半导体周报1203-半导体材料之氮化镓（二）
半导体周报-1203
一、行业新闻及动态：
1、半导体设计：
《科创板日报》20日讯，SK海力士已开始招聘逻辑芯片（如CPU、GPU）设计人员，计划将HBM4通过3D堆叠直接集成在芯片上。SK海力士正与英伟达等多家半导体公司讨论这一新集成方式。英伟达与SK海力士或将共同设计芯片，并委托台积电生产。目前，HBM主要是放置CPU/GPU的中介层上，并使用1024bit接口连接到逻辑芯片。SK海力士目标是将HBM4直接堆叠在逻辑芯片上，完全消除中介层。
2、半导体制造及封测：
《科创板日报》21日讯，三星电子半导体代工业务部门三星晶圆代工（Samsung Foundry）日前定下目标，计划将高性能计算（HPC）芯片订单的代工销售额占比从2023年的19%提高到2028年的32%，将汽车芯片订单的代工销售额占比从同期的11%提高到14%；同时，其计划将移动芯片代工销售额从今年预计的54%降低到30%左右。
《科创板日报》21日讯，英特尔明年将推出Lunar Lake，或将委托台积电量产，打破过往英特尔CPU芯片从来没有委外生产的传统。台积电明年将会手握英特尔Lunar Lake的CPU、GPU及高速IO芯片订单，并会采用台积电N3B制程量产，预计将会在明年上半年开始投片量产。
3、其他：
《科创板日报》21日讯，三星计划扩建其位于美国得克萨斯州泰勒市的芯片工厂。这家韩国公司最近与一家无晶圆厂半导体芯片公司签订了一项提供先进人工智能处理芯片的合同，而这次芯片工厂的扩建可能就是这份合同带来的结果，该公司希望扩大其芯片生产能力。
《科创板日报》20日讯，美国半导体行业协会（SIA）发布的数据显示，9月全球半导体销售额环比增长1.9％，达到448.9亿美元。连续7个月实现环比增长。虽然同比下滑4.5％，但降幅逐月收窄。
《科创板日报》24日讯，日本欧姆龙（Omron）开发出了半导体的X射线检测设备的新产品。可应对像积木一样组合芯片的“芯粒（Chiplet）”以及将芯片垂直方向堆叠的叠层化，约30秒即可完成目前需数十分钟的检测。
《科创板日报》22日讯，据研究机构Omdia数据，在人工智能的带动下，全球半导体行业总产值在2023年第三季度环比增长8.4%，接近1390亿美元，同比减少4.7%。此前连续5个季度下滑后，近两个季度已经实现连续增长。英特尔凭借133亿美元的收入稳居Q3全球半导体公司榜首，环比增长8.6%，同比减少10.3%；英伟达凭借AI芯片的抢手，收入超过119亿美元，环比增长18.2%，同比大增157.8%；三星电子位居第三，收入超过了107亿美元，环比增长8.8%，同比减少26.4%。
二、本周话题——半导体材料之氮化镓
氮化镓是一种无机物，其化学式为GaN，是氮和镓的化合物，属于第三代半导体材料，通常情况下为白色或微黄色的固体粉末，具有结构稳定、熔点高、耐高压、坚硬等特点，适用于极端环境。
氮化镓有三种晶体结构，分别为纤锌矿、闪锌矿和岩盐矿结构。其中六方纤锌矿结构是稳态结构，立方闪锌矿是亚稳态结构，立方岩盐矿只有在极端高压的情况下才会出现。室温下，氮化镓的化学性质很稳定，耐酸碱，耐腐蚀，不溶于水，不与浓的无机酸反应，稍与稀酸作用，在热碱溶液中以非常缓慢的速度溶解。氮化镓具有高稳定性，在空气中加热到800℃开始氧化，1,050℃开始分解。氮化镓基材料的禁带宽度可通过固溶体的制备，从氮化铟中的0.6电子伏（eV）到氮化镓中的3.4电子伏（eV）再到氮化铝中的6.2电子伏（eV）之间连续变化，其发光波段覆盖了从近红外到可见光区（红、黄、蓝、绿）再到深紫外区。氮化镓也是一种理想的发光器件材料，发光效率高。主要应用在氮化镓基发光二极管（LEDs）、激光二极管（LDs）和紫外光探测器等。
