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国内氮化镓GaN产业链详解:氮化镓特性、生产厂家、发展趋势等

简介

氮化镓是由氮元素和镓元素组成的一种化合物半导体材料。根据Yole统计,GaN器件可以适用于68%的功率器件市场。在应用领域中领域,半导体照明行业发展最为迅速,已形成百亿美元的产业规模。其中,蓝宝石基GaN是最常用的,也是最为成熟的材料体系,大部分LED照明都是通过这种材料体系制造的。数据显示,宽禁带半导体芯片可以消除整流器在进行交直流转换时90%的能量损失,还可以使笔记本电源适配器体积缩小80%。

如果你打开某购物网站,搜索“氮化镓”这个关键词,会发现某品牌的手机充电器竟然有8W+评论。而这个充电背后是GaN(中文名“氮化镓”),一种新型半导体材料。

从今年发布的一些手机来看,快充也逐渐成为智能手机的招牌或者说是“标配”,例如OPPO推出的65W氮化镓快充充电头器快充充电器,小米9 Pro的40W有线充电……

           

有线快充功率排行榜,来源:燃财经

但此前的充电头都面临过一个痛点:功率越大,个头越大。

要弄清手机个头大这个问题,首先要了解材料的功率特性,单位体积的元器件功率转换是定量的,一般来说功率越大,功率元器件的体积越大,如果仅仅为了追求快充功能,将充电头设计成板砖大小,那设计的价值将大打折扣,还不如充电宝使用方便。另一方法,就是寻找高功率且转换效率高的材料,以GaN(氮化镓)为代表的第三代半导体材料开始进入大众的视野。

           ANKER首款内置氮化镓元件的USB PD GaN充电器,与苹果的5W充电器相比,并没有大多少,功率却大了5倍以上 ,除了用于充手机,还可以用来充手机、平板、笔记本。

“GaN”中文名“氮化镓”,是一种新型半导体材料,它具有禁带宽度大、热导率高、耐高温、抗辐射、耐酸碱、高强度和高硬度等特性,在早期广泛运用于新能源汽车、轨道交通、智能电网、半导体照明、新一代移动通信等。

随着技术突破成本得到控制,目前氮化镓还被广泛运用到消费类电子等领域,充电器便是其中一项,由于氮化镓的技术门槛高,目前入局氮化镓充电领域的企业尚少,主要包括ANKER 、UIBI柚比、APE、紫米、Aukey等。

1、GaN从哪里来?

氮化镓是由氮元素和镓元素组成的一种化合物半导体材料。氮化镓(GaN)、碳化硅(SiC)、氮化铝(ALN)、氧化镓(Ga2O3)等,因为禁带宽度大于 2。2eV 统称为宽禁带半导体材料,在国内也称为第三代半导体材料。

在半导体业内从材料端分为:

  • 第一代元素半导体材料,如硅(Si)和锗 (Ge);

  • 第二代化合物半导体材料:如砷化镓(GaAs)、磷化铟(InP)等;

  • 第三代宽禁带材料,如碳化硅(SiC)、氮化镓(GaN)、氮化铝(ALN)、氧化镓(Ga2O3)等。

                    

基于禁带宽度大、击穿电场高、热导率大、电子饱和漂移速度高、介电常数小等特性,当前应用主要领域为半导体照明、电力电子、射频微波器件、激光器和探测器件等。

随着成本的下降,GaN有望在中低功率领域替代二极管、IGBT、MOSFET等硅基功率器件。以电压来分,0-300V是Si材料占据优势,600V以上是SiC占据优势,300V-600V之间则是GaN材料的优势领域。根据Yole统计,GaN器件可以适用于68%的功率器件市场。

在应用领域中领域,半导体照明行业发展最为迅速已形成百亿美元的产业规模。半导体照明所使用的材料体系主要分为3种:蓝宝石基GaN、SiC基GaN、Si基GaN,每种材料体系的产品都对应不同的应用。其中,蓝宝石基GaN是最常用的,也是最为成熟的材料体系,大部分LED照明都是通过这种材料体系制造的。

在电力电子领域,宽禁带半导体的应用刚刚起步,市场规模仅为几亿美元。由于GaN材料电子漂移饱和速度高,击穿场强大,目前硅基GaN功率器件具有高反向关断电压、更高的工作频率和更低的导通电阻等特性,可使电源做的更小,效率更高,更高的功率密度。半导体在节能领域中应用最多就是功率器件,绝大多数电子产品都会使用到一颗或多颗功率器件产品。数据显示,宽禁带半导体芯片可以消除整流器在进行交直流转换时90%的能量损失,还可以使笔记本电源适配器体积缩小80%

