我國GaN產(chǎn)品逐步從小批量研發(fā)、向規(guī)?；?、商業(yè)化生產(chǎn)發(fā)展。GaN單晶襯底實(shí)現(xiàn)2-3英寸小批量產(chǎn)業(yè)化，4英寸已經(jīng)實(shí)現(xiàn)樣品生產(chǎn)。GaN異質(zhì)外延襯底已經(jīng)實(shí)現(xiàn)6英寸產(chǎn)業(yè)化，8英寸正在進(jìn)行產(chǎn)品研發(fā)。 GaN材料應(yīng)用范圍仍LED向射頻、功率器件不斷擴(kuò)展。

射頻器件方面， GaN受到5G推動(dòng)。GaN射頻器件襯底主要采用SiC襯底。Cree擁有最強(qiáng)的實(shí)力，在射頻應(yīng)用的GaN HEMT、尤其是GaN-on-SiC技術(shù)方面，該公司處于領(lǐng)先地位，遠(yuǎn)遠(yuǎn)領(lǐng)先日系廠商住友電工和富士通。國內(nèi)主要的廠商是海威華芯、三安集成和華進(jìn)創(chuàng)威。

功率器件方面，快充將成為最大推動(dòng)力。2019年OPPO、小米在新機(jī)型中采用了GaN快充器件，隨著 終端客戶積極推進(jìn)，消費(fèi)級GaN手機(jī)電源市場起量。除消費(fèi)電子領(lǐng)域外，歐洲車企積極采納，車規(guī)級GaN充電市場迎來需求增長。

一、GaN產(chǎn)業(yè)格局初成，國內(nèi)廠商加速布局

1.1 化合物襯底的功率半導(dǎo)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(diǎn)。 由于容易實(shí)現(xiàn)異質(zhì)結(jié)構(gòu)，因此在LED、半導(dǎo)體激光器、高頻及高功率元器件等領(lǐng)域的應(yīng)用不斷擴(kuò)大。

1.2 GaN結(jié)構(gòu)特性

GaN作為一種寬禁帶材料，和硅等傳統(tǒng)半導(dǎo)體材料相比，能夠在更高壓、更高頻、更高溫度的環(huán)境下運(yùn)行。從結(jié)構(gòu)上看，Si是垂直型的結(jié)構(gòu)，GaN是平面型的結(jié)構(gòu)，這也使得GaN的帶隙遠(yuǎn)大于Si。

SiC相比，GaN在成本方面表現(xiàn)出更強(qiáng)的潛力，且 GaN器件是個(gè)平面器件，與現(xiàn)有的Si半導(dǎo)體工藝兼容性強(qiáng)，這使其更容易不其他半導(dǎo)體器件集成。

二、器件發(fā)展，材料先行

2.1 GaN應(yīng)用發(fā)展歷程

LED：GaN不可替代；以藍(lán)寶石為襯底；2000發(fā)展至今， 2014年推出藍(lán)光LED

射頻：GaN不硅基材料拉鋸；以SiC襯底為主；注重性能、穩(wěn)定性；2018年P(guān)A中GaN超過硅基使用量；

功率器件：GaN參不競爭；以Si襯底為主；成本敏感，注重實(shí)用、美觀；2020年打開快充市場；

2.1 GaN襯底與應(yīng)用相關(guān)

襯底的選擇根據(jù)應(yīng)用的需求而變化。目前市場上GaN晶體管主流的襯底材料為藍(lán)寶石、SiC和Si，GaN襯底由于工藝、成本問題尚未得到大規(guī)模商用。藍(lán)寶石襯底一般用于制造藍(lán)光LED，通常采用MOCVD法外延生長GaN。

SiC襯底一般用于射頻器件，Si則用于功率器件居多。除了應(yīng)用場景外，晶格失配度、熱膨脹系數(shù)、尺寸和價(jià)格都是影響襯底選擇的因素之一。

2.2 GaN襯底發(fā)展歷程

SiC襯底應(yīng)用較廣。SiC襯底在4G時(shí)代被逐步推廣和應(yīng)用，由于 5G頻率高于4G，我們預(yù)計(jì)GaN-on-SiC將在Sub-6GHz得到廣泛應(yīng)用。目前SiC襯底主要以4寸、6寸為主，隨著 8寸SiC晶圓生產(chǎn)工藝成熟，未來有望降低 SiC襯底的使用成本。GaN-on-Si主要用于功率器件，2019年Q1 GaN-on-Si仍處于小規(guī)模量產(chǎn)，但因?yàn)楣杵叽缫呀?jīng)達(dá)到 12寸，未來有望依靠成本優(yōu)勢得到大規(guī)模推廣。