氮化镓作为第三代半导体材料的代表，是一种重要的直接宽带隙半导体材料，它具有优良的物理化学性质，是当前世界上最为先进的半导体材料之一。氮化镓不仅广泛地应用于蓝绿光发光二极管、激光器、紫外波段的探测器以及高温、大功率集成电路等器件，还可作为环保新材料应用于环境保护。
第三代半导体因为具有更宽的禁带宽度、更高的击穿电场、更高的热导率、更高的电子饱和速率及更优的抗辐照能力，更适合制作高温、高频、大功率及抗辐照器件，可广泛应用在高压、高频、高温以及高可靠性等领域，包括射频通信、雷达、卫星、电源管理、汽车电子、工业电力电子等。
半导体材料发展路径
资料来源：浙商证券研究所
GaN、SiC 与 Si 性能对比雷达图
资料来源：浙商证券研究所
行业特征：
1、技术要求高：氮化镓制备的形貌和结构复杂，对于其制备技术也有较高要求。氮化镓材料的商业应用研究开始的比较早，但是生长技术和器件制造工艺的研究起步却比较晚。由于材料生长技术和工艺的影响，制备高质量的氮化镓单晶材料很困难。早期制备的氮化镓半导体纳米结构主要是简单的量子点、薄膜和纳米线等。而近几年随着技术的发展，市场研发人员研究出“一步法”制备法，通过这种更高的制备技术，得到了形貌或是结构更加复杂的氮化镓纳米材料，这类材料在量子器件方面有着更优越的性能。
2、行业处于初期发展阶段：氮化镓行业处在初期发展阶段，国内企业技术水平相对落后。目前中国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还未明确分工，所以氮化镓产能仍较低。从全球氮化镓产业链中公司来看，国外公司在技术实力以及产能上保持较大的领先，而中国企业仍处于起步阶段，市场份额和技术水平仍相对落后，国产化程度较低。全球氮化镓主要创新主体的龙头主要集中于日本，氮化镓产业国外重点企业包括日本住友、松下、东芝、三菱等，其中日本住友是全球氮化镓射频器件主要供应商，同时也是华为GaN射频器件主要供应商之一。日本住友聚焦于衬底和器件方面的研究，尤其侧重外延工艺和芯片工艺突破，对比国外企业，中国氮化镓行业专利技术较为落后。
3、下游应用广泛：氮化镓在下游产业链中应用广泛，发展前景较大。
氮化镓作为第三代半导体材料，其下游产业链的应用较为广泛，其发展前景较大。氮化镓目前有三大应用领域，第一是光电子领域，当中包括较低端的LED以及高端激光应用，2022年中国光电子领域氮化镓市场规模达到271.9亿元；第二是射频领域，主要应用于5G基站中的射频放大器，中国移动、中国电信等通讯行业正在投入氮化镓技术的应用，2022年中国射频领域氮化镓市场规模达到97.5亿元；第三则是在电力电子即功率器件方面的应用，最为大众熟知的是以手机为代表的消费类电子应用，其中在手机领域，氮化镓技术主要应用于快充和射频领域，2022年中国电力电子领域氮化镓市场规模达到30.5亿元。
产业链及制备工艺
GaN 产业范畴大致包括：GaN 单晶衬底（以 SiC、Si、蓝宝石为衬底）、GaN 材料外延、器件设计以及器件制造。国内氮化镓企业以 IDM 模式为主，充分挖掘行业技术潜力，且有条件率先实验并推行新技术。随着行业规模不断拓展，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已经开始提供 GaN 制程的代工服务。
GaN 产业链概览
资料来源：智慧芽，浙商证券研究所