在开关电源、电动汽车、光伏发电、UPS、数据中心、无线充电,芯片处理器等应用具有非常好的前景。

在射频微波领域,GaN熔点在1700℃,频率目前可达到25G,功率达到1800w,在航空航天,微波雷达,卫星通信,5G通信有非常大的优势。全球有超过30家企业从事氮化镓半导体的研发,其中,实现商业化量产的企业仅有10家左右。

在激光器方面,GaN基激光器可以覆盖到很宽的频谱范围,实现蓝、绿、紫外激光器和紫外探测的制造。紫色激光器可用于制造大容量光盘,其数据存储盘空间比蓝光光盘高出20倍。除此之外,紫色激光器还可用于医疗消毒、荧光激励光源等应用,总计市场容量为12亿美元;蓝色激光器可以和现有的红色激光器、倍频全固化绿色激光器一起,实现全真彩显示,使激光电视实现广泛应用;GaN基紫外探测器可用于导弹预警、卫星秘密通信、各种环境监测、化学生物探测等领域,但尚未实现产业化。

在探测器方面,GaN基紫外探测器可用于导弹预警、卫星秘密通信、各种环境监测、化学生物探测等领域,但尚未实现产业化

2、GaN发展概况:国外先发优势,国内潜力无

GaN器件产业链各环节依次为:GaN单晶衬底(或SiC、蓝宝石、Si)→GaN材料外延→器件设计→器件制造。目前产业以IDM企业为主,但是设计与制造环节已经开始出现分工,如传统硅晶圆代工厂台积电开始提供GaN制程代工服务,国内的三安集成也有成熟的GaN制程代工服务。(国内GaN企业汇总,可文末查阅)

                       

全球范围内,氮化镓专利申请量排名前四的国家及地区是日本、中国大陆、美国、韩国、中国台湾,其中中国专利量占全球的23%。虽然在专利方面国内有一定有一定优势,但从目前的技术发展状况来说,仍以欧美日企业为主。这和GaN布局早晚有一定的联系,美国和欧洲分别于2002年和2007年启动了氮化镓功率半导体推动计划,我国的GaN研究始于2013年。

GaN衬底主要由日本公司主导,日本住友电工的市场份额达到90%以上。国内已经小批量生产 2 英寸衬底,具备 4 英寸衬底生产能力,并开发出 6 英寸衬底样品,国内可提供相关产品的企业有:纳维科技、中镓半导体。

GaN外延片相关企业主要有比利时的EpiGaN、英国的IQE、日本的NTT-AT。中国厂商有苏州晶湛、苏州能华和世纪金光,苏州晶湛2014年就已研发出8英寸硅基外延片,现阶段已能批量生产,2018年12月聚能晶源成功研制了 8 英寸硅基氮化镓(GaN-on-Si)外延晶圆。

GaN器件设计厂商方面,有美国的EPC、MACOM、Transphom、Navitas,德国的Dialog,国内有被中资收购的安谱隆(Ampleon)等。

全球 GaN 射频器件独立设计生产供应商(IDM)中,住友电工和 Cree 是行业的龙头企业,市场占有率均超过 30%,其次为 Qorvo 和 MACOM。住友电工在无线通信领域市场份额较大,其已成为华为核心供应商,为华为 GaN射频器件最大供应商。此外,还有法国Exagan、荷兰NXP、德国英飞凌、日本三菱电机、美国Ⅱ-Ⅵ等。

           

国内外氮化镓(GaN)产业链代表企业一览表

来源:材料深一度

                              

我的氮化镓发展虽然起步晚,但政策方面在不断加持:

2013年的“863计划”明确将第三代半导体材料及其应用列为重要内容。

2015 年 5 月,国务院印发了《中国制造 2025》,其中四次提到了以碳化硅、氮化镓为代表的第三代半导体功率器件。

2015年和2016年国家科技重大专项02专项也对第三代半导体功率器件的研制和应用进行立项。

2017年,北京、江苏、山东和广东等地陆续出台促进化合物半导体发展的62项相关政策。国内已经形成了第三代半导体产业发展的聚集区:京津冀、长三角、珠三角、和闽三角。地方政府出台“十三五规划”、“重点研发计划”、“科技创新规划”中涉及第三代半导体条款的政策有30条。同时我们发现,今年以来无论是地方第三代半导体产业布局还是以第三代半导体为主题的研讨会也在增多。

政策支持新兴高技术产业发展对当地经济结构调整、产业转型升级起到积极的促进作用。到目前为止,国内已有四条4/6英寸SiC生产/中试线和三条GaN生产/中试线相继投入使用,并在建多个与第三代半导体相关的研发中试平台。(国内GaN企业汇总,可文末查阅)

