氮化鎵外延片行業情況
外延片指在單晶襯底上生長一層新單晶形成的產品，外延片決定器件約70%的性能，是半導體芯片的重要原材料。外延片作為半導體原材料，位于半導體產業鏈上游，是半導體制造產業的支撐性行業。外延片制造商在襯底材料上通過CVD（Chemical Vapor Deposition，化學氣相沉積）設備、MBE（Molecular Beam Epitaxy，分子束外延）設備等進行晶體外延生長、制成外延片。
外延片再通過光刻、薄膜沉積、刻蝕等制造環節制成晶圓。晶圓再被進一步切割成為裸芯片，裸芯片經過于基板固定、加裝保護外殼、導線連接芯片電路管腳與外部基板等封裝環節，以及電路測試、性能測試等測試環節最終制成芯片。上述芯片生產環節均需與芯片設計環節保持互動，以確保最終芯片滿足芯片設計需求。
目前，半導體材料已發展至第三代。第一代半導體材料主要是指硅（Si）、鍺（Ge）元素半導體，于國際信息產業技術中的各類分立器件和集成電路、電子信息網絡工程等領域得到了極為廣泛的應用。
第二代半導體材料是指化合物半導體材料，如砷化鎵（GaAs）、銻化銦（InSb）、磷化銦（InP），以及三元化合物半導體材料，如鋁砷化鎵（GaAsAl）、磷砷化鎵（GaAsP）等，主要應用于高速、高頻、大功率以及發光電子器件。第三代半導體材料主要為碳化硅（SiC）、氮化鎵（GaN）、氧化鋅（ZnO）、金剛石、氮化鋁（AlN），較前兩代半導體材料擁有更高禁帶寬度，更適合制作高溫、高頻、抗輻射及大功率器件。
目前，應用較為成熟的第三代半導體材料為氮化鎵和碳化硅，氧化鋅、金剛石等研究尚屬起步階段。此外，由于襯底材料制備、外延等技術仍然不夠成熟，應用第三代半導體材料的分立器件產品處于規模商用初期階段，集成電路產品處于探索期階段。
氮化鎵作為第三代半導體材料，具有遠優于第一、二代半導體的禁帶寬度、導通電阻、熱導率。氮化鎵的禁帶寬度是硅的3倍、亦高于碳化硅；擊穿電場為硅的10倍、較硅可耐受更高電壓；因此，同樣額定電壓的氮化鎵開關功率器件的導通電阻幾乎比硅器件低3個數量級，大大降低了開關的導通損耗；同時，氮化鎵是少見的同時具備高電子遷移率（1,250 cm2/Vs）和高飽和電子漂流率（2.2*107cm/s）的材料，意味著其所能承載的電流密度更高，因此能夠在同尺寸的晶體管中產生更高的射頻頻率；氮化鎵的熱導率為砷化鎵的4倍左右，且具備高熱穩定性等優勢。
市場規模
基于氮化鎵的性能，氮化鎵外延片主要適用于高功率、高頻率、中低電壓下的應用場合，具體體現在：1）高禁帶寬度：高禁帶寬度使得氮化鎵器件耐壓水平提高，可以輸出比砷化鎵器件更高功率，特別適合5G通訊基站、軍用雷達等領域；2）高轉換效率：氮化鎵開關電力電子器件的導通電阻比硅器件低3個數量級，能明顯降低開關導通損耗；3）高熱導率：氮化鎵的高熱導率使其具備優良散熱性能，適合用于大功率、高溫度等領域器件的生產；4）擊穿電場強度：雖然氮化鎵的擊穿電場強度與氮化硅接近，但受半導體工藝、材料晶格失配等因素影響，氮化鎵器件的電壓耐受能力通常在1000V左右，安全使用電壓通常在650V 以下。
氮化鎵外延片按照襯底材料的不同主要分為四種，具體為：1）硅基氮化鎵（GaN-on-Si）：由于硅是最成熟和成本最低的襯底材料，且硅的生長速度很快，因此在硅基上外延氮化鎵可以有效降低成本，同時可制作大尺寸外延片；2）碳化硅基氮化鎵（GaN-on-SiC）：由于碳化硅具有優異的導熱性，與氮化鎵的高功率密度和低損耗相結合，該類外延片是射頻器件的合適材料，但受限于碳化硅的襯底的生長難度，目前碳化硅基氮化鎵外延片的尺寸仍然限制在4寸與6寸，尚未推廣8寸與12寸；3）藍寶石基氮化鎵（GaN-on-sapphire）：該類外延片主要應用在LED市場，主流尺寸為4寸；4）氮化鎵基氮化鎵（GaN-on-GaN）：該類外延片生產過程中采用同種類的氮化鎵，主要應用于藍/綠光激光器。
