氮化镓(GaN)具有耐高温、导热强、稳定性强等特性，已成为当前众多领域炙手可热的明星材料。
氮化镓迎来快速发展，但渗透率的提高仍需解决效率及成本问题
按照应用市场的不同，氮化镓器件又可以以分为光电氮化镓器件、射频氮化镓器件和功率氮化镓器件三大类。其中，光电氮化镓器件的占比达到65%，市场应用程度最高；其次是射频氮化镓器件，市场占比约为29%;而功率氮化镓器件的市场规模则占比最小，仅为5%左右。 具体来看，在光电领域，氮化镓相较于传统的硅材料具有更高的电子迁移率、更宽的能隙、更好的热导率和更高的韧性，目前已经在LED照明、LED显示、消菌杀毒、激光显示等市场大规模应用；在射频领域，相较于硅组件，氮化镓可以在尺寸和能耗减半的条件下输送同等功率，从而提升功率密度，目前也已经在军用雷达、卫星通讯、移终端动、通信基站等方面广泛应用。根据Yole的数据，预计到2028年射频氮化镓器件市场价值将达到27亿美元。 而在功率器件领域，氮化镓低损耗与高频率的材料特性使其在电力电子市场具备应用优势。目前，除了消费电子充电器、电源适配器等低功率市场外，氮化镓也朝着中大功率储能、数据中心、通讯基站以及汽车等中大功率市场加速渗透，预计未来6年将保持49%的年复合增长率，到2028年市场规模将达到20.4亿美元。 竞争格局方面，在光电氮化镓市场，目前主要玩家有三安光电、士兰明稼、乾照光电、聚灿光电等，其中三安光电是国内规模最大的 LED 外延片及芯片企业，产品性能指标居国际先进水平；在射频氮化镓领域，SEDI（住友电工）、Qorvo和Wolfspeed排名行业前三，在全球市占率合计超过80%。从中国市场来看，受中美贸易摩擦的影响，华为和中兴等通信大厂加大了对中国本土供应链的采购，这带动了国内射频氮化镓的快速发展，目前市场上也已经涌现出了三安光电、中电科 13 所、中电科 55 所、苏州能讯、海威华芯等一批核心的优秀企业；而在功率氮化镓市场，由于行业的快速发展，除了PI、纳微半导体、英诺赛科、EPC、GaN Systems、Transphorm等头部玩家外，目前市场上也涌现出了镓未来、氮矽科技、致能科技等一批快速发展的新兴厂商。 资料来源：头豹研究院 誉鸿锦品牌战略官张雷表示：氮化镓具有禁带宽度大、击穿电压高、热导率大、开关频率高、电子迁移率高以及电子饱和速度快等优势，可以广泛应用在光电、射频、电力电子等领域，尤其在半导体制造遭遇摩尔定律限制的时候，新兴的以氮化镓为代表的第三代化合物半导体以其优异的器件特性成为了半导体产业新的技术突破方向。而在国家‘双碳’政策的支持下，近年来氮化镓在功率电子领域也开始从消费电子电源不断向数据中心、光伏/储能、新能源汽车等附加值领域加速渗透，未来这些市场有望成为GaN产品规模扩张的主要动力。 值得注意的是，虽然目前氮化镓发展很快，但行业的发展遇到了两大问题：一是虽然其材料性能优异，但渗透率相对硅而言相对较低；二是虽然GaN单片晶圆产出芯片数量约是硅器件的2.4倍，但价格却太高限制了其应用。 资料来源：2022氮化镓产业调研白皮书 截至目前，包括碳化硅、氮化镓等第三代半导体在整个功率器件行业的渗透率与硅相比还有巨大的差距，其中氮化镓的渗透率甚至连1%都还不到。很多人可能会认为氮化镓渗透率低是由其器件规模生产不足导致成本均摊困难所引起的。那我们的看法和市场上的不太一样，因为从材料成本来说，氮化镓器件并不会比硅基器件昂贵，而且规模是氮化镓渗透率的结果而并非原因。我们认为本质问题出现在产业效率上，只有把系统效率提升，才能用更低的成本推动氮化镓器件的大规模应用。 张雷说。 中试线产能达1.5万片/月，刚出道产能就剑指行业第一 那如何提效降本，进而推动氮化镓在各行各业的普及呢？ 在这个问题上，誉鸿锦通过回归产业价值的本质，提出“产业价值=能效提升-替换成本>0”的解题思路，认为高性能是推动应用创新的动力，而低成本则是推动应用普及的基础。 张雷指出：产业价值等于能效提升减去替换成本。这里面有两个关键因素，第一个就是要支持做出高性能的器件，来明显提升我们应用的核心驱动力。