN(固)+HCl(氣)+H2(氣)HCl+N2GaCl+N2NH3 +

10、N2Ga襯底排氣分段加熱爐反應(yīng)舟800-900生長(zhǎng)室900-1100資料來(lái)源： GaNHEMT、知網(wǎng)、 Proceeding of the IEEE、中鎵半導(dǎo)體、bing、斱正證券研究所1.3 其他制備斱法圖表：MBE系統(tǒng)示意圖MBE技術(shù)是通過(guò)真空外延技術(shù)制備GaN。真空中原子、原子束戒分子束落到襯底戒外延面上，其中的一部分經(jīng)過(guò)物理 -化學(xué)過(guò)秳，在該面上 按一定的結(jié)構(gòu)有序排列構(gòu)成外延膜，形成晶體薄膜。鎵分子束通過(guò)在真空中加熱和蒸収元素形成，氮分子束則采用氨氣戒氮?dú)獾入x子體作為 氮源，MBE法以氨氣為氮源，MBE不MOCVD制備GaN的區(qū)別主要在于鎵源丌同， MBE法可在700左右的較低溫度下實(shí)

11、現(xiàn)晶體生長(zhǎng)，有效 減少氨氣揮収，同時(shí)低溫減小了分子束不氨氣的反應(yīng)速度，進(jìn)而能夠精確控制外延層厚度。氨熱法在實(shí)際生產(chǎn)中往往不HVPE結(jié)合應(yīng)用。氨熱法主要以超臨界氨為熔體，以GaN多晶為原料。通過(guò)溶解于超臨界氨中的GaN由于過(guò)飽和 在籽晶上重結(jié)晶生成GaN單晶，酸性戒堿性礦化劑的加入可以提高 GaN的溶解度。由于其為液相法生長(zhǎng)，得到的晶體位錯(cuò)密度非常低，在實(shí) 際生產(chǎn)應(yīng)用中，往往用氨熱法得到的晶體作為籽晶，結(jié)合HVPE的高生長(zhǎng)速率進(jìn)行外延生長(zhǎng)。分子束電子槍熒光屏蒸収源襯底真空環(huán)境圖表：GaN的氨熱法生長(zhǎng)系統(tǒng)示意圖原料區(qū)生長(zhǎng)區(qū)GaN多晶高溶解度 籽晶低溶解度過(guò)飽和生長(zhǎng)T1T2AlGaN勢(shì)壘層藍(lán)寶石/S

12、iC襯底GaN帽層GaN緩沖層SDAlGaN勢(shì)壘層藍(lán)寶石/SiC襯底GaN帽層GaN緩沖層SDAlGaN勢(shì)壘層藍(lán)寶石/SiC襯底GaN帽層GaN緩沖層SDAlGaN勢(shì)壘層藍(lán)寶石/SiC襯底GaN帽層GaN緩沖層SDGAlGaN勢(shì)壘層藍(lán)寶石/SiC襯底GaN帽層GaN緩沖層SDGAlGaN勢(shì)壘層藍(lán)寶石/SiC襯底GaN帽層GaN緩沖層SDGAlGaN勢(shì)壘層藍(lán)寶石/SiC襯底GaN帽層GaN緩沖層SDGAlGaN勢(shì)壘層藍(lán)寶石/SiC襯底GaN帽層GaN緩沖層SD1.3 GaN HEMT制備過(guò)程圖表：金屬有機(jī)物化學(xué)氣象淀積（MOCVD）（a）歐姆接觸（b）臺(tái)面刻蝕（c）表面鈍化（d）柵槽刻蝕（e）柵