氮化镓产业链上游原材料包括氮化镓衬底及氮化镓外延片，代表性衬底供应商有天科合达半导体,中镓半导体,纳维科技,芯元基半导体科技等；代表性外延片供应商包含中国电科,英诺赛科,晶湛半导体等。中游为氮化镓器件制造商，经营模式分为设计制造一体、设计和代工厂,其中设计制造一体代表性参与方有士兰微电子,华润微电子,三光安电,镓未来等;设计类代表性参与方有中兴微电子,海思半导体;代工厂有方正微电子,三安光电,台积电等。下游应用领域较为广泛，具体可分为光电子领域、射频电子领域、电力电子领域三大方向。光电子领域包括消菌杀毒、激光显示、LED照明、LED显示，代表企业为三安光电等；射频电子领域包括卫星通讯、移动终端、国防军工、无线通信基站，代表企业为英诺赛科、华润微电子旗下的大连芯冠等；电力电子领域具体应用有智能电网、工业电机、新能源汽车、电源转换系统，代表企业为英诺赛科、苏州能讯等。
中国氮化镓产业链已经初步形成，整体产业结构相对集中在中游，国产企业逐步切入氮化镓行业，主要代表企业分布在江苏地区。氮化镓衬底方面主要采用碳化硅衬底，进口依赖严重，国产化程度较低，中国厂商全球市占率仅约10%，外延片方面主要采用金属有机气相化学沉积的生长方法。在蓝宝石、硅、碳化硅、氮化镓自支撑衬底这四种氮化镓衬底材料中碳化硅衬底与氮化镓器件匹配度高，性能好，且成本相对较低，因此受到广泛应用。目前中国氮化镓中游代表企业每月氮化镓产能在2,000片至10,000片不等，整体产能较低，但呈逐渐扩大趋势，多条产线逐渐投产，未来产能将不断扩大。目前氮化镓在半导体市场中渗透率较低，但是随着中国半导体市场规模逐年上涨，氮化镓应用场景将不断丰富且发展空间也将持续拓展。
制备工艺：
氮化镓产业链上游主要包括衬底与外延片的制备。在 GaN 器件中，衬底的选择对于器件性能起关键作用，衬底也占据了大部分成本，因而衬底是 GaN 器件降低成本的突破口。由于 GaN 单晶衬底生长尺寸受限，通常在异质衬底（蓝宝石、SiC 和 Si）上生长外延片。
衬底材料与晶体管材料搭配适用场景
资料来源：氮化镓科技汇，浙商证券研究所
目前 GaN 器件主要采用蓝宝石、SiC、Si 等衬底，但外延层 GaN 和异质衬底之间存在晶格失配和热失配问题，效率降低，研究者们正着力突破 GaN 单晶衬底的制备技术。
氮化镓外延使用不同衬底对比
资料来源：赛迪智库，上海有色网，浙商证券研究所
氮化镓衬底晶体制备技术：目前 GaN 单晶衬底以 2-4 英寸为主，4 英寸已实现商用，6 英寸样本正开发。GaN 体单晶衬底的主要方法有氢化物气相外延法（HVPE）、氨热法，以及助熔剂法。
GaN 晶体生长方法对比
资料来源：《氮化镓单晶生长研究进展》任国强，浙商证券研究所
HVPE 方法生长速率快、易得到大尺寸晶体，是目前商业上提供氮化镓单晶衬底的主要方法；其缺点是成本高、晶体位错密度高、曲率半径小以及会造成环境污染。氨热法生长技术结晶质量高，可以在多个籽晶上生长，易规模化生产，可以显著降低成本；缺点是生长压力较高，生长速率低。助熔剂法生长条件相对温和，对生长装备要求低，可以生长出大尺寸的氮化镓单晶；其缺点是易于自发成核形成多晶，难以生长出较厚的氮化镓晶体。
HVPE 装置示意图
资料来源：《氮化镓单晶生长研究进展》任国强，浙商证券研究所
氮化镓外延制备：由于 GaN 的熔点很高，且饱和蒸汽压较高，在自然界中无法以单晶形式存在，必须采用外延法进行制备。MOCVD（金属有机物气相沉积法），MBE（分子束外延法），HVPE （氢化物气相外延法）等是比较传统的 GaN 薄膜制备方法。
MOCVD 工艺以三甲基镓作为镓源，氨气作为氮源，以蓝宝石(Al2O3)作为衬底，并用氢气和氮气的混合气体作为载气，将反应物载入反应腔内，加热到一定温度下使其发生反应，在衬底表面上吸附、成核、生长，最终形成一层 GaN 单晶薄膜。采用MOCVD 法制备的产量大，生长周期短，适合用于大批量生产。
MBE 法制备 GaN 与 MOCVD 法类似，主要区别在于镓源的不同。MBE 法的镓源通常采用 Ga 的分子束，NH3 作为氮源。用该方法可以在较低的温度下实现 GaN 的生长，一般为 700 ℃左右。但外延层较厚的膜反应时间较长，在生产中发挥的效率欠佳，因此该方法尚不能用于大规模生产。