只有把氮化镓整个产业链的效率做的和硅接近甚至超过硅基器件产业链的效率，我们才有可能让氮化镓在行业里面大规模的去普及；第二个就是要降低替换成本，当旧的技术路线要替换到新的技术路线，有一系列的产线、设备、人员需要重新配置，这也是牵涉到大量的时间和机会成本。因此，只有当能效提高的价值大于它替换成本的时候，产业链厂家才有替换的动力。 高性能和低成本是推动产业快速发展的两条腿。这两个问题解决后，如何来提升氮化镓的品质及效益呢? 从行业的解决方案来看，为了充分发掘技术潜力、提升产品品质、以及推动成本下降，氮化镓主要企业都采用了IDM的发展模式。目前，中国氮化镓代表企业每月产能在2000-15000片不等。其中，氮化镓光电龙头三安光电的硅基氮化镓产能约为2,000片/月，扩产后将翻倍达到4000片/月。氮化镓功率器件龙头英诺赛科目前的8英寸产能为15000片/月，扩充后预计到2025年公司珠海和苏州两大基地的产能将由现在的15000片/月提升到70000片/月。 产业效率革命=高良率x IDM整合 x高研发效率 x设备降本 x 快速应用验证。只有从第一性原理出发，通过全流程IDM集成的方式，减少研发、外延生长、流片、制造、封测过程中的时间成本和经济成本的损耗，才能最终实现匹敌于硅器件的产业链效益。 张雷说道，作为一家走IDM模式的氮化镓公司，誉鸿锦在短短1.5年的时间内，完成了从设备、外延、设计、制造、封装测试的自主全流程IDM工厂搭建，研发周期和建线成本较行业减少2/3，从外延到器件制造只需要7天周期。同时，目前公司中试线已的产能已经达到1.5万片/月，并且良率高达85%，在业内可谓是创下了一系列难以复制的发展速度。 而在产品方面，作为一家成立仅不到3年的初创公司，誉鸿锦目前已经向市场推出了100/150V、650V、900V、1200V全功率段的氮化镓MOSFET器件，在性能上可以对标甚至超越纳微、PI等头部大厂的产品，能应用于射频、光电、电机驱动及储能逆逆变器等多个电力电子领域。 资料来源:誉鸿锦 张雷指出：誉鸿锦是业内少有的具备氮化镓光电、氮化镓射频以及氮化镓功率器件三大产品线研发及量产能力的公司。我们不仅已经在100V/150V的低压MOSFET产品上实现了量产，而且在中压主流的650V/900V的氮化镓MOSFET产品上，我们也已经实现了批量出货。现在，我们也在抓紧布局中高压的产品线，预计1200V的氮化镓MOSFET在今年第四季度就可以送样，而1700V的氮化镓器件也会在明年年初即将会推出。 值得一提的是，除了GaN MOSFET外，近日誉鸿锦也率先在业内发布了电压为50V/100V的D100C03、D100C05、D050C30 3款氮化镓SBD器件产品。和传统SBD的结构产品相比，誉鸿锦的产品由于采用全垂直结构的设计，具有开启电压低、损耗小、导通电阻率小、成本低、温漂小、高温稳定性好等优势。 誉鸿锦全垂直结构GaN功率二极管VS传统二极管比较情况 资料来源：誉鸿锦 与国际头部友商相比，誉鸿锦的氮化镓器件成本可以做到其价格的几分之一，并且在性能上完全不输给他们。因此，虽然公司的知名度没有业内头部厂商高，但我们的产品一上市后也取得了不错的反响。凭借较好的口碑，目前公司的SBD、MOSFET、HEMT等产品已经积累了上百个成功案例，主要客户包含浪潮、科大讯飞、星网锐捷、英业达、台达、孚能科技、大族机器人等。 张雷介绍道。 展望未来，张雷表示：誉鸿锦半导体的初心是用化合物半导体改变每个人的生活。因此，我们也在加紧产能的扩产，预期二期线建成投产后，产能将会从现在的1.5万片/月上升到25万片/月，届时公司可能成为全球最大的氮化镓IDM厂商。此外，为进一步推进GaN产业链协同发展，誉鸿锦未来将以Super IDM产业集群为发展目标（即Super IDM产业集群 = 上游设备材料+IDM+终端技术应用+零售服务的生态链体系），基于该产业集群的深度耦合，以实现上游设备自主可控/成本下降，中游IDM环节极致效率，以及下游应用终端快速导入和批量验证，最终推动氮化镓快速普及产业目标的实现。