3、GaN前景广阔

由于第三代半导体材料及其制作的各种器件的优越性、实用性和战略性,毫无疑问,未来以第三代半导体材料SiC和GaN制成的半导体功率器件将成为发展主流,当前许多发达国家已经将第三代半导体材料列入国家计划,全面部署。

据Yole预测,2020年末,GaN射频器件市场规模将扩大至目前的2.5倍。2019-2020年,5G网络的实施将接棒推动GaN市场增长。未来10年,GaN市场将有望超过30亿美元

从研发角度来看,中国专利占据全球的23%,但产业化发展程度较欧美低,但我国发展的应用场景广阔:我国是全球最大的半导体照明产业生产地、全球规模最大的5G移动通信、全球增速最快的新能源汽车智能手机军工领域对功率半导体需求增速,这些应用的发展都离不开第三代半导体材料和器件的支撑。

同时,国内投资GaN热度高涨。根据第三代半导体产业技术创新战略联盟的统计,仅仅2017年一年,投产氮化镓材料相关项目金额已经超过19亿元。政策扶持、应用推进、资本追捧,以GaN为代表的第三代半导体产业前景广阔,氮化镓手机快充充电器只是一个开始。

国内GaN企业汇总如下:

GaN衬底企业

  • 东莞市中稼半导体科技荣鼎彩平台

东莞市中镓半导体科技荣鼎彩平台成立于2009年1月,总部设于广东东莞,总注册资本为1。3亿元人民币,总部设立厂房办公区等共17000多平方米,并在北京有大型研发中心,为中国国内一家专业生产氮化镓衬底材料的企业。

官网显示,中镓半导体已建成国内首家专业的氮化镓衬底材料生产线,制备出厚度达1100微米的自支撑GaN衬底,并能够稳定生产。2018年2月,中镓半导体实现4英寸GaN自支撑衬底的试量产。

  • 东莞市中晶半导体科技荣鼎彩平台

东莞市中晶半导体科技荣鼎彩平台成立于2010年,是广东光大企业集团在半导体领域继中镓半导体、中图半导体后布局的第三个重点产业化项目。

中晶半导体主要以HVPE设备等系列精密半导体设备制造技术为支撑,以GaN衬底为基础,重点发展Mini/MicroLED外延、芯片技术,并向新型显示模组方向延展;同时,中晶半导体将以GaN衬底材料技术为基础,孵化VCSEL、电力电子器件、化合物半导体射频器件、车灯封装模组、激光器封装模组等国际前沿技术,并进行全球产业布局。

  • 苏州纳维科技荣鼎彩平台

苏州纳维科技荣鼎彩平台成立于2007年,致力于氮化镓单晶衬底的研发与产业化,实现了2英寸氮化镓单晶衬底的生产、完成了4英寸产品的工程化技术开发、突破了6英寸的关键技术,现在是国际上少数几家能够批量提供2英寸氮化镓单晶产品的单位之一。

据官网介绍,目前纳维科技GaN单晶衬底产品已提供给300余家客户使用,正在提升产能向企业应用市场发展,重点突破方向是蓝绿光半导体激光器、高功率电力电子器件、高可靠性高功率微波器件等重大领域。

  • 镓特半导体科技(上海)荣鼎彩平台

镓特半导体科技(上海)荣鼎彩平台成立于2015年4月,主要从事大尺寸的高质量、低成本氮化镓衬底的生长,以推动诸多半导体企业能够以合理价来购买并使用氮化镓衬底。镓特半导体已自主研发出HVPE设备,并用以生长高质量的氮化镓衬底。

官网显示,借助自主研发的HVPE设备,镓特半导体已成功生长出4英寸的自支撑氮化镓衬底。镓特半导体表示,未来几年内将建成全球最大的氮化镓衬底生长基地,以此进一步推广氮化镓衬底在半导体材料市场上的广泛应用,并将依托自支撑GaN衬底进行中下游的高端LED、电力电子及其他器件的研发和制造。

GaN外延片企业

  • 苏州晶湛半导体荣鼎彩平台

苏州晶湛半导体荣鼎彩平台成立于2012年3月,致力于氮化镓(GaN)外延材料的研发和产业化。2013年8月,晶湛半导体开始在苏州纳米城建设GaN外延材料生产线,可年产150mm氮化镓外延片2万片;2014年底,晶湛半导体发布其商品化8英寸硅基氮化镓外延片产品。

