第三代半导体之GaN专题研究报告

总结

我国GaN产品逐步从小批量研发、向规模化、商业化生产发展。GaN单晶衬底实现2-3英寸小批量产业化,4英寸已经实现样品生产。GaN异质外延衬底已经实现6英寸产业化,8英寸正在进行产品研发。 GaN材料应用范围仍LED向射频、功率器件不断扩展。

射频器件方面, GaN受到5G推动。GaN射频器件衬底主要采用SiC衬底。Cree拥有最强的实力,在射频应用的GaN HEMT、尤其是GaN-on-SiC技术方面,该公司处于领先地位,远远领先日系厂商住友电工和富士通。国内主要的厂商是海威华芯、三安集成和华进创威。

功率器件方面,快充将成为最大推动力。 2019年OPPO、小米在新机型中采用了GaN快充器件,随着 终端客户积极推进,消费级GaN手机电源市场起量。除消费电子领域外,欧洲车企积极采纳,车规级GaN充电市场迎来需求增长。

一、GaN产业格局初成,国内厂商加速布局

1.1 化合物衬底的功率半导体对比

• GaN具备带隙大(3.4eV)、绝缘破坏电场大(2×106V/cm)及饱和速度大(2.7×107cm/s)等Si及GaAs不具备的特点。 由于容易实现异质结构,因此在LED、半导体激光器、高频及高功率元器件等领域的应用不断扩大。

1.2 GaN结构特性

• GaN作为一种宽禁带材料,和硅等传统半导体材料相比,能够在更高压、更高频、更高温度的环境下运行。从结构上看,Si是垂直型的结构,GaN是平面型的结构,这也使得GaN的带隙远大于Si。

• SiC相比,GaN在成本方面表现出更强的潜力,且 GaN器件是个平面器件,与现有的Si半导体工艺兼容性强,这使其更容易不其他半导体器件集成。

• GaN具备带隙大(3.4eV)、绝缘破坏电场大(2×106V/cm)及饱和速度大(2.7×107cm/s)等Si及GaAs不具备的特点。 由于容易实现异质结构,因此在LED、半导体激光器、高频及高功率元器件等领域的应用不断扩大。

二、器件发展,材料先行

2.1 GaN应用发展历程

LED:GaN不可替代;以蓝宝石为衬底;2000发展至今, 2014年推出蓝光LED

射频:GaN不硅基材料拉锯;以SiC衬底为主;注重性能、稳定性;2018年PA中GaN超过硅基使用量;

功率器件:GaN参不竞争;以Si衬底为主;成本敏感,注重实用、美观;2020年打开快充市场;

2.1 GaN衬底与应用相关

• 衬底的选择根据应用的需求而变化。目前市场上GaN晶体管主流的衬底材料为蓝宝石、SiC和Si,GaN衬底由于工艺、成本问题尚未得到大规模商用。蓝宝石衬底一般用于制造蓝光LED,通常采用MOCVD法外延生长GaN。

SiC衬底一般用于射频器件,Si则用于功率器件居多。除了应用场景外,晶格失配度、热膨胀系数、尺寸和价格都是影响衬底选择的因素之一。

2.2 GaN衬底发展历程

• SiC衬底应用较广。SiC衬底在4G时代被逐步推广和应用,由于 5G频率高于4G,我们预计GaN-on-SiC将在Sub-6GHz得到广泛应用。目前SiC衬底主要以4寸、6寸为主,随着 8寸SiC晶圆生产工艺成熟,未来有望降低 SiC衬底的使用成本。GaN-on-Si主要用于功率器件,2019年Q1 GaN-on-Si仍处于小规模量产,但因为硅片尺寸已经达到 12寸,未来有望依靠成本优势得到大规模推广。

三、5G、快充推动GaN放量

3.1 蓝光LED原理

• LED最基本的结构就是p-n结,由p型GaN和n型GaN组成。目前,商业化的GaN基蓝光LED多采用InGaN/GaN多量子阱结构。在蓝宝石衬底上先生长一层无掺杂的GaN作为缓冲层,再生长一层Si掺杂的GaN层作为n型区,紧接着生长多个周期的InGaN/GaN多量子阱作为复合发光区域,再生长 p型AIGaN作为EBL,然后再用Mg掺杂GaN层作为p型区,最后在p型层和n型层两端分别形成两个电极。

