2021年全球氮化镓现状及趋势分析,IDM模式为主,渗透率持续提升「图」-不锈钢3D打印工厂

2021年全球氮化镓现状及趋势分析,IDM模式为主,渗透率持续提升「图」-不锈钢3D打印工厂插图

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一、氮化镓产业概述

1、产业地位

随着半导体化合物持续发展,相较第一代硅基半导体和第二代砷化镓等半导体,第三代半导体具有高击穿电场、高热导率、高电子迁移率、高工作温度等优点。以SiC和GaN为代表物质制作的器件具有更大的输出功率和更好的频率特性。

半导体基本材料发展历程

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资料来源:公开资料整理

2、分类状况

氮化镓根据衬底不同可分为硅基氮化镓和碳化硅基氮化镓:碳化硅基氮化镓射频器件具有高导热性能和大功率射频输出优势,适用于5G基站、卫星、雷达等领域;硅基氮化镓功率器件主要应用于电力电子器件领域。虽然基于GaN衬底的GaN器件,在各个性能指标都处于领先水平,但是衬底价格过高。所以硅基和碳化硅基的GaN器件将会率先商用。

氮化镓器件分类

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基于不同工艺类型GaN器件性能对比

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二、氮化镓技术背景

氮化镓制备主要分气相法及熔体法,其中气相法细分为氢化物气相外延法(HVPE)、气相传输法。熔体法细分为高压氮气溶液法(HNPSG)、助溶剂法/溶盐法、氨热法、提拉法。相较而言,HVPE法厚膜质量及生长速率更高,系主流生方式。HVPE原理:整个过程在一个多层次温区热壁反应系统的完成,在温度为850度温区内放入金属Ga,呈液态,后从热璧上层注入HCl气体,形成GaCl气体,后将CaCl气体传送至衬底,在1000-1100度温度下与氨气(NH3)反应,最终生成GaN晶体。

氮化镓制备方法对比

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二、氮化镓产业影响因素

1、产业下游应用

氮化镓器件所用衬底主要包括碳化硅衬底、硅衬底、蓝宝石衬底、氮化镓衬底。射频器件可更好的满足 5G 宏基站、卫星通信、微波雷达、航空航天等军事/民用领域对射频器件的高要求,硅基氮化镓功率器件可在大功率快充充电器、新能源车、数据中心等领域实现快速渗透,氮化镓光电器件在Mini LED、Micro LED、传统 LED 照明领域应用优势突出。

氮化镓的主要器件形式及下游应用

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2、氮化镓功率器件

硅基功率器件主要用于25V-6500V和相对低频的应用范围,典型应用场景包括工控、家电等;碳化硅功率器件的工作电压介于650V-3300V,主要应用于相对高频和高压的场景;氮化镓器件工作电压相对较低,介于80V-600V之间,但具有很好的高频性能,主要应用场景包括快充、高端服务器、5G通信等领域。随着消费级快充、新能源汽车、数据中心的需求发展,GaN功率器件市场规模有望从2020年的0.46亿美元增长至2026年的11亿美元(Yole数据),对应CAGR为70%。

各类功率器件的适用范围

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资料来源:英飞凌,华经产业研究院整理

3、氮化镓射频器件

2021年,全国移动通信基站总数达996万个,全年净增65万个。其中4G基站达590万个,5G基站为142.5万个,全年新建5G基站超过65万个。

受益于在5G通信基站和军事应用的持续渗透,GaN射频器件市场规模有望从2020年的8.91亿美元增长至2026年的24亿美元(Yole数据),对应CAGR为18%。

2018-2021年中国4G和5G基站建设情况

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资料来源:工信部,华经产业研究院整理

相关报告:华经产业研究院发布的《2022-2027年中国氮化镓(GaN)行业运行态势及未来发展趋势预测报告》;

四、氮化镓产业现状

1、市场规模

氮化镓作为第三代半导体材料的代表,由于具有高功率、高抗辐射、高效、高频的特点,可应用于5G网络、快速充电、商业无线基础设施、电力电子和卫星市场,前景广阔。2020年,全球氮化镓器件市场规模为184亿美元,同比增长28.7%。

2018-2020年全球氮化镓器件市场规模及增长率

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2、市场结

就氮化镓器件市场结构占比而言,光电器件整体成本和价格较高,成本约是射频器件和功率器件6倍和90倍左右,导致目前虽然整体氮化镓渗透率极低,但光电因价格较高占据主要市场份额,数据显示,2020年全球氮化镓器件中光电器件占比超6成,功率器件因价格较低仅占4.9%。

2020年全球氮化镓器件细分类型市场结构占比

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资料来源:公开资料整理

3、渗透率

氮化镓和碳化硅作为第三代半导体材料整体发展较晚,渗透率较低。数据显示氮化镓目前半导体材料渗透率仅在0.2%左右,可发展规模较大。目前氮化镓受限单晶炉产量较低影响,成本远高于硅基和碳化硅,但硅基和碳化硅基为衬底的氮化镓射频和功率器件成本相对光电器件较低,是目前渗透率提高的主流方向。

2017-2020年全球半导体材料渗透率

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五、氮化镓竞争格局

1、竞争格局

就氮化镓射频器件和功率器件竞争格局而言,技术护城河下目前全球市场集中度较高,射频器件相较功率器件技术要求更高导致射频器件集中度更高。数据显示,2020年全球氮化镓功率器件前5大厂商为PI、Navitas、EPC、Transphorm和英诺赛科,CR5为88%。2020年全球氮化镓射频器件前三大厂商为住友化学、Wolfspeed、Qorvo,市场份额分别为40%、24%和20%。

2020年全球氮化镓功率器件市场份额情况

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资料来源:Trendforce,华经产业研究院整理

2020年全球氮化镓射频器件市场份额情况

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六、氮化镓国产化发展趋势

1、IDM模式为主

目前氮化镓产业链行业龙头企业以IDM模式为主,但是设计与制造环节已经开始出现分工。从氮化镓产业链公司来看,国外公司在技术实力以及产能上保持较大的领先。中国企业仍处于起步阶段,虽已初步形成全产业链布局,但市场份额和技术水平仍相对落后。

2、国产化进程

国产企业英诺赛科已建立了全球首条产能最大的8英寸GaN-on-Si 晶圆量产线,目前产能达到每月1万片/月,并将逐渐扩大至7万片/月。大连芯冠科技在氮化镓功率领域,已实现6英寸650V硅基氮化镓外延片的量产,并发布了比肩世界先进水平的650伏硅基氮化镓功率器件产品;在氮化镓射频领域,已着手进行硅基氮化镓外延材料的开发、射频芯片的研发与产业化准备工作。

华经产业研究院对中国氮化镓行业发展现状、市场供需情况等进行了详细分析,对行业上下游产业链、企业竞争格局等进行了深入剖析,最大限度地降低企业投资风险与经营成本,提高企业竞争力;并运用多种数据分析技术,对行业发展趋势进行预测,以便企业能及时抢占市场先机;更多详细内容,请关注华经产业研究院出版的《2022-2027年中国氮化镓行业市场全景评估及发展战略规划报告》。

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