三、5G、快充推動(dòng)GaN放量

3.1 藍(lán)光LED原理

LED最基本的結(jié)構(gòu)就是p-n結(jié)，由p型GaN和n型GaN組成。目前，商業(yè)化的GaN基藍(lán)光LED多采用InGaN/GaN多量子阱結(jié)構(gòu)。在藍(lán)寶石襯底上先生長一層無摻雜的GaN作為緩沖層，再生長一層Si摻雜的GaN層作為n型區(qū)，緊接著生長多個(gè)周期的InGaN/GaN多量子阱作為復(fù)合發(fā)光區(qū)域，再生長 p型AIGaN作為EBL，然后再用Mg摻雜GaN層作為p型區(qū)，最后在p型層和n型層兩端分別形成兩個(gè)電極。

3.1 Micro LED未來可期

Micro LED市場規(guī)模將不斷擴(kuò)大，全球市場收入快速增長 。據(jù)Statista預(yù)測，2026年全球MicroLED出貨量將達(dá)到0.15億片，2027年全球MicroLED市場收入將達(dá)到718億美元。Mini/Micro LED將成為LED未來的發(fā)展方向。 Micro LED適用于極小間距、高對比度和高刷新率的場景，例如智能手表、AR、VR等智能穿戴領(lǐng)域。

全球搶占Micro LED布局。晶電與環(huán)宇-KY合資設(shè)廠，而后與利亞德合資建立Mini/MicroLED量產(chǎn)基地，同時(shí)京東方與美國 Rohinni合資的BOE Pixey正式成立，將共同生產(chǎn)顯示器背光源的Micro LED。國內(nèi)三安光電、華燦光電等在Mini LED芯片外延，國星光電、瑞豐光電等在封裝等環(huán)節(jié)均有布局。上下游技術(shù)整合，Micro LED進(jìn)展有望實(shí)現(xiàn)突破。

3.2 GaN工藝改進(jìn)帶來新增長點(diǎn)

5G通信對射頻前端有高頻、高效率等嚴(yán)格要求，數(shù)據(jù)流量高速增長使得調(diào)制解調(diào)難度不斷增加，所需的頻段越多，對射頻前端器件的性能要求也隨之加高；載波聚合技術(shù)的出現(xiàn)，更是促使移動(dòng)基站、智能手機(jī)對射頻前端器件的需求翻倍，給GaN發(fā)展帶來新契機(jī)。

目前在射頻前端應(yīng)用電路中，硅基LDMOS器件和GaAs仍是主流器件，但在工作頻率、帶寬、功率等關(guān)鍵指標(biāo)上明顯遜于GaN。雖然GaAs放大器在線性和失真度上有一定優(yōu)勢，但GaN器件可通過數(shù)字預(yù)失真等技術(shù)進(jìn)行優(yōu)化，且隨著 GaN技術(shù)向更小的工藝尺寸演進(jìn)，未來GaN將挑戰(zhàn)GaAs器件、硅基LDMOS器件主導(dǎo)地位。

3.2 GaN通信基站

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模塊；（3）5G高頻頻段的GaN MMIC。GaN的高頻、高功率、高效率、寬禁帶等特性能很好滿足5G基站及通信系統(tǒng)的需求。隨著 5G的高速収展，通信頻段不斷向高頻拓展，基站和移動(dòng)終端的數(shù)據(jù)傳輸速率加快，調(diào)制技術(shù)所需的頻譜利用率更高，以及MIMO技術(shù)廣泛應(yīng)用，對于半導(dǎo)體材料提出了更高的要求。

3.2 GaN包絡(luò)跟蹤技術(shù)

GaN器件具有較低的寄生電容和優(yōu)良的熱性能，適合高頻應(yīng)用，其中應(yīng)用于5G的包絡(luò)跟蹤技術(shù)將加速GaN的發(fā)展。5G通信對頻譜利用率要求高，5G基站部署密度大，因而對射頻信號的峰值平均功率比（PAPR）要求更高。但PAPR的增大會(huì)降低PA的效率，可通過包絡(luò)跟蹤技術(shù)改善這一問題——調(diào)制線性功放（LPA）的電源電壓以跟蹤射頻信號的包絡(luò)，仍而提高漏極能效，這對于包絡(luò)跟蹤的電源性能構(gòu)成相當(dāng)?shù)奶魬幔瑸榱颂岣吣苄?，使用開關(guān)式轉(zhuǎn)換器代替線性轉(zhuǎn)換器，考慮到所跟蹤的無失真包絡(luò)信號的帶寬非常寬，因而需要極高開關(guān)頻率的轉(zhuǎn)換器，傳統(tǒng)硅基功率開關(guān)損耗高、能效低，很難達(dá)到要求。

