原標題：《第三代半導體-氮化鎵(GaN)技術(shù)洞察報告》發(fā)布，氮化鎵正在改變世界 中國企業(yè)發(fā)力強勁
近日，智慧芽旗下智慧芽創(chuàng)新研究中心最新發(fā)布《第三代半導體-氮化鎵(GaN)技術(shù)洞察報告》，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。
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”這一第三代半導體材料的技術(shù)突破，讓第三代半導體能實現(xiàn)更多的場景應用，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。
12月28日，智慧芽旗下智慧芽創(chuàng)新研究中心最新發(fā)布《第三代半導體-氮化鎵(GaN)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。
報告顯示，國內(nèi)產(chǎn)業(yè)鏈基本形成，產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)相對聚焦中游，中國企業(yè)紛紛入場。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)域中美日技術(shù)實力較強，中美日市場較熱。
在報告展示的氮化鎵技術(shù)的日常應用場景中，豐田與日本名古屋大學合作開發(fā)“全氮化鎵汽車”，且目前寶馬也已經(jīng)加入氮化鎵汽車應用這一陣營;與此同時，氮化鎵快充走進日常生活，華為氮化鎵快充充電器面市，擁有大功率、超級快充、輕巧便捷的特點，支持手機、平板、PC電腦等設備充電。
一、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體材料，是第三代半導體材料的典型代表, 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。第三代半導體氮化鎵產(chǎn)業(yè)范圍涵蓋氮化鎵單晶襯底、半導體器件芯片設計、制造、封測以及芯片等主要應用場景。
氮化鎵應用范圍廣泛，作為支撐“新基建”建設的關(guān)鍵核心器件，其下游應用切中了 “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、電動汽車應用的驅(qū)動，預計到2026年增長至11億美元，復合年均增長率為70%。值得一提的是，電動汽車領(lǐng)域的年復合增長率高達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，預計到2026年增長至24億美元，復合年均增長率為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(如圖1)，中國企業(yè)紛紛入場，主要代表企業(yè)分布在全國各地(如圖2)。
圖1：全球氮化鎵產(chǎn)業(yè)鏈圖譜(來源：智慧芽整理)
圖2：中國氮化鎵企業(yè)及代表性業(yè)務(來源：CASA Research，智慧芽整理)
二、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(如圖3)。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。
圖3：全球氮化鎵產(chǎn)業(yè)專利申請情況(數(shù)據(jù)：智慧芽)
從技術(shù)發(fā)展的歷史演進來看，20世紀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70年代初，而中國起步雖晚，但后起發(fā)力強勁(如圖4)。值得注意的是，目前全球的氮化鎵技術(shù)主要來源于日本。
圖4：中、美、日氮化鎵技術(shù)專利申請趨勢圖(數(shù)據(jù)：智慧芽)
三、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(如圖5)，中國企業(yè)代表有，晶元光電、三安光電、臺積電、華燦光電等(如圖6)。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。
圖5：氮化鎵領(lǐng)域國外企業(yè)代表(來源：智慧芽)
圖6：氮化鎵領(lǐng)域中國企業(yè)代表(來源：智慧芽)
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商，同時也是華為GaN射頻器件主要供應商之一。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，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)換器等功率半導體器件，曾連續(xù)10年居全球功率半導體市場之首。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)?？傮w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，該公司投資建設氮化鎵高功率半導體項目;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。
四、氮化鎵三大重點技術(shù)解析
首先，GaN襯底技術(shù)是器件降本的突破口，當前正從小批量規(guī)模向產(chǎn)業(yè)商業(yè)化方向發(fā)展，同時向大尺寸和高晶體質(zhì)量方向發(fā)展。GaN單晶襯底以2-3英寸為主，4英寸已實現(xiàn)商用，6英寸已實現(xiàn)樣本開發(fā);GaN異質(zhì)外延襯底則已實現(xiàn)6英寸產(chǎn)業(yè)化，8英寸正在進行產(chǎn)品研發(fā)。
全球GaN襯底技術(shù)共有13000多件專利，其中有效專利量4800多件，占比為35.2%。其中，審中專利占比較少，可見未來有效專利增長空間較小。此外，日本和美國兩大市場分布的專利較多。全球襯底技術(shù)排名靠前的專利申請人以日本企業(yè)居多，整體技術(shù)實力較強，且日本住友在襯底領(lǐng)域技術(shù)儲備占有絕對優(yōu)勢。
第二，在氮化鎵基FET器件技術(shù)的應用中，車規(guī)級氮化鎵功率器件市場規(guī)模進入新紀元，其市場規(guī)模不斷升高。在電動汽車領(lǐng)域，目前EPC和Transphorm已經(jīng)通過了車規(guī)認證。與此同時，BMW i Ventures對GaN Systems公司的投資，表明了汽車行業(yè)越來越認可和重視GaN功率器件解決方案應用于電動汽車及混合動力汽車(EV/HEV)。
整體上，氮化鎵基FET器件正在向多單元模塊化發(fā)展。在這一領(lǐng)域中，美國、日本和中國為GaN基FET器件熱點布局的市場，其中重點為美國市場。自2000年起，該技術(shù)領(lǐng)域開始快速發(fā)展，且到2010年后，發(fā)展速度進一步加快。頭部企業(yè)中，日本企業(yè)仍占據(jù)大多數(shù)，且美國Cree和英特爾也占有一定的優(yōu)勢。
第三，Micro LED應用場景廣泛涵蓋微顯示和數(shù)字終端領(lǐng)域，未來可期?？纱┐髟O備以及超大屏顯示將于2021年進入市場。據(jù)分析機構(gòu)Yole預測，至2025年產(chǎn)業(yè)鏈成熟后，或?qū)⑦_到3.3億臺的出貨量。
Micro LED顯示技術(shù)的優(yōu)勢是自發(fā)光、低功耗、高亮度、超高分辨率、小尺寸和高色彩飽和度，十分符合顯示屏領(lǐng)域輕薄化、小型化、低功耗、高亮度的發(fā)展方向。因此，高反應速度的Micro LED是現(xiàn)今非常熱門的新一代顯示概念，將成為LED未來的發(fā)展方向。
在Micro LED領(lǐng)域，巨量轉(zhuǎn)移技術(shù)是該領(lǐng)域發(fā)展的重點。Micro/Mini LED技術(shù)在近5年處于高速發(fā)展期，中國專利申請趨勢與全球總體一致，并且近5年的發(fā)展勢頭迅猛，全球領(lǐng)先。在這一技術(shù)的全球主要專利申請人中，F(xiàn)acebook和蘋果公司分別位列第一、第二，國內(nèi)企業(yè)如京東方、歌爾股份、三安光電等也都名列前茅。
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。
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