與第一代和第二代半導(dǎo)體材料相比，第三代半導(dǎo)體材料具有更寬的禁帶寬度、更高的擊穿電場(chǎng)、更高的熱導(dǎo)率、更大的電子飽和速度以及更高的抗輻射 能力，更適合制作高溫、高頻、抗輻射及大功率器件。
 

氮化鎵（GaN）是極其穩(wěn)定的化合物，又是堅(jiān)硬和高熔點(diǎn)材料，熔點(diǎn)為 1700℃。GaN 具有出色的擊穿能力、更高的電子密度和電子速度以及更高的工作溫度。GaN 的能隙很寬，為 3.4eV，且具有低導(dǎo)通損耗、高電流密度等優(yōu)勢(shì)。

氮化鎵通常用于微波射頻、電力電子和光電子三大領(lǐng)域。具體而言，微波射頻 方向包含了 5G 通信、雷達(dá)預(yù)警、衛(wèi)星通訊等應(yīng)用；電力電子方向包括了智能電網(wǎng)、高速軌道交通、新能源汽 車(chē)、消費(fèi)電子等應(yīng)用；光電子方向包括了 LED、激光器、光電探測(cè)器等應(yīng)用。
 

自 20 年前出現(xiàn)首批商業(yè)產(chǎn)品以來(lái)，GaN 已成為射頻功率應(yīng)用中 LDMOS 和 GaAs 的重要競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手，其性能 和可靠性不斷提高且成本不斷降低。目前在射頻 GaN 市場(chǎng)上占主導(dǎo)地位的 GaN-on-SiC 突破了 4G LTE 無(wú)線基礎(chǔ)設(shè)施市場(chǎng)，并有望在 5G 的 Sub-6GHz 實(shí)施方案的 RRH（Remote Radio Head）中進(jìn)行部署。
 

GaN 在高溫、高頻、大功率射頻應(yīng)用中獨(dú)具優(yōu)勢(shì)
 

與 4G 系統(tǒng)相比，5G mMIMO 具有更多收發(fā)器和天線單元，使用波束賦形信號(hào)處理將射頻能量傳遞給用戶。mMIMO 系統(tǒng)可將 192 個(gè)天線單元連接到 64 個(gè)發(fā)送/接收（TRx）FEM，這些 TRx FEM 具有 16 個(gè)收發(fā)器 RFIC 和 4 個(gè)數(shù)字前端（DFE)，與典型的 LTE 4T MIMO 中的 4 個(gè)收發(fā)器相比，數(shù)字信號(hào)處理性能可提高 16 倍。5G mMIMO 設(shè)計(jì)下，急劇增加的信號(hào)處理硬件極大影響了系統(tǒng)尺寸，信號(hào)處理的功耗也在逼近板載功率放大器的 功耗，在某些情況下，甚至已經(jīng)超過(guò)了板載功率放大器的功耗。
 

mMIMO 設(shè)計(jì)有助于減少傳統(tǒng)收發(fā)器架構(gòu)中模數(shù)、數(shù)模轉(zhuǎn)換所需的步驟，從而縮小 5G 天線的尺寸和重量。與 LDMOS 器件相比，硅基 GaN 提供了良好的寬帶性能和卓越的功率密度和效率，能滿足嚴(yán)格的熱規(guī)范，同 時(shí)為緊密集成的 mMIMO 天線陣列節(jié)省了寶貴的 PCB 空間。
 

GaN 非常適合毫米波領(lǐng)域所需的高頻和寬帶寬，可滿足性能和小尺寸要求。使用 mmWave 頻段的應(yīng)用將 需要高度定向的波束成形技術(shù)，這意味著射頻子系統(tǒng)將需要大量有源元件來(lái)驅(qū)動(dòng)相對(duì)緊湊的孔徑。GaN 非常適 合這些應(yīng)用，因?yàn)樾〕叽绶庋b的強(qiáng)大性能是 GaN 最顯著的特征之一。
 