3.1 Micro LED未来可期

• Micro LED市场规模将不断扩大,全球市场收入快速增长 。据Statista预测,2026年全球MicroLED出货量将达到0.15亿片,2027年全球MicroLED市场收入将达到718亿美元。Mini/Micro LED将成为LED未来的发展方向。 Micro LED适用于极小间距、高对比度和高刷新率的场景,例如智能手表、AR、VR等智能穿戴领域。

• 全球抢占Micro LED布局。晶电与环宇-KY合资设厂,而后与利亚德合资建立Mini/MicroLED量产基地,同时京东方与美国 Rohinni合资的BOE Pixey正式成立,将共同生产显示器背光源的Micro LED。国内三安光电、华灿光电等在Mini LED芯片外延,国星光电、瑞丰光电等在封装等环节均有布局。上下游技术整合,Micro LED进展有望实现突破。

3.2 GaN工艺改进带来新增长点

• 5G通信对射频前端有高频、高效率等严格要求,数据流量高速增长使得调制解调难度不断增加,所需的频段越多,对射频前端器件的性能要求也随之加高;载波聚合技术的出现,更是促使移动基站、智能手机对射频前端器件的需求翻倍,给GaN发展带来新契机。

• 目前在射频前端应用电路中,硅基LDMOS器件和GaAs仍是主流器件,但在工作频率、带宽、功率等关键指标上明显逊于GaN。虽然GaAs放大器在线性和失真度上有一定优势,但GaN器件可通过数字预失真等技术进行优化,且随着 GaN技术向更小的工艺尺寸演进,未来GaN将挑战GaAs器件、硅基LDMOS器件主导地位。

3.2 GaN通信基站

• GaN射频器件主要为三种:(1)4G宏基站及CATV的大功率功放管;(2)Sub-6GHz 5G基站PA模块;(3)5G高频频段的GaN MMIC。GaN的高频、高功率、高效率、宽禁带等特性能很好满足5G基站及通信系统的需求。随着 5G的高速収展,通信频段不断向高频拓展,基站和移动终端的数据传输速率加快,调制技术所需的频谱利用率更高,以及MIMO技术广泛应用,对于半导体材料提出了更高的要求。

3.2 GaN包络跟踪技术

• GaN器件具有较低的寄生电容和优良的热性能,适合高频应用,其中应用于5G的包络跟踪技术将加速GaN的发展。5G通信对频谱利用率要求高,5G基站部署密度大,因而对射频信号的峰值平均功率比(PAPR)要求更高。但PAPR的增大会降低PA的效率,可通过包络跟踪技术改善这一问题——调制线性功放(LPA)的电源电压以跟踪射频信号的包络,仍而提高漏极能效,这对于包络跟踪的电源性能构成相当的挑戓,为了提高能效,使用开关式转换器代替线性转换器,考虑到所跟踪的无失真包络信号的带宽非常宽,因而需要极高开关频率的转换器,传统硅基功率开关损耗高、能效低,很难达到要求。

3.2 GaN基站应用市场预期

• GaN在基站中的应用比例持续扩大,市场增速可观。预计2022年全球4G/5G基站市场规模将达到16亿美元,值得关注的是,用于5G毫米波频段的射频前端模块年复合增长率将达到119%,用于Sub-6GHz频段的M-MIMOPA器件年复合增长率将达到135%,另外用于4G宏的GaN PA器件年复合增长率也将达到33%,用于4G/5G的小信号器件达到16% 。

3.2 GaN射频应用市场及发展预期

• GaN射频设备市场规模持续增长,军备国防、无线通信基础设施为主要支柱以及主要增长动力。 预计2018-2024年GaN射频设备整体年复合增长率达到21%,2019-2025年封装的GaN射频设备整体年复合增长率达到12%。GaN将取代 GaAs在高功率、高频率卫星通信领域的应用,同时在有线电视(CATV)和民用雷达市场上提供比LDMOS或 GaAs更高的附加值。

