第三代半導體之GaN專題研究報告

總結

我國GaN產品逐步從小批次研發、向規模化、商業化生產發展。

GaN單晶襯底實現2-3英寸小批次產業化，4英寸已經實現樣品生產。GaN異質外延襯底已經實現6英寸產業化，8英寸正在進行產品研發。 GaN材料應用範圍仍LED向射頻、功率器件不斷擴充套件。

射頻器件方面， GaN受到5G推動。

GaN射頻器件襯底主要採用SiC襯底。Cree擁有最強的實力，在射頻應用的GaN HEMT、尤其是GaN-on-SiC技術方面，該公司處於領先地位，遠遠領先日系廠商住友電工和富士通。國內主要的廠商是海威華芯、三安整合和華進創威。

功率器件方面，快充將成為最大推動力。

2019年OPPO、小米在新機型中採用了GaN快充器件，隨著 終端客戶積極推進，消費級GaN手機電源市場起量。除消費電子領域外，歐洲車企積極採納，車規級GaN充電市場迎來需求增長。

一、GaN產業格局初成，國內廠商加速佈局

1.1 化合物襯底的功率半導體對比

GaN具備帶隙大（3。4eV）、絕緣破壞電場大（2×106V/cm）及飽和速度大（2。7×107cm/s）等Si及GaAs不具備的特點。 由於容易實現異質結構，因此在LED、半導體鐳射器、高頻及高功率元器件等領域的應用不斷擴大。

1.2 GaN結構特性

GaN作為一種寬禁帶材料，和矽等傳統半導體材料相比，能夠在更高壓、更高頻、更高溫度的環境下執行。從結構上看，Si是垂直型的結構，GaN是平面型的結構，這也使得GaN的帶隙遠大於Si。

SiC相比，GaN在成本方面表現出更強的潛力，且 GaN器件是個平面器件，與現有的Si半導體工藝相容性強，這使其更容易不其他半導體器件整合。

二、器件發展，材料先行

2.1 GaN應用發展歷程

LED：GaN不可替代；以藍寶石為襯底；2000發展至今， 2014年推出藍光LED

射頻：GaN不矽基材料拉鋸；以SiC襯底為主；注重效能、穩定性；2018年PA中GaN超過矽基使用量；

功率器件：GaN參不競爭；以Si襯底為主；成本敏感，注重實用、美觀；2020年開啟快充市場；

2.1 GaN襯底與應用相關

襯底的選擇根據應用的需求而變化。目前市場上GaN電晶體主流的襯底材料為藍寶石、SiC和Si，GaN襯底由於工藝、成本問題尚未得到大規模商用。藍寶石襯底一般用於製造藍光LED，通常採用MOCVD法外延生長GaN。

SiC襯底一般用於射頻器件，Si則用於功率器件居多。除了應用場景外，晶格失配度、熱膨脹係數、尺寸和價格都是影響襯底選擇的因素之一。

2.2 GaN襯底發展歷程

SiC襯底應用較廣。SiC襯底在4G時代被逐步推廣和應用，由於 5G頻率高於4G，我們預計GaN-on-SiC將在Sub-6GHz得到廣泛應用。目前SiC襯底主要以4寸、6寸為主，隨著 8寸SiC晶圓生產工藝成熟，未來有望降低 SiC襯底的使用成本。GaN-on-Si主要用於功率器件，2019年Q1 GaN-on-Si仍處於小規模量產，但因為矽片尺寸已經達到 12寸，未來有望依靠成本優勢得到大規模推廣。

三、5G、快充推動GaN放量

3.1 藍光LED原理

LED最基本的結構就是p-n結，由p型GaN和n型GaN組成。目前，商業化的GaN基藍光LED多采用InGaN/GaN多量子阱結構。在藍寶石襯底上先生長一層無摻雜的GaN作為緩衝層，再生長一層Si摻雜的GaN層作為n型區，緊接著生長多個週期的InGaN/GaN多量子阱作為複合發光區域，再生長 p型AIGaN作為EBL，然後再用Mg摻雜GaN層作為p型區，最後在p型層和n型層兩端分別形成兩個電極。

3.1 Micro LED未來可期

Micro LED市場規模將不斷擴大，全球市場收入快速增長 。據Statista預測，2026年全球MicroLED出貨量將達到0。15億片，2027年全球MicroLED市場收入將達到718億美元。Mini/Micro LED將成為LED未來的發展方向。 Micro LED適用於極小間距、高對比度和高重新整理率的場景，例如智慧手錶、AR、VR等智慧穿戴領域。

全球搶佔Micro LED佈局。晶電與環宇-KY合資設廠，而後與利亞德合資建立Mini/MicroLED量產基地，同時京東方與美國 Rohinni合資的BOE Pixey正式成立，將共同生產顯示器背光源的Micro LED。國內三安光電、華燦光電等在Mini LED晶片外延，國星光電、瑞豐光電等在封裝等環節均有佈局。上下游技術整合，Micro LED進展有望實現突破。

3.2 GaN工藝改進帶來新增長點

5G通訊對射頻前端有高頻、高效率等嚴格要求，資料流量高速增長使得調製解調難度不斷增加，所需的頻段越多，對射頻前端器件的效能要求也隨之加高；載波聚合技術的出現，更是促使移動基站、智慧手機對射頻前端器件的需求翻倍，給GaN發展帶來新契機。