HVPE 法与上述两种方法的区别也在于镓源，通常以镓的氯化物 GaCl3 为镓源，NH3为氮源，在衬底上以 1000 ℃左右的温度生长出 GaN 晶体。此方法生成的 GaN 晶体质量较好，高温下生长速度快，但高温反应对设备、成本与技术要求都比较高。
产业链中游说明
产业链中游为氮化镓器件制造商，主要制造的产品为氮化镓外延片。氮化镓外延片是指氮化镓衬底上生长了一层与衬底晶相同的单晶薄膜的氮化镓片，几乎所有氮化镓功率器件的制备都是基于高质量的氮化镓外延片，所以外延层的制作是宽禁带半导体产业重要的一环。氮化镓中游厂商的主要经营模式分为设计制造一体（IDM模式）、设计（Fabless模式）和代工厂（Foundry模式）。由于氮化镓芯片性能与材料、结构设计和制造工艺之间的关联性较强，因此IDM模式占比最大，为80%。国外企业占据氮化镓外延片的大部分市场份额，IDM企业的行业龙头为日本的住友电工和美国的Cree，两家企业的全球市场占有率均超30%；Fabless模式的企业资产较轻，初始投资规模小，创业难度相对较小,企业运行费用较低；Foundry模式的企业无需承担由于市场调研不准、产品设计缺陷等因素带来的决策风险。目前中国氮化镓代表企业每月氮化镓产能在2,000片至10,000片不等，整体产能较低，但呈逐渐扩大趋势，多条产线逐渐投产，未来产能将不断扩大。
下游应用领域：
氮化镓器件是支撑“新基建”建设的关键核心部件。氮化镓是目前能同时实现高频、高效、大功率的代表性器件，在 5G 基站、新能源充电桩等新基建代表中均有所应用。氮化镓器件可实现高效电能转换，有助于“双碳”目标实现。第三代半导体可助力实现光伏、风电、特高压输电、新能源汽车等诸多领域的高效电能转换，推动绿色低碳发展。
1、电子电力领域：氮化镓高低损耗与高频率的材料特性使其在电力电子领域具备应用优势，尤其是在消费电子充电器、电源适配器等领域具有相当的渗透潜力。低导通损耗：GaN 的禁带宽度是 Si 的 3 倍，击穿电场是 Si 的 10 倍。同等额定电压下GaN 开关功率器件的导通电阻比 Si 器件低 3 个数量级，极大降低了开关的导通损耗；高开关频率：GaN 器件可在 PFC 中实现超过 150kHz 的开关频率，在直流电源转换器中实现超过 1MHz 的开关频率，显著缩小磁性器件的尺寸，更低成本实现更高功率密度。
2、射频电子领域：氮化镓射频器件主要应用于军用雷达、卫星通讯、5G 基站等方面，由于涉及国家安全，海外企业对高性能氮化镓器件实行对华禁运。在国产替代的迫切要求下，相关氮化镓射频器件企业已逐步打破国外垄断，取得技术进步。以 5G 通信为例，虽然消费者可以通过 5G 获得更高的带宽、更低的延迟和更先进的服务，但是这也将意味着服务价格会有所提高，而对电信和网络运营商而言，设备和运营成本几乎会是指数上升，主要原因就是 5G 比 4G 需要更多的电力消耗、更多基站布局以及更大的边缘网络容量。
5G 生态系统中的开关电源(SMPS)
资料来源：物联网世界，Technology World，浙商证券研究所
解决上述难题的唯一方法是提高功率转换级的效率，GaN 体系可处理更高频率与更高效能的电源。相较于硅组件，GaN 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，帮助下游应用场景极大降低空间需求。GaN 的功率密度优势可充分满足运营商在部署 5G 网络时对设备功率与频率的要求。5G 网络基础设施的要求与 GaN 的技术优势几乎完美匹配。