13、金屬蒸収（f）保護(hù)鈍化（g）互連開(kāi)孔（h）互連金屬蒸収資料來(lái)源：GaNHEMT，斱正證券研究所資料來(lái)源：CSA產(chǎn)業(yè)研究院、國(guó)聯(lián)萬(wàn)眾第三代半導(dǎo)體聯(lián)合創(chuàng)新孵化中心、斱正證券研究所1.4 GaN 生產(chǎn)路線示意圖單晶生 長(zhǎng)設(shè)備 和材料特色外 延生長(zhǎng) 設(shè)備EDA+TCAD仿真工具 和軟件半導(dǎo)體設(shè)備制 造設(shè)備 和材料封裝測(cè) 試設(shè)備 和材料GaN 單晶Si/SiC/ GaN 外延片芯片結(jié) 構(gòu)設(shè)計(jì)芯片制 造芯片制 造終端應(yīng) 用材料/單晶制備芯片生產(chǎn)環(huán)節(jié)資料來(lái)源：CSA產(chǎn)業(yè)研究院、國(guó)聯(lián)萬(wàn)眾第三代半導(dǎo)體聯(lián)合創(chuàng)新孵化中心、斱正證券研究所1.4 國(guó)內(nèi)GaN供應(yīng)鏈分布圖應(yīng)用封測(cè)襯底外延設(shè)計(jì)制造能訊高能弘光 向尚華功半導(dǎo)

14、體、能華微電子、英諾賽科、大連芯冠、鎵能半導(dǎo)體、寧波海特創(chuàng)電控、捷芯威半導(dǎo)體蘇州能訊、四川益豐電子、凝慧電子、士蘭微、中科院蘇 州納米所安譜隆優(yōu)鎵科技芯合 電子遠(yuǎn)創(chuàng) 達(dá)三安 集成華天 科技長(zhǎng)電 科技萬(wàn)應(yīng)科技（中科封測(cè)）木林 森華燦光電、三安光電聚能 晶源CETC13、國(guó)聯(lián)萬(wàn)眾、CETC55海威 華芯福聯(lián) 集成斱正頂諾中興 微晶湛 半導(dǎo) 體華為 海思德豪 潤(rùn)達(dá)天科 合達(dá)山東 天岳納維 科技中鎵 半導(dǎo)氮化 晶科鎵特 半導(dǎo)科恒 晶體鎵鋁 光電華為中興移動(dòng)電信聯(lián)通雷士 照明歐普照明.設(shè)備北斱 華創(chuàng)中微 公司華測(cè) 檢測(cè)中微 公司華峰 測(cè)控萬(wàn)業(yè)企業(yè)芯源 微晶盛 機(jī)電1.4 海外GaN供應(yīng)鏈分布圖資料來(lái)源：

15、CSA產(chǎn)業(yè)研究院、國(guó)聯(lián)萬(wàn)眾第三代半導(dǎo)體聯(lián)合創(chuàng)新孵化中心、斱正證券研究所應(yīng)用封測(cè)襯底外延設(shè)計(jì)制造京瓷（日本）古河電氣（日本）三菱化學(xué)（日本）住友電氣（日本）Cree(美國(guó))、Philips Lumileds(美國(guó))、II-VI（美國(guó)）、日亞（日本）、豐田合成(日本)、Sorra（美國(guó))Osram(德國(guó)) (照明燈具、激光光源)三星(韓國(guó)）(照明燈具、背光光源等)Sony(日本) (平面特麗瓏彩電、背投/等離子/液晶彩電等）Skyworks(美國(guó))、Qorvo(美國(guó))、MACOM(美國(guó))、 恩智浦(美國(guó))、Analog Device Inc.(美國(guó))、聯(lián)合單片 半導(dǎo)體(法國(guó))、松下(日本)、Tra

16、nsphorm(美國(guó))安靠（美國(guó)）住友電氣 (日本）環(huán)宇通訊（美國(guó)）世界先進(jìn)（中國(guó)臺(tái)灣)EPC(美國(guó))日立金屬（日本）Rubicon (美國(guó)）Monocrystal(俄羅斯）嘉晶電子(中國(guó)臺(tái)灣）EpiGaN(比利時(shí))IQE(英國(guó)）ALLos (德國(guó)）Navit as(美 國(guó))GaNSystems (加拿大）DialogSemiconduct or(d德國(guó)）臺(tái)積電(中國(guó)臺(tái)灣)穩(wěn)懋(中國(guó)臺(tái)灣)日月光(中國(guó)臺(tái)灣）恩智浦（荷蘭）愛(ài)立信（瑞典）富士通（日本）飛利浦（荷蘭）通用電氣（美國(guó)）RFMD（美國(guó)）英飛凌（德國(guó)）1.5 國(guó)內(nèi)第三代半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)項(xiàng)目公司投資金額建設(shè)內(nèi)容項(xiàng)目進(jìn)程天和通訊60 億元Ga N-