官网介绍称,截至目前,晶湛半导体已完成B轮融资用于扩大生产规模,其150mm的GaN-on-Si外延片的月产能达1万片。晶湛半导体现已拥有全球超过150家的著名半导体公司、研究院所客户。

  • 聚能晶源(青岛)半导体材料荣鼎彩平台

聚能晶源(青岛)半导体材料荣鼎彩平台成立于2018年6月,专注于电力电子应用的外延材料增长。针对外延材料市场,聚能晶源正在开发硅基氮化镓材料生长技术并销售硅基氮化镓外延材料作为产品。

2018年12月,聚能晶源成功研制了达到全球业界领先水平的8英寸硅基氮化镓(GaN-on-Si)外延晶圆。该型外延晶圆在实现了650V/700V高耐压能力的同时,保持了外延材料的高晶体质量、高均匀性与高可靠性,可以完全满足产业界中高压功率电子器件的应用需求。

  • 北京世纪金光半导体荣鼎彩平台

北京世纪金光半导体荣鼎彩平台成立于2010年12月,经过多年发展,世纪金光已成为集半导体单晶材料、外延、器件、模块的研发、设计、生产与销售于一体的、贯通第三代半导体全产业链的企业。

在碳化硅领域,世纪金光已实现碳化硅全产业链贯通,氮化镓方面,官网显示其目前则以氮化镓基外延片为主。

  • 聚力成半导体(重庆)荣鼎彩平台

聚力成半导体(重庆)荣鼎彩平台成立于2018年9月,是重庆捷舜科技荣鼎彩平台在大足区设立的公司。2018年9月,重庆大足区政府与重庆捷舜科技荣鼎彩平台签约,拟在重庆建设“聚力成外延片和芯片产线项目”。

2018年11月,聚力成半导体(重庆)荣鼎彩平台举行奠基仪式,项目正式开工。该项目占地500亩,计划投资50亿元,将在大足高新区建设集氮化镓外延片、氮化镓芯片的研发与生产、封装测试、产品设计应用为一体的全产业链基地。2019年6月5日,该项目一期厂房正式启用,预计将于今年10月开始外延片的量产。

GaN制造企业

  • 成都海威华芯科技荣鼎彩平台

成都海威华芯科技荣鼎彩平台成立于2010年,是国内首家提供6英寸砷化镓/氮化镓微波集成电路的纯晶圆代工企业。据了解,海威华芯由海特高新和央企中电科29所合资组建,2015年1月,海特高新以5。55亿元收购海威华芯原股东股权,并以增资的方式取得海威华芯52。91%的股权成为其控股股东,从而涉足高端化合物半导体集成电路芯片研制领域。

海威华芯6英寸第二代/第三代半导体集成电路芯片生产线已于2016年8月投入试生产。官网显示,海威华芯已开发了5G中频段小于6GHz的基站用氮化镓代工工艺、手机用砷化镓代工工艺,发布了毫米波频段用0.15um砷化镓工艺。砷化镓VCSEL激光器工艺、电力电子用硅基氮化镓制造工艺在2019年也取得了较大的进展。

  • 厦门市三安集成电路荣鼎彩平台

厦门市三安集成电路荣鼎彩平台成立于2014年,是LED芯片制造公司三安光电下属子公司,基于氮化镓和砷化镓技术经营业务,是一家专门从事化合物半导体制造的代工厂,服务于射频、毫米波、功率电子和光学市场,具备衬底材料、外延生长以及芯片制造的产业整合能力。

三安集成项目总规划用地281 亩,总投资额30亿元,规划产能为30万片/年GaAs高速半导体外延片、30万片/年GaAs高速半导体芯片、6万片/年GaN高功率半导体外延片、6万片/年GaN高功率半导体芯片。官网显示,三安集成在微波射频领域已建成专业化、规模化的4英寸、6英寸化合物晶圆制造产线,在电子电路领域已推出高可靠性、高功率密度的SiC功率二极管及硅基氮化镓功率器件。

  • 华润微电子荣鼎彩平台

华润微电子荣鼎彩平台是华润集团旗下负责微电子业务投资、发展和经营管理的企业,亦是中国本土具有重要影响力的综合性微电子企业,其聚焦于模拟与功率半导体等领域,业务包括集成电路设计、掩模制造、晶圆制造、封装测试及分立器件,目前拥有6-8英寸晶圆生产线5条、封装生产线2条、掩模生产线1条、设计公司3家,为国内拥有完整半导体产业链的企业。