3、光电子领域：相较于传统的硅材料，氮化镓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。这些特性使得氮化镓在光电子领域具有重要的应用优势。氮化镓材料可以用于制备高性能的 LED（发光二极管）和 LD（激光二极管）器件。LED 具有高亮度、低功耗、长寿命和环保等优点，被广泛应用于室内和室外照明、汽车车灯、显示屏、信号灯等领域。而 LD 则可以用于通信、医疗、工业加工等领域，具有较高的能量转换效率、较小的尺寸和较快的开关速度等特点。其次，氮化镓材料还可以用于制备高性能的光电子器件，如光电探测器、太阳能电池和光通信器件等。
行业现状及竞争格局
据 CASA 数据，2021 年我国第三代半导体 SiC、GaN 电力电子和 GaN 微波射频市场规模达到 144.4 亿元，较 2020 年增长 28%。下游领域新能源汽车、5G 基站建设、PV 光伏和 PD 快充市场的爆发带动了第三代半导体器件不断渗透。另一方面，随着国内企业在近年来在新能源汽车、PD 快充领域的突破，未来几年国内企业有望进一步挤压原本被国际大厂独占的国内市场。
2017 年-2021 年国内 GaN 功率器件与射频器件市场规模从 9.2 亿元/12.1 亿元增长至17.6 亿元/73.3 亿元，CAGR 分别为 17.6%和 56.9%。据 CASA Research 统计，2021 年国内 SiC、GaN 功率半导体市场规模约为 71.1 亿元，而第三代半导体在电力电子领域渗透率超过 2.3%。
国内 GaN 功率、射频器件市场规模及预测/亿元
资料来源：CASA，浙商证券研究所
竞争格局
全球氮化镓主要创新主体的龙头集中于日本、美国。氮化镓产业国外重点企业包括日本住友、美国 Cree、德国英飞凌、韩国 LG、三星等，中国企业代表有，晶元光电、三安光电、台积电、华灿光电等，目前中国企业和国外企业相比，技术储备、生产能力等方面仍有巨大差距。
GaN 产业链企业图谱
资料来源：各公司官网，浙商证券研究所
中国氮化镓行业目前尚处起步阶段，尚未形成稳定的竞争格局，由于氮化镓技术尚未发展成熟，市场竞争总体呈现分散状态。行业主要玩家可分三类：一类是以生产氮化镓芯片为主营业务的技术创新型企业，例如华润微电子、英诺赛科、三安光电等；一类是氮化镓技术领军企业，早期布局氮化镓，企业生产规模较大，已经实现氮化镓的量产，代表企业有英诺赛科、中镓半导体、苏州晶湛等；还有一类企业目前无明显竞争优势，在提高产量以及提升研发能力发面发展空间较大，例如聚能晶源、江苏能华、苏州能讯等。
2022年中国氮化镓厂商中，英诺赛科可生产8英寸氮化镓，氮化镓产能达到10,000片/月，综合实力较为突出。苏州晶湛作为氮化镓行业中知名企业之一，已在2021年发布12英寸硅基电力电子氮化镓外延片，在氮化镓技术方面有较为明显优势，赢得了业内广泛关注。海威华芯作为具有代表性的氮化镓代工企业之一，目前可生产6英寸氮化镓，产能为8,000片/月，在生产制造方面颇具竞争力。华润微电子、苏州能讯、三安光电在氮化镓产能方面能力相对较弱，但三安光电研发能力强，华润微电子生产出的氮化镓尺寸较大，性能较强，苏州能讯各方面发展较为均衡但氮化镓尺寸相对较小，仅为4英寸。
中国氮化镓行业虽然目前集中度较为分散，但已经呈现出竞争格局日益激烈的趋势。氮化镓作为第三代半导体材料，其性能与结构设计、制造工艺之间关联性强，因此中国氮化镓行业形成了中游企业不断向上游拓展，或上游企业向中、下游延伸的趋势，各企业氮化镓产业链不断完善，力图完成从衬底到外延到功率器件、射频器件、光电器件的全覆盖。目前三安光电、英诺赛科已实现了氮化镓产业链的全覆盖，其余厂家例如苏州能讯、华润微电子也开始向上游拓展。中国氮化镓行业相关企业主要集中于东部及东南沿海地区，由于氮化镓行业属于高新技术产业，有研发投入高、技术先进特点，所以相关企业多布局于经济较发达省份，其中江苏省氮化镓行业发展相对较好，例如英诺赛科、晶湛半导体、苏州能华等企业均分布在该省，这些企业拥有从衬底、外延到功率器件、射频器件的全产业链布局。与此同时，江苏是中国经济强省，政府对科技企业发展重视，财政扶持力度大，能够吸引较多氮化镓企业聚集，并形成规模效应，因此江苏地区氮化镓产业的发展在中国各省份中最为突出。未来，其他省份也将跟随江苏省氮化镓技术的发展脚步，进行全产业链布局。