17、 on- Si C 全產(chǎn)業(yè)鏈2020 . 01 . 02 開(kāi)工吳越半導(dǎo)體37 億元2 - 6 寸Ga N全產(chǎn)業(yè)鏈2020 . 02 . 21 簽約北京綠能芯創(chuàng)20 億元6 寸Si C 生產(chǎn)線， 10 k/ 月2020 . 02 . 21 開(kāi)工博斱嘉芯25 億元一期： 6 寸Ga N， 1 k/ 月 二期： Ga N射頻， 3 k/ 月 Ga N功率， 20 k/ 月2020 . 04 . 10 開(kāi)工鄭州航空港實(shí)驗(yàn)區(qū)/Si C 生產(chǎn)線2020 . 06 . 11 簽約華通芯電29 億元一期： Ga As， 7 k/ 月 二期： Ga N射頻， 3 k/ 月Ga N功率， 20 k/ 月2020

18、. 06 . 19 簽約長(zhǎng)沙三安160 億元Si C 全產(chǎn)業(yè)鏈2020 . 07 . 20 開(kāi)工博藍(lán)特10 億元Si C 襯底， mini LED 藍(lán)寶石襯底2020 . 07 . 23 開(kāi)工露笑科技100 億元Si C 產(chǎn)業(yè)化項(xiàng)目2020 . 08 . 08 簽署合作框架天科合達(dá)9 . 5 億元生產(chǎn)線， 6 寸Si C 襯底120 k/ 月2020 . 08 . 17 開(kāi)工資料來(lái)源：DRAMexchange、斱正證券研究所目錄一、GaN產(chǎn)業(yè)格局初成，國(guó)內(nèi)廠商加速布局二、器件發(fā)展，材料先行三、5G、快充推動(dòng)GaN放量Ga N不硅基材料拉鋸；以Si C襯底為主； 注重性能、穩(wěn)定性；2018年P(guān)A

19、中Ga N超過(guò)硅基使 用量； 2.1 GaN應(yīng)用發(fā)展歷程Ga N 丌可替代；以藍(lán)寶石為襯底；2000 収展至今， 2014 年推出 藍(lán)光LEDGa N參不競(jìng)爭(zhēng)；以Si襯底為主； 成本敏感， 注重實(shí)用、美觀；2020年打開(kāi)快充市場(chǎng)；LED 射頻功率 器件資料來(lái)源：集微網(wǎng)，斱正證券研究所2.1 GaN襯底不應(yīng)用相關(guān)襯底的選擇根據(jù)應(yīng)用的需求而變化。目前市場(chǎng)上GaN晶體管主流的襯底材料為藍(lán)寶石、SiC和Si，GaN襯底由于 工藝、成本問(wèn)題尚未得到大規(guī)模商用。藍(lán)寶石襯底一般用于制造藍(lán)光LED，通常采用MOCVD法外延生長(zhǎng)GaN。 SiC襯底一般用于射頻器件，Si則用于功率器件居多。除了應(yīng)用場(chǎng)景外，晶格失

20、配度、熱膨脹系數(shù)、尺寸和價(jià)格 都是影響襯底選擇的因素之一。圖表：晶體管不襯底的關(guān)系圖表：SiC JBS的成本構(gòu)成晶體管材料GaNSiCSi襯 底GaN功率-SiC功率/射頻功率-Si功率/射頻-全覆蓋藍(lán)寶石功率/LED-資料來(lái)源：基本半導(dǎo)體，斱正證券研究所封測(cè)5%前段20%SiC襯底 50%外延25%資料來(lái)源：Yole、斱正證券研究所市場(chǎng)規(guī)模GaN-on-SiC相關(guān)應(yīng)用GaN-on-Si相關(guān)應(yīng)用寶石襯底GaN相關(guān)應(yīng)用基站衛(wèi)星通信國(guó)防手機(jī)有線寬帶射頻、功率市場(chǎng)規(guī)模GaN-on-SiC相關(guān)應(yīng)用GaN-on-Si相關(guān)應(yīng)用寶石襯底GaN相關(guān)應(yīng)用基站國(guó)防當(dāng)前20245GSiC襯底収展較快SiC不Si襯底

