第一代半導(dǎo)體材料主要是指硅（Si）、鍺（Ge）元素半導(dǎo)體。
 

第二代半導(dǎo)體材料是指化合物半導(dǎo)體材料，如砷化鎵（GaAs）、銻化銦（InSb）、磷化銦（InP），以及三 元化合物半導(dǎo)體材料，如鋁砷化鎵（GaAsAl）、磷砷化鎵（GaAsP）等。還有一些固溶體半導(dǎo)體材料，如鍺硅 （Ge-Si）、砷化鎵-磷化鎵（GaAs-GaP）等；玻璃半導(dǎo)體（又稱非晶態(tài)半導(dǎo)體）材料，如非晶硅、玻璃態(tài)氧化物 半導(dǎo)體等；有機半導(dǎo)體材料，如酞菁、酞菁銅、聚丙烯腈等。
 

第三代半導(dǎo)體材料主要是以碳化硅（SiC）、氮化鎵（GaN）、氧化鋅（ZnO）、金剛石、氮化鋁（AlN）為 代表的寬禁帶（禁帶寬度 Eg>2.3eV）的半導(dǎo)體材料。
 

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、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，又是堅硬和高熔點材料，熔點為 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。
 

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、消費電子等應(yīng)用；光電子方向包括了 LED、激光器、光電探測器等應(yīng)用。
 

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

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

 

與 4G 系統(tǒng)相比，5G mMIMO 具有更多收發(fā)器和天線單元，使用波束賦形信號處理將射頻能量傳遞給用戶。mMIMO 系統(tǒng)可將 192 個天線單元連接到 64 個發(fā)送/接收（TRx）FEM，這些 TRx FEM 具有 16 個收發(fā)器 RFIC 和 4 個數(shù)字前端（DFE)，與典型的 LTE 4T MIMO 中的 4 個收發(fā)器相比，數(shù)字信號處理性能可提高 16 倍。5G mMIMO 設(shè)計下，急劇增加的信號處理硬件極大影響了系統(tǒng)尺寸，信號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)超過了板載功率放大器的功耗。
 

mMIMO 設(shè)計有助于減少傳統(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驅(qū)動相對緊湊的孔徑。GaN 非常適 合這些應(yīng)用，因為小尺寸封裝的強大性能是 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，并能提供雷達系統(tǒng)所需的堅固性和可靠性。HV GaN/SiC 能夠?qū)崿F(xiàn)更高的功率，同時可顯著 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 在射頻市場更關(guān)注高功率、高頻率場景。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，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 射頻市場將從 2018 年的 6.45 億美元增長到 2024 年的約 20 億美元，這主要受電信基礎(chǔ)設(shè)施和國防 兩個方向應(yīng)用推動，衛(wèi)星通信、有線寬帶和射頻功率也做出了一定貢獻。
 

隨著新的基于 GaN 的有源電子掃描陣列（AESA）雷達系統(tǒng)的實施，基于 GaN 的軍用雷達預(yù)計將主導(dǎo) GaN 軍事市場，從 2018 年的 2.7 億美元增長至 2024 年的 9.77 億美元，CAGR 達 23.91％，具有很大的增長潛力。GaN 無線基礎(chǔ)設(shè)施的市場規(guī)模將從 2018 年的 3.04 億美元增長至 2024 年的 7.52 億美元，CAGR 達 16.3%。GaN 有線寬帶市場規(guī)模從 2018 年的 1,550 萬美元增長至 2024 年的 6,500 萬美元，CAGR 達 26.99%。GaN 射頻功率 市場規(guī)模從 2018 年的 200 萬美元增長至 2024 年的 10,460 萬美元，CAGR 達 93.38%，具有很大的成長空間。
 

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

據(jù) Yole 統(tǒng)計，2019 年全球 3750 多項專利一共可分為 1700 多個專利家族。這些專利涉及 RF GaN 外延、RF 半導(dǎo)體器件、集成電路和封裝等。Cree（Wolfspeed）擁有最強的專利實力，在 RF 應(yīng)用的 GaN HEMT 專利競爭 中，尤其在 GaN-on-SiC 技術(shù)方面處于領(lǐng)先地位，遠遠領(lǐng)先于其主要專利競爭對手住友電工和富士通。英特爾和 MACOM 是目前最活躍的 RF GaN 專利申請者，主要聚焦在 GaN-on-Si 技術(shù)領(lǐng)域。GaN RF HEMT 相關(guān)專利領(lǐng) 域的新進入者主要是中國廠商，例如 HiWafer（海威華芯），三安集成、華進創(chuàng)威。

 

GaN 技術(shù)有望大幅改進電源管理、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) 計到 2030 年，這一數(shù)字將達到 80%。這相當(dāng)于節(jié)約了 30 億千瓦時以上的電能，這些電能可支持 30 多萬個家 庭使用一年。從智能手機充電器到數(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，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)用場合。因此，在微型逆變器、伺服器、馬達驅(qū)動、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 在未來幾年將在許多應(yīng)用中取代硅，其中，快充是第一個可以大規(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 替代硅。5G 智能手機的屏幕越來越大，與之對應(yīng)的是手機續(xù)航的需求越來越高，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的充電時長問題。
 

在非常高的電壓、溫度和開關(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中出現(xiàn)，主要是 Anker、Aukey 和 RAVpower 的 24 至 65 瓦充電器。