增长点：
1、5G 通信基站驱动射频器件业务持续扩张：无线通讯基础设施是氮化镓射频器件的主要应用领域，占比达到 50%，据 CASA Research 统计，2021 年 GaN 射频市场规模为 73.3 亿元，较上年增长 11%。氮化镓材料的优异性能使得其射频器件在 5G 基站应用中更为合适。5G 基站中主要使用的是氮化镓功率放大器和微波射频器件。氮化镓材料在耐高温、耐高压及承受大电流方面具备优势，与传统通信芯片相比具备更优秀的功率效率、功率密度和宽频信号处理能力。
根据工信部数据，截至 2022 年 12 月末，我国已建成 5G 基站总数达到 230 万个，2022 年新建 88.7 万站 5G 基站，当前 5G 基站数量已达到移动基站总数的 22%。工信部指引 2023 年将新建 5G 基站 60 万个，累计 5G 基站总数将超过 290 万个。
2021 年我国 5G 基站用 GaN 射频规模 36.8 亿元。2023 年以后，毫米波基站部署将成为拉动市场的主要力量，带动国内 GaN 微波射频器件市场规模成倍数增长。折算成晶圆来看，2021 年国内 5G 宏基站生产对 4 英寸 GaN 晶圆需求量约 8.4 万片，未来 5 年的总需求将超过 60 万片。若毫米波基站开始部署，其 4 英寸 GaN 晶圆总需求约为 200-400 万片。
2、高功率电源需求带动功率器件放量提价：GaN 的“双高”特性在高性能消费电子设备中渗透潜力巨大，可满足快速充电与充电保护的场景要求。具体应用场景主要包括：PD 快充、电源适配器、无线充电、过电压保护OVP 等。消费电子领域存量市场巨大但竞争激烈，但占据性能高地的 GaN 功率器件有望不断渗透并创造新的增量动力。除 PD 快充以外，消费电子市场还有两个趋势有望成为 GaN 功率产品在消费电子领域的新增长点，一是大功率快充产品的前端 PFC 电路中采用了 GaN 电力电子器件，二是苹果、华为、三星等移动设备厂商在研发基于 GaN 的高频无线感应充电产品来提升移动产品的无线充电性能。
根据 Yole 预测，2020 年全球 GaN 功率器件市场规模约为 4600 万美元，预计 2026 年可达 11 亿美元，2020-2026 年 CAGR 有望达到 70%。具体来看，“充电”将成为 GaN 功率器件放量提价的关键。在电源适配器、无线充电应用中， GaN 器件关断速度快、开关频率高、无反向恢复损失、低传导损耗的特点可以得到充分发挥，逐步取代原有电源适配器中 Si MOSFET 趋势明显。
PD 快充 GaN 器件市场规模/亿元
资料来源：CASA，浙商证券研究所
与传统适配器中的 Si MOSFET 相比，GaN 器件在减少开关损耗及改善充电效率的同时保证适配器小尺寸化，可大大提升电源适配器效能；另一方面，5G 的快速推广加速 GaN 快充渗透前后装市场。5G 手机高能耗应用增加及性能提高带动移动终端快充需求上升，前后装市场中，GaN 电源适配器方案受到小米、OPPO、魅族、Anker 等厂商采纳，放量动力明显。CASA Research 数据显示 2021 年国内 PD 快充 GaN 电力电子器件市场规模为 6.5 亿元，若以年均增速 50%计，2026 年可达 50 亿元，对应上游晶圆需求 68 万片。