在高功率放大器方面，LDMOS 技術(shù)由于其低頻限制只在高射頻功率方面取得了很小進(jìn)展。GaAs 技術(shù)能夠 在 100GHz 以上工作，但其低導(dǎo)熱率和工作電壓限制了其輸出功率水平。50V GaN/SiC 技術(shù)在高頻下可提供數(shù) 百瓦的輸出功率，并能提供雷達(dá)系統(tǒng)所需的堅(jiān)固性和可靠性。HV GaN/SiC 能夠?qū)崿F(xiàn)更高的功率，同時(shí)可顯著 降低射頻功率晶體管的數(shù)量、系統(tǒng)復(fù)雜性和總成本。
 

GaN 在射頻市場(chǎng)更關(guān)注高功率、高頻率場(chǎng)景。由于 GaN 在高頻下具有較高的功率輸出和較小的面積，GaN 已被射頻行業(yè)廣泛采用。隨著 5G 到來(lái)，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 射頻市場(chǎng)將從 2018 年的 6.45 億美元增長(zhǎng)到 2024 年的約 20 億美元，這主要受電信基礎(chǔ)設(shè)施和國(guó)防 兩個(gè)方向應(yīng)用推動(dòng)，衛(wèi)星通信、有線寬帶和射頻功率也做出了一定貢獻(xiàn)。
 

隨著新的基于 GaN 的有源電子掃描陣列（AESA）雷達(dá)系統(tǒng)的實(shí)施，基于 GaN 的軍用雷達(dá)預(yù)計(jì)將主導(dǎo) GaN 軍事市場(chǎng)，從 2018 年的 2.7 億美元增長(zhǎng)至 2024 年的 9.77 億美元，CAGR 達(dá) 23.91％，具有很大的增長(zhǎng)潛力。GaN 無(wú)線基礎(chǔ)設(shè)施的市場(chǎng)規(guī)模將從 2018 年的 3.04 億美元增長(zhǎng)至 2024 年的 7.52 億美元，CAGR 達(dá) 16.3%。GaN 有線寬帶市場(chǎng)規(guī)模從 2018 年的 1,550 萬(wàn)美元增長(zhǎng)至 2024 年的 6,500 萬(wàn)美元，CAGR 達(dá) 26.99%。GaN 射頻功率 市場(chǎng)規(guī)模從 2018 年的 200 萬(wàn)美元增長(zhǎng)至 2024 年的 10,460 萬(wàn)美元，CAGR 達(dá) 93.38%，具有很大的成長(zhǎng)空間。
 

在要求高頻高功率輸出的衛(wèi)星通信中，預(yù)計(jì) GaN 將逐漸取代 GaAs 解決方案。在有線電視（CATV）和民 用雷達(dá)市場(chǎng)，與 LDMOS 或 GaAs 相比 GaN 的成本仍然較高，但其附加值顯而易見(jiàn)。對(duì)于代表 GaN 巨大的消 費(fèi)級(jí)射頻功率傳輸市場(chǎng)，GaN-on-Si 可提供更具成本效益的解決方案。
 

據(jù) Yole 統(tǒng)計(jì)，2019 年全球 3750 多項(xiàng)專(zhuān)利一共可分為 1700 多個(gè)專(zhuān)利家族。這些專(zhuān)利涉及 RF GaN 外延、RF 半導(dǎo)體器件、集成電路和封裝等。Cree（Wolfspeed）擁有最強(qiáng)的專(zhuān)利實(shí)力，在 RF 應(yīng)用的 GaN HEMT 專(zhuān)利競(jìng)爭(zhēng) 中，尤其在 GaN-on-SiC 技術(shù)方面處于領(lǐng)先地位，遠(yuǎn)遠(yuǎn)領(lǐng)先于其主要專(zhuān)利競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手住友電工和富士通。英特爾和 MACOM 是目前最活躍的 RF GaN 專(zhuān)利申請(qǐng)者，主要聚焦在 GaN-on-Si 技術(shù)領(lǐng)域。GaN RF HEMT 相關(guān)專(zhuān)利領(lǐng) 域的新進(jìn)入者主要是中國(guó)廠商，例如 HiWafer（海威華芯），三安集成、華進(jìn)創(chuàng)威。
 