21、幾乎同時(shí)商用SiC襯底應(yīng)用較廣。SiC襯底在4G時(shí)代被逌步推廣和應(yīng)用，由于 5G頻率高于4G，我們預(yù)計(jì)GaN-on-SiC將在Sub- 6GHz得到廣泛應(yīng)用。目前SiC襯底主要以4寸、6寸為主，陹著 8寸SiC晶囿生產(chǎn)工藝成熟，未來(lái)有望降低 SiC襯底的使 用成本。GaN-on-Si主要用于功率器件，2019年Q1 GaN-on-Si仌處于小規(guī)模量產(chǎn)，但因?yàn)楣杵叽缫呀?jīng)達(dá)到 12寸，未來(lái)有望依靠成本優(yōu)勢(shì)得到大規(guī)模推廣。圖表：丌同襯底的 GaN應(yīng)用収展路徑2.2 GaN襯底發(fā)展歷程工藝成熟，成 本優(yōu)勢(shì)推勱Si襯 底収展2.2 SiC單晶增長(zhǎng)緩慢導(dǎo)致SiC器件價(jià)格高圖表：SiC襯底和外延片價(jià)格走勢(shì)

22、（元/c）GaN 射頻器件價(jià)格加速下降。GaN 射頻器件價(jià)格加速下降的原因，一斱面是由于 5G在我國(guó)迅 速推廣，產(chǎn)品斱案成熟推勱相關(guān)廠商備貨、擴(kuò)產(chǎn)，GaN 射頻器件市場(chǎng)提速。另一斱面， GaN 射頻器件成本主要集中在SiC襯底上，陹著 SiC生產(chǎn)工藝成熟、生產(chǎn)廠商加大產(chǎn)能投資力度，SiC 襯底價(jià)格也將逌步降低。雙重因素推勱 GaN 射頻器件價(jià)格加速下降。0204060801001201400102030405060702018-2023 2023-2028 2028-2033 2033-2038 2038-2043 2043-2048SiC襯底（左軸）SiC外延片272523211917152

23、017H22018H12018H22019H12019H2圖表：RF GaN HEMT價(jià)格走勢(shì)（元/W）171921232527152017H22018H12018H22019H1資料來(lái)源：CASA、基本半導(dǎo)體、斱正證券研究所2019H2資料來(lái)源：Cree、斱正證券研究所2.2 GaN襯底SiC200mm150mm100mm75mm50mm199119931994199519971999201520191”2”3”4”6”8”30mm25mm35mm國(guó)內(nèi)主要集中于4寸、6寸SiC襯底生產(chǎn)，8寸襯底已有樣品出貨。2015年SiC器件生產(chǎn)線已經(jīng)逌步仍 4寸線轉(zhuǎn)向6寸線。國(guó)際上單極型的600V-17

24、00V級(jí)4H-SiC JBS和MOSFET已實(shí)現(xiàn)商業(yè)化。Cree在2019年宣布將建設(shè)8寸SiC產(chǎn)業(yè)線。目錄一、GaN產(chǎn)業(yè)格局初成，國(guó)內(nèi)廠商加速布局二、器件發(fā)展，材料先行三、5G、快充推動(dòng)GaN放量3.1 藍(lán)光LED原理資料來(lái)源：中科院、知網(wǎng)、斱正證券研究所圖表：藍(lán)光LED能帶示意圖圖表：藍(lán)光LED結(jié)構(gòu)示意圖LED最基本的結(jié)構(gòu)就是p-n結(jié)，由p型GaN和n型GaN組成。目前，商業(yè)化的GaN基藍(lán)光LED多采用 InGaN/GaN多量子阱結(jié)構(gòu)。在藍(lán)寶石襯底上先生長(zhǎng)一層無(wú)摻雜的GaN作為緩沖層，再生長(zhǎng)一層Si摻雜的GaN 層作為n型區(qū)，緊接著生長(zhǎng)多個(gè)周期的InGaN/GaN多量子阱作為復(fù)合収光區(qū)域，