氮化鎵外延片通常用于射頻、電力電子、光電子三大領域。具體而言，射頻方向包含了5G 通信、雷達預警、衛星通訊等應用；電力電子方向包括了智能電網、高速軌道交通、新能源汽車、消費電子等應用；光電子方向包括LED、激光器、光電探測器等應用。
1）射頻器件
射頻器件整體市場規模仍保持高速增長。據Yole預測，2025年全球射頻器件市場將超過250億美元，其中射頻功率放大器市場規模將從2018年的60億美元增長到2025年的104億美元；根據前瞻產業研究院數據，2018年我國射頻器件市場規模約為300億元，增速超過10%。
氮化鎵射頻器件市場主要涉及無線基礎設施和軍事應用，預計未來氮化鎵射頻器件在射頻器件中的滲透率將持續提高。根據Yole數據，在5G推出的推動下，預計全球氮化鎵射頻器件的市場規模在2024年有望增長至20億美元，2018-2024E的復合增長率為21%，其中通信設備和軍工應用占比最大，合計超過85%。
應用市場
2）電力電子器件
電力電子半導體器件市場規模增速放緩。根據HIS數據，2018年全球電力電子半導體器件市場規模為391億美元，預計至2021年市場規模將增至441億美元，年化增速為4.1%；根據HIS數據，2018年中國電力電子半導體器件市場規模為138億美元，同比增長9.5%，預計2021年中國電力電子半導體器件市場規模將達159億美元，增速達4.8%。
在電力電氣半導體器件中，氮化鎵電力電子器件的滲透率在持續擴大。根據IHS數據，氮化鎵電力電子器件市場復合增長率達30%，2024年預計全球市場規模將達到6億美元。其中，氮化鎵電源市場（含消費電子快充、電動汽車充電等）成為主要增長極，根據Yole數據，其市場規模在2024年將增至3.5億美元，2018-2024E復合增長率為85%。
在消費電子快充市場，氮化鎵充電器擁有體積小、重量輕、轉換效率高、發熱低、安全性強等優勢。2019年，全球推出氮化鎵PD快充充電器的廠商數量爆發增長，如OPPO、小米在新產品中均開始采用。從生產端看，氮化鎵電力電子半導體器件主要使用6英寸及以下晶圓生產，目前瓶頸主要在成本、供應鏈穩定性方面。據Gartner數據，全球智能設備年均新增出貨量超20 億臺，隨氮化鎵外延片的滲透提速，未來幾年快充市場將成為氮化鎵電力電子器件市場最大的推動力。
3）光電子器件[JZ(1]
氮化鎵光電子器件市場主要涉及Micro LED、Mini LED、深紫外LED等產品的LED芯片。根據LEDinside分析，全球LED照明市場整體規模2018-2023年的CAGR預計為6%，預計隨著上述LED產品的發展，相關氮化鎵技術將得到更加廣泛的應用。
氮化鎵外延片具備出色的擊穿能力、更高的電子密度及速度，因此氮化鎵是藍色和綠色LED光電子器件的最佳選擇。根據LEDinside預測，2022年全球Micro LED/Mini LED市場規模將達到13.8億美元；據Trendforce預計，2024年全球Micro LED/Mini LED市場規模將達到42億美元，處于高速發展期間，氮化鎵光電子器件的潛在應用空間廣闊。
此外，氮化鎵因其材料的高頻特性是制備紫外光器件的良好材料，基于氮化鎵半導體的深紫外LED光源體積小、效率高、壽命長，是紫外消毒光源的主流發展方向。根據LEDinside發布的《2019深紫外線LED應用市場報告》，2018 年全球深紫外LED市場規模達2.99億美金，預計2023 年市場規模將達9.91億美金，2018-2023年CAGR達27%
很榮幸我們選擇了第三代半導體氮化鎵，氮化鎵基發光芯片(LED)是目前應用最為廣泛的發光照明芯片，我們所從事的是給人類帶來光的行業，光明而榮耀。遼寧百思特達半導體科技有限公司將以認真、執著、科學的態度，為大家帶來更亮麗、節能、現代化的“芯”世界!
來源：上海兄弟微電子科技有限公司