2017年12月,华润微电子完成对中航(重庆)微电子荣鼎彩平台(后更名为“华润微电子(重庆)荣鼎彩平台”)的收购,重庆华润微电子采用8英寸0.18微米工艺技术进行芯片生产,并在主生产线外建有独立的MEMS和化合物半导体工艺线,具备氮化镓功率器件规模化生产制造能力。

  • 杭州士兰微电子股份荣鼎彩平台

杭州士兰微电子股份荣鼎彩平台成立于成立于1997年,专业从事集成电路芯片设计以及半导体相关产品制造,2001年开始在杭州建了第一条5英寸芯片生产线,现已成为国内集成电路芯片设计与制造一体(IDM)企业。

近年来,士兰微逐步布局第三代化合物功率半导体。2017年,士兰微打通一条6英寸的硅基氮化镓功率器件中试线。2018年10月,士兰微厦门12英寸芯片生产线暨先进化合物半导体生产线开工,其中4/6英寸兼容先进化合物半导体器件生产线总投资50亿元,定位为第三代功率半导体、光通讯器件、高端LED芯片等。

GaN IDM企业

  • 苏州能讯高能半导体公司

苏州能讯高能半导体荣鼎彩平台成立于2011年,致力于宽禁带半导体氮化镓电子器件技术与产业化,为5G移动通讯、宽频带通信等射频微波领域和工业控制、电源、电动汽车等电力电子领域等两大领域提供高效率的半导体产品与服务。

能讯半导体采用整合设计与制造(IDM)的模式,自主开发了氮化镓材料生长、芯片设计、晶圆工艺、封装测试、可靠性与应用电路技术,目前公司拥有专利256项。该公司在江苏建有一座氮化镓(GaN)电子器件工厂,厂区占地55亩,累计投资10亿元。

  • 江苏能华微电子科技发展荣鼎彩平台

江苏能华微电子科技发展荣鼎彩平台成立于2010年6月,是由国家千人计划专家朱廷刚博士领衔的、由留美留澳留日归国团队创办的一家专业设计、研发、生产、制造和销售以氮化镓为代表的复合半导体高性能晶圆、以及用其做成的功率器件、芯片和模块的高科技公司。

能华微电子先后承担了国家电子信息产业振兴和技术改造专项的大功率GaN功率电子器件及其材料的产业化项目、国家重点研发计划战略性先进电子材料重点专项的GaN基新型电力电子器件关键技术项目等。2017年,能华微电子建成8英寸氮化镓芯片生产线并正式启用。

  • 英诺赛科(珠海)科技荣鼎彩平台

英诺赛科(珠海)科技荣鼎彩平台成立于2015年12月,该公司采用IDM 全产业链模式,致力于打造一个集研发、设计、外延生长、芯片制造、测试与失效分析为一体的第三代半导体生产平台。2017年11月,英诺赛科的8英寸硅基氮化镓生产线通线投产,成为国内首条实现量产的8英寸硅基氮化镓生产线,主要产品包括30V-650V氮化镓功率与5G射频器件。

2018年6月,总投资60亿元的英诺赛科苏州半导体芯片项目开工,今年8月30日项目主厂房封顶,预计12月底生产设备正式进厂,2020年可实现规模化量产。该项目聚焦在氮化镓和碳化硅等核心产品,将打造将成为集研发、设计、外延生产、芯片制造、分装测试等于一体的第三代半导体全产业链研发生产平台。

  • 大连芯冠科技荣鼎彩平台

大连芯冠科技荣鼎彩平台成立于2016年3月,该公司采用整合设计与制造(IDM)的商业模式,主要从事第三代半导体硅基氮化镓外延材料及电力电子器件的研发、设计、生产和销售,产品应用于电源管理、太阳能逆变器、电动汽车及工业马达驱动等领域。

官网介绍称,芯冠科技已建成首条6英寸硅基氮化镓外延及功率器件晶圆生产线。2019年3月,芯冠科技在国内率先推出符合产业化标准的650伏硅基氮化镓功率器件产品(通过1000小时HTRB可靠性测试),并正式投放市场。

  • 江苏华功半导体荣鼎彩平台

江苏华功半导体荣鼎彩平台成立于2016年5月,注册资本为2亿元人民币,一期投入10亿元人民币。官网介绍称,目前公司已全面掌握大尺寸Si衬底高电导、高耐压、高稳定性的GaN外延技术并掌握具有自主知识产权的增强型功率电子器件制造技术。

根据官网显示,华功半导体可提供2英寸、4英寸、6英寸及8英寸GaN-on-Si功率电子器件用外延片产品,并基于华功自有知识产权的GaN-on-Si外延技术设计和制造,提供650V/5A-60A系列化高速功率器件。

原文来自公众号:芯世相

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