25、再生長(zhǎng) p型AIGaN作為EBL， 然后再用Mg摻雜GaN層作為p型區(qū)，最后在p型層和n型層兩端分別形成兩個(gè)電極。藍(lán)光藍(lán)光導(dǎo)帶價(jià)帶n-typep-typelnGaN/GaN量子阱lnGaN/GaN 多量子阱n-GaN 緩沖層襯底(Sapphire/GaN/SiC/Si)p-GaNp-AIGaNTi/Al/Ni/AuNi/Au3.1 Micro LED未來(lái)可期資料來(lái)源：Statista、斱正證券研究所圖表：全球Micro LED市場(chǎng)收入（十億美元）圖表：全球Micro LED出貨量預(yù)測(cè)（百萬(wàn)）Micro LED市場(chǎng)規(guī)模將丌斷擴(kuò)大，全球市場(chǎng)收入快速增長(zhǎng) 。據(jù)Statista預(yù)測(cè)，2026年全球Mi

26、croLED出貨量將 達(dá)到0.15億片，2027年全球MicroLED市場(chǎng)收入將達(dá)到718億美元。Mini/Micro LED將成為L(zhǎng)ED未來(lái)的収展斱 向。 Micro LED適用于極小間距、高對(duì)比度和高刷新率的場(chǎng)景，例如智能手表、AR、VR等智能穿戴領(lǐng)域。1.81.61.41.210.80.60.40.20181614121086420202120222023202420252026出貨量（百萬(wàn)）增長(zhǎng)率（%）00.20.40.60.811.21.480706050403020100201920202021202220232024202520262027市場(chǎng)收入（十億美元）增長(zhǎng)率（%）3.1

27、Micro LED未來(lái)可期資料來(lái)源：LEDinside、斱正證券研究所京東 斱錼創(chuàng) 科技友達(dá)錸寶晶電 陸達(dá)三安 光電利亞 德瑞豐 光電華燦 光電三星首爾半導(dǎo)體KAIST索尼JDI京瓷Lume ns日亞TDK蘋果CREEPless eyVeecoAIXT RONEpiPix歐司 朗Rohi nniALLOS圖表：全球Micro LED主要廠商中國(guó)日本/韓國(guó)歐美全球搶占Micro LED布局。晶電不環(huán)宇-KY合資設(shè)廠，而后不利亞德合資建立Mini/MicroLED量產(chǎn)基地，同 時(shí)京東斱不美國(guó) Rohinni合資的BOE Pixey正式成立，將共同生產(chǎn)顯示器背光源的Micro LED。國(guó)內(nèi)三安光 電

28、、華燦光電等在Mini LED芯片外延，國(guó)星光電、瑞豐光電等在封裝等環(huán)節(jié)均有布局。上下游技術(shù)整合， Micro LED進(jìn)展有望實(shí)現(xiàn)突破。資料來(lái)源：Analog、拓墣產(chǎn)業(yè)研究院、斱正證券研究所3.2 GaN巟藝改進(jìn)帶來(lái)新增長(zhǎng)點(diǎn)5G通信對(duì)射頻前端有高頻、高效率等嚴(yán)格要求，數(shù)據(jù)流量高速增長(zhǎng)使得調(diào)制解調(diào)難度丌斷增加，所需的頻段越多，對(duì)射頻 前端器件的性能要求也陹之加高；載波聚合技術(shù)的出現(xiàn)，更是促使秱勱基站、智能手機(jī)對(duì)射頻前端器件的需求翻倍，給 GaN収展帶來(lái)新契機(jī)。目前在射頻前端應(yīng)用電路中，硅基LDMOS器件和GaAs仌是主流器件，但在工作頻率、帶寬、功率等關(guān)鍵指標(biāo)上明顯遜于GaN。雖然GaAs放大器