3.2 GaN基站應(yīng)用市場預(yù)期

GaN在基站中的應(yīng)用比例持續(xù)擴(kuò)大，市場增速可觀。預(yù)計(jì)2022年全球4G/5G基站市場規(guī)模將達(dá)到16億美元，值得關(guān)注的是，用于5G毫米波頻段的射頻前端模塊年復(fù)合增長率將達(dá)到119%，用于Sub-6GHz頻段的M-MIMOPA器件年復(fù)合增長率將達(dá)到135%，另外用于4G宏的GaN PA器件年復(fù)合增長率也將達(dá)到33%，用于4G/5G的小信號器件達(dá)到16% 。

3.2 GaN射頻應(yīng)用市場及發(fā)展預(yù)期

GaN射頻設(shè)備市場規(guī)模持續(xù)增長，軍備國防、無線通信基礎(chǔ)設(shè)施為主要支柱以及主要增長動(dòng)力。預(yù)計(jì)2018-2024年GaN射頻設(shè)備整體年復(fù)合增長率達(dá)到21%，2019-2025年封裝的GaN射頻設(shè)備整體年復(fù)合增長率達(dá)到12%。GaN將取代 GaAs在高功率、高頻率衛(wèi)星通信領(lǐng)域的應(yīng)用，同時(shí)在有線電視（CATV）和民用雷達(dá)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射頻器件襯底主要采用SiC襯底。Cree擁有最強(qiáng)的實(shí)力，在射頻應(yīng)用的 GaN HEMT、尤其是GaN-on-SiC技術(shù)方面，該公司處于領(lǐng)先地位，遠(yuǎn)遠(yuǎn)領(lǐng)先日系廠商住友電工和富士通。國內(nèi)主要的廠商是海威華芯、三安集成和華進(jìn)創(chuàng)威。

3.3 GaN在功率器件應(yīng)用

GaN功率器件通常采用HEMT（高遷移率晶體管）的設(shè)計(jì)，主要應(yīng)用于高頻場景。相較于Si、SiC，GaN晶體管的源極、柵極、漏極均在同一個(gè)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(zhì)結(jié)導(dǎo)致的二維電子氣顯著提高遷移率，因此 GaN晶體管切換速度很快。在中高頻驅(qū)動(dòng)逆變器的快速切換的場景中，如果采用傳統(tǒng)的MOSFET和IGBT會(huì)產(chǎn)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(shí)，也依舊會(huì)有電流通過，因此GaN HEMT也被稱為常開型元件。

高頻環(huán)境，GaN單位功率上優(yōu)于Si。當(dāng)功耗和尺寸評判Si和GaN時(shí)，尤其是功率器件處在高頻環(huán)境下，GaN器件擁有更小的體積和更低的功耗。根據(jù)英飛凌的數(shù)據(jù)，目前GaN器件在單位功率上已經(jīng)能夠達(dá)到Si器件的200%。更大的單位功率能夠節(jié)省出更多的空間給電池以及其他電子元器件。這項(xiàng)特性能夠給電動(dòng)汽車提供更長的續(xù)航時(shí)間，為服務(wù)器、基站提供更高的性能空間。

GaN主要適用于低壓、高頻領(lǐng)域，目前大部分產(chǎn)能都集中于0-250V和650V，商業(yè)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(dòng)GaN 功率器件在消費(fèi)電子領(lǐng)域應(yīng)用

根據(jù) Global Market Insights的數(shù)據(jù)，GaN與SiC功率器件市場在2025年將達(dá)到30億美元，年復(fù)合增速達(dá)到30%。半導(dǎo)體區(qū)別于其它材料的主要特性是帶隙能—將材料仍絕緣體變?yōu)閷?dǎo)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性能電壓，因此GaN將會(huì)成為Si的理想替代品。隨著這些設(shè)備在光伏逆變器、混合動(dòng)力和電動(dòng)汽車、 UPS和其他電力應(yīng)用領(lǐng)域的應(yīng)用，該市場已經(jīng)初步顯現(xiàn) 。
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