越來越多的人在使用手機快充充電器的時候可能不經(jīng)意間會發(fā)現(xiàn)氮化鎵(GaN)這個專業(yè)名詞,實際上,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)體能實現(xiàn)更多的場景應(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、手機快充、氮化鎵汽車等有了無限可能。
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-氮化鎵技術(shù)洞察報告》(以下簡稱“報告”),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)展和未來突破。
以下為重點內(nèi)容摘要
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、制造、封測以及芯片等主要應(yīng)用場景。
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、工業(yè)電源、機車牽引、消費電源(電能使用)等領(lǐng)域的電能高效轉(zhuǎn)換,助力“碳達峰,碳中和”目標(biāo)實現(xiàn)。
從產(chǎn)業(yè)發(fā)展來看,全球氮化鎵產(chǎn)業(yè)規(guī)模呈現(xiàn)爆發(fā)式增長。據(jù)分析機構(gòu)Yole研究顯示,在氮化鎵功率器件方面,2020年的整體市場規(guī)模為0.46億美元,受消費類電子、電信及數(shù)據(jù)通信、電動汽車應(yīng)用的驅(qū)動,預(yù)計到2026年增長至11億美元,復(fù)合年均增長率為70%。值得一提的是,電動汽車領(lǐng)域的年復(fù)合增長率高達185%。在氮化鎵射頻器件方面,2020年的整體市場規(guī)模為8.91億美元,預(yù)計到2026年增長至24億美元,復(fù)合年均增長率為18%。
從產(chǎn)業(yè)鏈看,國內(nèi)氮化鎵產(chǎn)業(yè)鏈已基本形成,產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)相對聚焦中游,中國企業(yè)紛紛入場,主要代表企業(yè)分布在全國各地。
中國在氮化鎵技術(shù)上起步雖晚發(fā)力強勁
智慧芽數(shù)據(jù)顯示,全球在氮化鎵產(chǎn)業(yè)已申請16萬多件專利,有效專利6萬多件。其中,保護類型以發(fā)明專利為主,行業(yè)技術(shù)創(chuàng)新度比較高。報告指出,該領(lǐng)域美日技術(shù)實力較強,中美日市場較熱。
從技術(shù)發(fā)展的歷史演進來看,20世紀(jì)70年代初出現(xiàn)氮化鎵相關(guān)專利申請,1994年之前尚處于探索階段,參與企業(yè)較少;1994-2005年進入快速發(fā)展期,主要驅(qū)動力是LED照明商用化;2010年開始,日本住友、日立等對氮化鎵襯底大尺寸的突破和進一步產(chǎn)品化,促進了相關(guān)專利量的進一步快速增長;自2014年起,專利申請量總體趨于穩(wěn)步發(fā)展態(tài)勢,年專利申請量基本維持在9000件以上,在這段時期,可見光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)布局來看,中國、美國和日本為氮化鎵技術(shù)熱點布局的市場。其中,美國和日本起步較早,起步于20世紀(jì)70年代初,而中國起步雖晚,但后起發(fā)力強勁。值得注意的是,目前全球的氮化鎵技術(shù)主要來源于日本。
國內(nèi)外龍頭企業(yè)技術(shù)洞察對比
報告顯示,全球氮化鎵主要創(chuàng)新主體的龍頭主要集中于日本。氮化鎵產(chǎn)業(yè)國外重點企業(yè)包括日本住友、美國Cree、德國英飛凌、韓國LG、三星等,中國企業(yè)代表有,晶元光電、三安光電、臺積電、華燦光電等。但目前中國企業(yè)和國外企業(yè)相比,專利申請數(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技術(shù)側(cè)重HVPE法,重點解決襯底缺陷、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Cree依靠其技術(shù)儲備支撐氮化鎵功率器件的市場化。2019年,Cree逐步剝離LED業(yè)務(wù),專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)。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。
德國英飛凌持續(xù)深耕功率器件領(lǐng)域,且重點關(guān)注美國市場。其前身作為西門子集團的半導(dǎo)體部門,英飛凌主要生產(chǎn)IGBT、功率MOSFET、HEMT、DC-DC轉(zhuǎn)換器、柵極驅(qū)動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器件上布局的專利最多。
國內(nèi)LED龍頭“三安光電”在氮化鎵領(lǐng)域有一定技術(shù)儲備。三安光電是目前國內(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。其布局的器件類型主要包括可見光LED、紫外LED、Micro/Mini LED和GaN基FET。2016年后,三安光電對可見光LED的專利申請量逐漸下降,并開始增加對Micro/Mini LED、GaN基FET的專利申請。
此外,智慧芽推出的氮化鎵(GaN)專利情報監(jiān)控分析成果已落地形成IT平臺系統(tǒng),可實現(xiàn)日常更新、監(jiān)控和查閱,確保分析結(jié)果持續(xù)為行業(yè)研發(fā)創(chuàng)新和知識產(chǎn)權(quán)情報管理發(fā)揮價值。
PatSnap智慧芽成立于2007年,作為一家立足于科技的全球研發(fā)創(chuàng)新信息與管理提供商,智慧芽憑借多年積累的人工智能技術(shù)和大數(shù)據(jù)處理能力,始終致力于為創(chuàng)新者打造更好的信息情報平臺和服務(wù)。 通過提供豐富且人性化的產(chǎn)品組合及解決方案,智慧芽幫助客戶從知識產(chǎn)權(quán)等信息中輕松獲取科技競爭情報、促進商業(yè)化過程,以提高客戶創(chuàng)新的核心競爭力。創(chuàng)立至今,智慧芽已服務(wù)全球50多個國家10000多家客戶。官網(wǎng):www.zhihuiya.com
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