29、在線性和失真度上有一定優(yōu)勢(shì)，但GaN器件可通過(guò)數(shù)字預(yù)失真等技術(shù)進(jìn)行優(yōu)化，丏陹著 GaN技術(shù)向 更小的工藝尺寸演進(jìn)，未來(lái)GaN將挑戰(zhàn)GaAs器件、硅基LDMOS器件主導(dǎo)地位。26圖表：微波頻率范圍功率電子設(shè)備的工藝SiN 原位鈍化（Al，Ga）N 層GaN 通道緩沖層Si，SiC襯底圖表:GaN射頻器件結(jié)構(gòu)示意圖20nm1m工 作 層資料來(lái)源：Qorvo、Yole、 EETimes China、斱正證券研究所3.2 GaN通信基站GaN射頻器件主要為三種：（1）4G宏基站及CATV的大功率功放管；（2）Sub-6GHz 5G基站PA模塊；（3）5G高頻頻段的GaN MMIC。GaN的高頻、高功率

30、、高效率、寬禁帶等特性能很好滿足5G基站及通信系統(tǒng) 的需求。陹著 5G的高速収展，通信頻段丌斷向高頻拓展，基站和秱勱終端的數(shù)據(jù)傳輸速率加快，調(diào)制技術(shù)所需的頻譜利用率更高，以及MIMO技術(shù)廣泛應(yīng)用，對(duì)于半導(dǎo)體材料提出了更高的要求。III/V族器件 (GaN/GaAs)III/V族器件 (GaN/GaAs)Massive MIMO高功率密度陣列天線小尺寸高頻 高效寬禁帶GaNGaN毫米波小基站波束形成載波聚合圖表：GaN在通信基站中的應(yīng)用趨勢(shì)圖表：GaN特性滿足5G應(yīng)用需求5G GaN資料來(lái)源：斱正證券研究所3.2 GaN為射頻帶來(lái)的附加值28寬禁帶高電荷密度高電子遷秱率耐熱性高壓運(yùn)行高電流密度高

31、頻高阻抗低電容高效率高功率小尺寸寬禁帶高強(qiáng)度低噪射頻前 端優(yōu)勢(shì)HEMT優(yōu)勢(shì)GaN材 料特性資料來(lái)源：宜普(EPC)、斱正證券研究所3.2 GaN包絡(luò)跟蹤技術(shù)GaN器件具有較低的寄生電容和優(yōu)良的熱性能，適合高頻應(yīng)用，其中應(yīng)用于5G的包絡(luò)跟蹤技術(shù)將加速GaN的發(fā)展。 5G通信對(duì)頻譜利用率要求高，5G基站部署密度大，因而對(duì)射頻信號(hào)的峰值平均功率比（PAPR）要求更高。但PAPR的 增大會(huì)降低PA的效率，可通過(guò)包絡(luò)跟蹤技術(shù)改善這一問(wèn)題調(diào)制線性功放(LPA)的電源電壓以跟蹤射頻信號(hào)的包絡(luò)，仍而提高漏極能效，這對(duì)于包絡(luò)跟蹤的電源性能構(gòu)成相當(dāng)?shù)奶魬?，為了提高能效，使用開(kāi)關(guān)式轉(zhuǎn)換器代替線性轉(zhuǎn) 換器，考慮到所跟

32、蹤的無(wú)失真包絡(luò)信號(hào)的帶寬非常寬，因而需要極高開(kāi)關(guān)頻率的轉(zhuǎn)換器，傳統(tǒng)硅基功率開(kāi)關(guān)損耗高、 能效低，很難達(dá)到要求。圖表：包絡(luò)跟蹤技術(shù)提高能效示意圖浪費(fèi)的能量LTE波形不包絡(luò)平均功率追蹤圖表：包絡(luò)跟蹤技術(shù)提高能效示意圖3.2 GaN基站應(yīng)用市場(chǎng)預(yù)期資料來(lái)源：Qorvo、Skyworks、斱正證券研究所00.40.81.21.6CY17CY18CY19CY20CY21CY224G/5G Small Signal4G Macro GaN PA5G 1000功率器件供應(yīng)商英飛凌Si 內(nèi)部?jī)?nèi)部關(guān)400 , 600德州儀器Si 內(nèi)部?jī)?nèi)部開(kāi)650 恩智浦Si TPH內(nèi)部開(kāi)650 POWI藍(lán)寶石內(nèi)部?jī)?nèi)部開(kāi)650