GaN 技術(shù)有望大幅改進(jìn)電源管理、發(fā)電和功率輸出等應(yīng)用。2005 年電力電子領(lǐng)域管理了約 30％的能源，預(yù) 計(jì)到 2030 年，這一數(shù)字將達(dá)到 80%。這相當(dāng)于節(jié)約了 30 億千瓦時(shí)以上的電能，這些電能可支持 30 多萬(wàn)個(gè)家 庭使用一年。從智能手機(jī)充電器到數(shù)據(jù)中心，所有直接從電網(wǎng)獲得電力的設(shè)備均可受益于 GaN 技術(shù)，從而提高 電源管理系統(tǒng)的效率和規(guī)模。
 

由于材料特性的差異，SiC 在高于 1200V 的高電壓、大功率應(yīng)用具有優(yōu)勢(shì)，而 GaN 器件更適合 40-1200V 的高頻應(yīng)用，尤其是在 600V/3KW 以下的應(yīng)用場(chǎng)合。因此，在微型逆變器、伺服器、馬達(dá)驅(qū)動(dòng)、UPS 等領(lǐng)域， GaN 可以挑戰(zhàn)傳統(tǒng) MOSFET 或 IGBT 器件的地位。GaN 讓電源產(chǎn)品更為輕薄、高效。
 

GaN 在未來(lái)幾年將在許多應(yīng)用中取代硅，其中，快充是第一個(gè)可以大規(guī)模生產(chǎn)的應(yīng)用。在 600 伏特左右的 電壓下，GaN 在芯片面積、電路效率和開(kāi)關(guān)頻率方面的表現(xiàn)明顯好于硅，因此在壁式充電器中可以用 GaN 來(lái) 替代硅。5G 智能手機(jī)的屏幕越來(lái)越大，與之對(duì)應(yīng)的是手機(jī)續(xù)航的需求越來(lái)越高，這意味著電池容量的增加。GaN 快充技術(shù)可以很好地解決大電池帶來(lái)的充電時(shí)長(zhǎng)問(wèn)題。
 

在非常高的電壓、溫度和開(kāi)關(guān)頻率下，GaN 與硅相比具有優(yōu)越的性能，可顯著提高能源效率。功率 GaN 于 2018 年中后期在售后市場(chǎng)中出現(xiàn)，主要是 Anker、Aukey 和 RAVpower 的 24 至 65 瓦充電器。
 

在 1990 年代對(duì)分立 GaN 及 2000 年代對(duì)集成 GaN 進(jìn)行了多年學(xué)術(shù)研究之后，Navitas 的 GaNFast 源集成電 路現(xiàn)已成為業(yè)界公認(rèn)的，具有商業(yè)吸引力的下一代解決方案。它可以用來(lái)設(shè)計(jì)更小、更輕、更快的充電器和電 源適配器。單橋和半橋的 GaNFast 電源 IC 是由驅(qū)動(dòng)器和邏輯單片集成的 650V 硅基 GaN FET，采用四方扁平無(wú) 引線（QFN）封裝。GaNFast 技術(shù)允許高達(dá) 10 MHz 的開(kāi)關(guān)頻率，從而允許使用更小、更輕的無(wú)源元件。此外， 寄生電感限制了 Si 和較早的分立 GaN 電路的開(kāi)關(guān)速度，而集成可以最大限度地減少延遲和消除寄生電感。
 

據(jù) Yole 預(yù)測(cè)，受消費(fèi)者快速充電器應(yīng)用推動(dòng)，到 2024 年 GaN 電源市場(chǎng)規(guī)模將超過(guò) 3.5 億美元，CAGR 為 85％，有極大增長(zhǎng)空間。此外，GaN 還有望進(jìn)入汽車(chē)及工業(yè)和電信電源應(yīng)用中。從生產(chǎn)端看，GaN 功率半導(dǎo)體 已開(kāi)始批量出貨，但其價(jià)格仍然昂貴。制造成本是阻礙市場(chǎng)增長(zhǎng)的主要障礙，因?yàn)榈浇裉?GaN 仍主要使用 6 英 寸及以下晶圓生產(chǎn)。一旦成本可降低到一定門(mén)檻，市場(chǎng)就會(huì)爆發(fā)。
 