在 1990 年代對分立 GaN 及 2000 年代對集成 GaN 進行了多年學(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。它可以用來設(shè)計更小、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)動器和邏輯單片集成的 650V 硅基 GaN FET，采用四方扁平無 引線（QFN）封裝。GaNFast 技術(shù)允許高達 10 MHz 的開關(guān)頻率，從而允許使用更小、更輕的無源元件。此外， 寄生電感限制了 Si 和較早的分立 GaN 電路的開關(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，受消費者快速充電器應(yīng)用推動，到 2024 年 GaN 電源市場規(guī)模將超過 3.5 億美元，CAGR 為 85％，有極大增長空間。此外，GaN 還有望進入汽車及工業(yè)和電信電源應(yīng)用中。從生產(chǎn)端看，GaN 功率半導(dǎo)體 已開始批量出貨，但其價格仍然昂貴。制造成本是阻礙市場增長的主要障礙，因為到今天 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檻，市場就會爆發(fā)。
 

基于手機快充的激烈競爭，OPPO、vivo、小米等中國手機廠商將帶動 GaN 功率市場快速增長。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

 

4.1 GaN 是藍光 LED 的基礎(chǔ)材料，在 Micro LED、紫外激光器中有重要應(yīng)用
 

1993 年，Nichia 公司中村修二推出了第一只高亮度 GaN 藍光 LED，解決了自 1962 年 LED 問世以來高效 藍光缺失的問題，1996 年又首次在藍光 LED 上涂覆黃色熒光粉從而實現(xiàn)白光發(fā)射，開啟了 LED 白光照明的新 時代。
 

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)計薄膜化、微小化與陣列化，尺寸僅約 1~100μm 等級，但精準(zhǔn)度可達傳統(tǒng) LED 的 1 萬倍。此外，Micro LED 在顯示特性上與 OLED 類似，無需背光源且能自發(fā)光，唯一區(qū)別是 OLED 為有機材 料自發(fā)光。目前 OLED 受各大廠商青睞，是因為在反應(yīng)時間、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，且有更長發(fā)光壽命和更高亮度。Micro LED 有望繼 OLED 之后， 成為另一項推動顯示品質(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)（地面坦克裝甲車輛、艦船和飛機）、紫外制導(dǎo)、紫外告 警、紫外通信、紫外搜救定位、飛機著艦（陸）導(dǎo)引、空間探測、核輻射和生物戰(zhàn)劑監(jiān)測、爆炸物檢測等。在民 用領(lǐng)域，典型的應(yīng)用有：火焰探測、電暈放電檢測、醫(yī)學(xué)監(jiān)測診斷、水質(zhì)監(jiān)測、大氣監(jiān)測、刑事生物檢測等。由 此可見，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)用價值，也是國際上的研究熱點。
 

根據(jù) LEDinside 分析，LED 照明市場規(guī)模 2018-2023 年的 CAGR 為 6%。在物聯(lián)網(wǎng)和 5G 新時代，智慧化 產(chǎn)品滲透率更加迅速提升，智能家居照明的商機即將爆發(fā)。此外，2022 年 Micro LED 以及 Mini LED 的市場產(chǎn) 值預(yù)計將會達到 13.8 億美元。下一代 Mini LED 背光技術(shù)將是各家廠商的開發(fā)重點，至 2023 年 Mini LED 市場 規(guī)模預(yù)計會達到 10 億美元。其中顯示屏應(yīng)用成長速度最快，2018 年至 2023 年 CAGR 預(yù)計超過 50%。
 

根據(jù) LEDinside 發(fā)布的《2019 深紫外線 LED 應(yīng)用市場報告》顯示，2018 年全球 UV LED 市場規(guī)模達 2.99 億美金，預(yù)計到 2023 年市場規(guī)模將達 9.91 億美金，2018-2023 年 CAGR 達到 27%。UV LED 廣闊的發(fā)展前景 正吸引越來越多的廠商進入。
 

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，僅僅是拇指蓋大小的芯片模組，就可以發(fā)出比汞燈還要強的紫外光。由于其具備 LED 冷光源的全部潛 在優(yōu)勢，深紫外 LED 是公認(rèn)的未來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，深紫外 LED 的技術(shù)水平和芯片性 能進步很快，在一些高端領(lǐng)域已經(jīng)得到批量應(yīng)用，未來預(yù)計會得到更加廣泛的應(yīng)用。
 

目前市場上高端的深紫外 LED 產(chǎn)品仍主要以日本、韓國廠商為主，不過越來越多的國內(nèi)半導(dǎo)體公司開始 關(guān)注深紫外行業(yè)，進行了深度布局。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 敏光電是國內(nèi)唯一擁有紫外傳感芯片技術(shù)的公司，其所開發(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)對于 GaN 射頻有巨大需求，全球 GaN 射頻市場主要由住友電工（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。國產(chǎn)廠商在 GaN 射頻領(lǐng)域相對弱勢，但已有不 少廠商布局。

GaN 功率市場主要由快充帶動，其增長強度主要與國產(chǎn)手機廠商在 GaN 快充方面的推進強度相關(guān)。目前來 看，今年米 OV 及其部分附屬品牌的旗艦機都將標(biāo)配 GaN 快充，GaN 快充出貨量有望在今年鋪開。小米的 GaN 快充的電源 IC 由美國廠商 Navitas 供應(yīng)，電源 IC 主要由國外廠商把控，國內(nèi)廠商在 GaN 功率器件代工方面有 所布局。