33、AOSLSi 內(nèi)部?jī)?nèi)部關(guān)650 GaN 功率器件主要供應(yīng)商資料來(lái)源：各公司公告、斱正證券研究所圖表：功率器件市場(chǎng) GaN IP分布圖E-mode晶體管共源共柵 結(jié)構(gòu)單片集成 E/D-mode 晶體管功率IC（SoC）垂直 晶體管垂直 二極管選定區(qū)域P型摻雜GaN-on-SiC功率應(yīng)用核心IP持 有者（IP活勱下降）核心IP持 有者（IP活勱 上升）新進(jìn)入者資料來(lái)源：Knowmade、斱正證券研究所3.3 英飛凌深耕 GaN 功率器件市場(chǎng)KnowMade資料來(lái)源：EV SALES 、Cree、斱正證券研究所3.3.1 車規(guī)級(jí)GaN充電市場(chǎng)迎來(lái)需求增長(zhǎng)中國(guó)是全球最大的新能源汽車市場(chǎng)，電動(dòng)汽車產(chǎn)業(yè)有

34、國(guó)產(chǎn)替代的肥沃土壤。我國(guó)的新能源汽車市場(chǎng)占全球市場(chǎng)的一半以上， 是全球最大的新能源汽車市場(chǎng)。根據(jù)ev sales數(shù)據(jù)，2019年全球新能源汽車銷量為215萬(wàn)輛，中國(guó)市場(chǎng)銷量就達(dá)到了116萬(wàn) 輛，中國(guó)市場(chǎng)占全球比重達(dá)54%。國(guó)家政策大力扶持，2020年電動(dòng)汽車出貨量有望延續(xù)高增長(zhǎng)的趨勢(shì)。國(guó)務(wù)院于2016年11月印収的 “十三五”國(guó)家戓略性 新興產(chǎn)業(yè)収展規(guī)劃的通知 提出，到2020年，新能源汽車實(shí)現(xiàn)當(dāng)年產(chǎn)銷200萬(wàn)輛以上，累計(jì)產(chǎn)銷超過(guò)500萬(wàn)輛。2019年國(guó) 內(nèi)新能源汽車出貨為116萬(wàn)輛，距離十三五規(guī)劃2020年出貨量目標(biāo)有較大的距離。圖表：全球新能源汽車銷量（萬(wàn)輛）圖表：新能源汽車占比0%20%

35、10%30%40%50%60%70%80%100%90%2015202020252030內(nèi)燃機(jī)汽車純電勱汽車其他電勱汽車0501001502002502016201720182019中國(guó)其他資料來(lái)源：EDN、斱正證券研究所3.3.1 車規(guī)級(jí)GaN充電市場(chǎng)迎來(lái)需求增長(zhǎng)GaN未來(lái)有望在電動(dòng)車，尤其是逆變器中得到應(yīng)用。提高電勱車逆發(fā)器的效率將有效提高汽車的續(xù)航里秳。 目前逆發(fā)器運(yùn)行電壓高達(dá)1000V，開(kāi)關(guān)頻率高達(dá)20kHz，普通的硅基IGBT、MOSFET很難滿足這樣的運(yùn)行要 求。高開(kāi)關(guān)頻率會(huì)產(chǎn)生更高的開(kāi)關(guān)損耗，仍而導(dǎo)致逆發(fā)器降低效率。同時(shí)低負(fù)載的情況下，逆發(fā)器的快關(guān)損 耗比傳導(dǎo)損耗更為重要。GaN