目前在射頻前端應用電路中，矽基LDMOS器件和GaAs仍是主流器件，但在工作頻率、頻寬、功率等關鍵指標上明顯遜於GaN。雖然GaAs放大器線上性和失真度上有一定優勢，但GaN器件可透過數字預失真等技術進行最佳化，且隨著 GaN技術向更小的工藝尺寸演進，未來GaN將挑戰GaAs器件、矽基LDMOS器件主導地位。

3.2 GaN通訊基站

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模組；（3）5G高頻頻段的GaN MMIC。GaN的高頻、高功率、高效率、寬禁帶等特效能很好滿足5G基站及通訊系統的需求。隨著 5G的高速収展，通訊頻段不斷向高頻拓展，基站和移動終端的資料傳輸速率加快，調製技術所需的頻譜利用率更高，以及MIMO技術廣泛應用，對於半導體材料提出了更高的要求。

3.2 GaN包絡跟蹤技術

GaN器件具有較低的寄生電容和優良的熱效能，適合高頻應用，其中應用於5G的包絡跟蹤技術將加速GaN的發展。

5G通訊對頻譜利用率要求高，5G基站部署密度大，因而對射頻訊號的峰值平均功率比（PAPR）要求更高。但PAPR的增大會降低PA的效率，可透過包絡跟蹤技術改善這一問題——調製線性功放（LPA）的電源電壓以跟蹤射頻訊號的包絡，仍而提高漏極能效，這對於包絡跟蹤的電源效能構成相當的挑戓，為了提高能效，使用開關式轉換器代替線性轉換器，考慮到所跟蹤的無失真包絡訊號的頻寬非常寬，因而需要極高開關頻率的轉換器，傳統矽基功率開關損耗高、能效低，很難達到要求。

3.2 GaN基站應用市場預期

GaN在基站中的應用比例持續擴大，市場增速可觀。

預計2022年全球4G/5G基站市場規模將達到16億美元，值得關注的是，用於5G毫米波頻段的射頻前端模組年複合增長率將達到119%，用於Sub-6GHz頻段的M-MIMOPA器件年複合增長率將達到135%，另外用於4G宏的GaN PA器件年複合增長率也將達到33%，用於4G/5G的小訊號器件達到16% 。

3.2 GaN射頻應用市場及發展預期

GaN射頻裝置市場規模持續增長，軍備國防、無線通訊基礎設施為主要支柱以及主要增長動力。

預計2018-2024年GaN射頻裝置整體年複合增長率達到21%，2019-2025年封裝的GaN射頻裝置整體年複合增長率達到12%。GaN將取代 GaAs在高功率、高頻率衛星通訊領域的應用，同時在有線電視（CATV）和民用雷達市場上提供比LDMOS或 GaAs更高的附加值。

在 GaN 射頻元器件市場，第一陣營的廠商是住友電氣、Cree/Wolfspeed和Qorvo。

GaN射頻器件襯底主要採用SiC襯底。Cree擁有最強的實力，在射頻應用的 GaN HEMT、尤其是GaN-on-SiC技術方面，該公司處於領先地位，遠遠領先日系廠商住友電工和富士通。國內主要的廠商是海威華芯、三安整合和華進創威。

3.3 GaN在功率器件應用

GaN功率器件通常採用HEMT（高遷移率電晶體）的設計，主要應用於高頻場景。

相較於Si、SiC，GaN電晶體的源極、柵極、漏極均在同一個平面，因此使用存在與AlGaN和GaN層級間的2DEG（二維電子氣）作為電流路徑。異質結導致的二維電子氣顯著提高遷移率，因此 GaN電晶體切換速度很快。在中高頻驅動逆變器的快速切換的場景中，如果採用傳統的MOSFET和IGBT會產生不可接受的損耗，而 GaN HEMT能夠克服這樣的損耗。但快速切換使得柵極電壓為0V時，也依舊會有電流透過，因此GaN HEMT也被稱為常開型元件。

高頻環境，GaN單位功率上優於Si。

當功耗和尺寸評判Si和GaN時，尤其是功率器件處在高頻環境下，GaN器件擁有更小的體積和更低的功耗。根據英飛凌的資料，目前GaN器件在單位功率上已經能夠達到Si器件的200%。更大的單位功率能夠節省出更多的空間給電池以及其他電子元器件。這項特效能夠給電動汽車提供更長的續航時間，為伺服器、基站提供更高的效能空間。

GaN主要適用於低壓、高頻領域，

目前大部分產能都集中於0-250V和650V，商業化的Si基GaN功率器件最高電壓仍然是在 650V，900V GaN FET提供試樣，未來有望將電壓提升至1200V。

3.3 快充推動GaN 功率器件在消費電子領域應用

根據 Global Market Insights的資料，GaN與SiC功率器件市場在2025年將達到30億美元，年複合增速達到30%。半導體區別於其它材料的主要特性是帶隙能—將材料仍絕緣體變為導體所需的電壓跳變。GaN提供的帶隙能是Si的3倍，而更高的帶隙意味著較高溫度下的更佳效能電壓，因此GaN將會成為Si的理想替代品。隨著這些裝置在光伏逆變器、混合動力和電動汽車、 UPS和其他電力應用領域的應用，該市場已經初步顯現 。

報告節選：

（報告觀點屬於原作者，僅供參考。報告出品方/作者：方正證券，陳杭）

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