基于手機(jī)快充的激烈競(jìng)爭(zhēng)，OPPO、vivo、小米等中國(guó)手機(jī)廠商將帶動(dòng) GaN 功率市場(chǎng)快速增長(zhǎng)。GaN 功率 器件領(lǐng)域一直由 EPC，GaN Systems，Transphorm 和 Navitas 等純 GaN 初創(chuàng)公司主導(dǎo)，他們的產(chǎn)品主要是 TSMC， Episil 或 X-FAB 代工生產(chǎn)。國(guó)內(nèi)新興代工廠中，三安集成和海威華芯具有量產(chǎn) GaN 功率器件的能力。
 

1993 年，Nichia 公司中村修二推出了第一只高亮度 GaN 藍(lán)光 LED，解決了自 1962 年 LED 問(wèn)世以來(lái)高效 藍(lán)光缺失的問(wèn)題，1996 年又首次在藍(lán)光 LED 上涂覆黃色熒光粉從而實(shí)現(xiàn)白光發(fā)射，開(kāi)啟了 LED 白光照明的新 時(shí)代。
 

Micro LED 是新一代顯示技術(shù)，比現(xiàn)有的 OLED 技術(shù)亮度更高、發(fā)光效率更好，但功耗更低。Micro LED 顯示技術(shù)可以將 LED 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)薄膜化、微小化與陣列化，尺寸僅約 1~100μm 等級(jí)，但精準(zhǔn)度可達(dá)傳統(tǒng) LED 的 1 萬(wàn)倍。此外，Micro LED 在顯示特性上與 OLED 類(lèi)似，無(wú)需背光源且能自發(fā)光，唯一區(qū)別是 OLED 為有機(jī)材 料自發(fā)光。目前 OLED 受各大廠商青睞，是因?yàn)樵诜磻?yīng)時(shí)間、視角、可撓性、顯色性與能耗等方面均優(yōu)于 TFTLCD，但 Micro LED 更容易準(zhǔn)確調(diào)校色彩，且有更長(zhǎng)發(fā)光壽命和更高亮度。Micro LED 有望繼 OLED 之后， 成為另一項(xiàng)推動(dòng)顯示品質(zhì)的技術(shù)。
 

商用的 12 英寸及以上的硅圓晶已經(jīng)完 全成熟，隨著高均勻度 MOCVD 外延大腔體的推出，硅襯底 LED 外延升級(jí)到更大圓晶尺寸不存在本質(zhì)困難。因 此，硅襯底 GaN 基技術(shù)的特性是制造 Micro LED 芯片的天然選擇。
 

氮化鎵（GaN）因其材料的高頻特性是制備紫外光器件的良好材料，紫外光電芯片具備廣泛的軍民兩用前 景。在軍事領(lǐng)域，典型的軍事應(yīng)用有：滅火抑爆系統(tǒng)（地面坦克裝甲車(chē)輛、艦船和飛機(jī)）、紫外制導(dǎo)、紫外告 警、紫外通信、紫外搜救定位、飛機(jī)著艦（陸）導(dǎo)引、空間探測(cè)、核輻射和生物戰(zhàn)劑監(jiān)測(cè)、爆炸物檢測(cè)等。在民 用領(lǐng)域，典型的應(yīng)用有：火焰探測(cè)、電暈放電檢測(cè)、醫(yī)學(xué)監(jiān)測(cè)診斷、水質(zhì)監(jiān)測(cè)、大氣監(jiān)測(cè)、刑事生物檢測(cè)等。由 此可見(jiàn)，GaN 在光電子學(xué)和微電子學(xué)領(lǐng)域有廣泛的應(yīng)用，其中 GaN 基紫外激光器在紫外固化、紫外殺菌等領(lǐng) 域有重要的應(yīng)用價(jià)值，也是國(guó)際上的研究熱點(diǎn)。
 