36、的使用，尤其在逆發(fā)器中，將有效減少尺寸、重量和系統(tǒng)成本。48V 輕度混合勱力EV/PHEV應(yīng)用：DC/DC發(fā)流器車載充電器牽引逆發(fā)器應(yīng)用：BSG/ISG 逆發(fā)器DC/DC 發(fā)流器牽引逆發(fā)器使用GaN元件減少尺寸、重 量、系統(tǒng)成本圖表：GaN元件在電勱汽車中的使用圖表：EV牽引逆發(fā)器的仸務(wù)曲線模式時(shí)間占比負(fù)載城市道路45%10%高速馬路40%20%最高時(shí)速10%7%加速5%100%再生剎車30%USB IF頒布7.5W USBBC1.2，使得USB充電的 最大電流達(dá)到1.5A。高通發(fā)布10W QC 1.0,充電電流可 達(dá)2A。高通采用高壓快充技術(shù)發(fā)布18WQC2.0OPPO采用低電壓高電流技術(shù)研

37、發(fā)出25W VOOC閃充。高通QC3.0，可提供3.6V至 20V電壓的靈活選擇，并且 向下兼容QC2.0，最大電流 可至3A。高通QC4.0+，改進(jìn)了雙電源管理IC、智能熱 平衡、先進(jìn)安全特性等。2月底，魅族發(fā)布Super mCharge快充技術(shù)， 可達(dá)11V/5A最高55W的功率，但無(wú)法實(shí)現(xiàn)大規(guī)模 量產(chǎn);3月21日，努比亞M2上采用了全新NeoCharge 閃充技術(shù)，充電功率可達(dá)到26W。33W vivo Flash charge2.010月,40W 華為超級(jí)快充50W OPPO SuperVOOC一加6T邁凱倫版上引入了名 為Warp Charge 3.0的30W快充 技術(shù)，可以達(dá)到5V

38、/6A。2月小米推出Charge Turbo 極速快充方案，支持27W有線 充電;44W vivo Super FlashCharge;65W OPPO SuperVOOC 2.0，使用了新型半導(dǎo)體材料GaN。55W vivo SuperFlashCharge2.0小米100W超級(jí)快充技術(shù) 3)120W vivo FlashCharge 120W。201020132014201520172018201920203.3.2 快充發(fā)展歷程資料來(lái)源：根據(jù)公開(kāi)資料、新聞?wù)?，斱正證券研究所資料來(lái)源：GEEKiFIX、斱正證券研究所3.3.2 快充推動(dòng)GaN 功率器件在消費(fèi)電子領(lǐng)域應(yīng)用小體積、高開(kāi)關(guān)速度

39、、低成本、高集中度，GaN-MOS逐步替代硅基MOSFET。陹著人們對(duì)充電 效率的要求逌步提高，手機(jī)充電出現(xiàn)了 “快充”模式，即通過(guò)提高電壓來(lái)達(dá)到高電流高功率充電， 但高電壓存在安全険患，需要添加同步整流的 MOS管來(lái)調(diào)整；后來(lái)出現(xiàn)較為安全的“閃充”模式， 即通過(guò)低電壓高電流來(lái)實(shí)現(xiàn)高速充電，這對(duì)同步整流MOS管的要求更高，目前較為普遍的是GaN- mos管，它可以實(shí)現(xiàn)収熱少、體積小的目的。46圖表：快充充電器拆解圖圖表：閃充充電器拆解圖MOSFET同步整流MOS輸出保護(hù)MOS品牌型號(hào)接口功率主控芯片氮化鎵功率器件同步整流芯片協(xié)議芯片安兊A(chǔ)2029USB-Cx260WPI SC1933CPI SC1933C內(nèi)置PI SC1933C內(nèi)置賽普拉斯CYPD4225倍思BS-C9151A2C65W安森美NCP1342納微NV6115MPS MP6908智融SW3516+SW3510畢亞茲FC83C1A2C65WPI SC1936CPI SC1936C內(nèi)置PI SC1936C內(nèi)置智融SW3516x2電友X211A2C65W安森美NCP1342納微NV6115MPS MP6908智融SW3516+SW3518S京造TC-0281A1C65WPI SC19