根據(jù) LEDinside 分析，LED 照明市場(chǎng)規(guī)模 2018-2023 年的 CAGR 為 6%。在物聯(lián)網(wǎng)和 5G 新時(shí)代，智慧化 產(chǎn)品滲透率更加迅速提升，智能家居照明的商機(jī)即將爆發(fā)。此外，2022 年 Micro LED 以及 Mini LED 的市場(chǎng)產(chǎn) 值預(yù)計(jì)將會(huì)達(dá)到 13.8 億美元。下一代 Mini LED 背光技術(shù)將是各家廠商的開(kāi)發(fā)重點(diǎn)，至 2023 年 Mini LED 市場(chǎng) 規(guī)模預(yù)計(jì)會(huì)達(dá)到 10 億美元。其中顯示屏應(yīng)用成長(zhǎng)速度最快，2018 年至 2023 年 CAGR 預(yù)計(jì)超過(guò) 50%。
 

根據(jù) LEDinside 發(fā)布的《2019 深紫外線 LED 應(yīng)用市場(chǎng)報(bào)告》顯示，2018 年全球 UV LED 市場(chǎng)規(guī)模達(dá) 2.99 億美金，預(yù)計(jì)到 2023 年市場(chǎng)規(guī)模將達(dá) 9.91 億美金，2018-2023 年 CAGR 達(dá)到 27%。UV LED 廣闊的發(fā)展前景 正吸引越來(lái)越多的廠商進(jìn)入。
 

基于氮化鎵半導(dǎo)體的深紫外發(fā)光二極管（LED）是紫外消毒光源的主流發(fā)展方向，其光源體積小、效率高、 壽命長(zhǎng)，僅僅是拇指蓋大小的芯片模組，就可以發(fā)出比汞燈還要強(qiáng)的紫外光。由于其具備 LED 冷光源的全部潛 在優(yōu)勢(shì)，深紫外 LED 是公認(rèn)的未來(lái)替代紫外汞燈的綠色節(jié)能環(huán)保產(chǎn)品。但深紫外 LED 技術(shù)門(mén)檻很高，目前還 是處于發(fā)展階段，在光功率、光效、壽命、成本等方面還有待提升。近年來(lái)，深紫外 LED 的技術(shù)水平和芯片性 能進(jìn)步很快，在一些高端領(lǐng)域已經(jīng)得到批量應(yīng)用，未來(lái)預(yù)計(jì)會(huì)得到更加廣泛的應(yīng)用。
 

目前市場(chǎng)上高端的深紫外 LED 產(chǎn)品仍主要以日本、韓國(guó)廠商為主，不過(guò)越來(lái)越多的國(guó)內(nèi)半導(dǎo)體公司開(kāi)始 關(guān)注深紫外行業(yè)，進(jìn)行了深度布局。如布局深紫外芯片-封裝-模組產(chǎn)業(yè)鏈的青島杰生（圓融光電），深紫外 LED 芯片的三安光電、湖北深紫、中科潞安、華燦光電、鴻利秉一，以及高性能紫外傳感芯片的鎵敏光電。目前，鎵 敏光電是國(guó)內(nèi)唯一擁有紫外傳感芯片技術(shù)的公司，其所開(kāi)發(fā)的高端氮化鎵和碳化硅紫外傳感芯片已投入大批量 生產(chǎn)，在飲用水、空氣、食品、衣物和醫(yī)療器械等紫外凈化領(lǐng)域得到了規(guī)模應(yīng)用。
 

5G 基站的大規(guī)模建設(shè)對(duì)于 GaN 射頻有巨大需求，全球 GaN 射頻市場(chǎng)主要由住友電工（第一）、Cree（第 二）占據(jù)，其中住友電工是華為 GaN 射頻器件的第一大供應(yīng)商。國(guó)產(chǎn)廠商在 GaN 射頻領(lǐng)域相對(duì)弱勢(shì)，但已有不 少?gòu)S商布局。

GaN 功率市場(chǎng)主要由快充帶動(dòng)，其增長(zhǎng)強(qiáng)度主要與國(guó)產(chǎn)手機(jī)廠商在 GaN 快充方面的推進(jìn)強(qiáng)度相關(guān)。目前來(lái) 看，今年米 OV 及其部分附屬品牌的旗艦機(jī)都將標(biāo)配 GaN 快充，GaN 快充出貨量有望在今年鋪開(kāi)。小米的 GaN 快充的電源 IC 由美國(guó)廠商 Navitas 供應(yīng)，電源 IC 主要由國(guó)外廠商把控，國(guó)內(nèi)廠商在 GaN 功率器件代工方面有 所布局。