• 在 GaN 射频元器件市场,第一阵营的厂商是住友电气、Cree/Wolfspeed和Qorvo。GaN射频器件衬底主要采用SiC衬底。Cree拥有最强的实力,在射频应用的 GaN HEMT、尤其是GaN-on-SiC技术方面,该公司处于领先地位,远远领先日系厂商住友电工和富士通。国内主要的厂商是海威华芯、三安集成和华进创威。

3.3 GaN在功率器件应用

• GaN功率器件通常采用HEMT(高迁移率晶体管)的设计,主要应用于高频场景。相较于Si、SiC,GaN晶体管的源极、栅极、漏极均在同一个平面,因此使用存在与AlGaN和GaN层级间的2DEG(二维电子气)作为电流路径。异质结导致的二维电子气显著提高迁移率,因此 GaN晶体管切换速度很快。在中高频驱动逆变器的快速切换的场景中,如果采用传统的MOSFET和IGBT会产生不可接受的损耗,而 GaN HEMT能够克服这样的损耗。但快速切换使得栅极电压为0V时,也依旧会有电流通过,因此GaN HEMT也被称为常开型元件。

• 高频环境,GaN单位功率上优于Si。当功耗和尺寸评判Si和GaN时,尤其是功率器件处在高频环境下,GaN器件拥有更小的体积和更低的功耗。根据英飞凌的数据,目前GaN器件在单位功率上已经能够达到Si器件的200%。更大的单位功率能够节省出更多的空间给电池以及其他电子元器件。这项特性能够给电动汽车提供更长的续航时间,为服务器、基站提供更高的性能空间。

• GaN主要适用于低压、高频领域,目前大部分产能都集中于0-250V和650V,商业化的Si基GaN功率器件最高电压仍然是在 650V,900V GaN FET提供试样,未来有望将电压提升至1200V。

3.3 快充推动GaN 功率器件在消费电子领域应用

• 根据 Global Market Insights的数据,GaN与SiC功率器件市场在2025年将达到30亿美元,年复合增速达到30%。半导体区别于其它材料的主要特性是带隙能—将材料仍绝缘体变为导体所需的电压跳变。GaN提供的带隙能是Si的3倍,而更高的带隙意味着较高温度下的更佳性能电压,因此GaN将会成为Si的理想替代品。随着这些设备在光伏逆变器、混合动力和电动汽车、 UPS和其他电力应用领域的应用,该市场已经初步显现 。

报告节选:

第三代半导体之GaN专题研究报告
第三代半导体之GaN专题研究报告
第三代半导体之GaN专题研究报告
第三代半导体之GaN专题研究报告
第三代半导体之GaN专题研究报告
第三代半导体之GaN专题研究报告
第三代半导体之GaN专题研究报告
第三代半导体之GaN专题研究报告
第三代半导体之GaN专题研究报告
第三代半导体之GaN专题研究报告
第三代半导体之GaN专题研究报告
第三代半导体之GaN专题研究报告
第三代半导体之GaN专题研究报告
第三代半导体之GaN专题研究报告
第三代半导体之GaN专题研究报告
第三代半导体之GaN专题研究报告
第三代半导体之GaN专题研究报告
第三代半导体之GaN专题研究报告
第三代半导体之GaN专题研究报告
第三代半导体之GaN专题研究报告
第三代半导体之GaN专题研究报告
第三代半导体之GaN专题研究报告
第三代半导体之GaN专题研究报告
第三代半导体之GaN专题研究报告
第三代半导体之GaN专题研究报告
第三代半导体之GaN专题研究报告
第三代半导体之GaN专题研究报告
第三代半导体之GaN专题研究报告
第三代半导体之GaN专题研究报告
第三代半导体之GaN专题研究报告
第三代半导体之GaN专题研究报告
第三代半导体之GaN专题研究报告
第三代半导体之GaN专题研究报告
第三代半导体之GaN专题研究报告
第三代半导体之GaN专题研究报告
第三代半导体之GaN专题研究报告
第三代半导体之GaN专题研究报告
第三代半导体之GaN专题研究报告
第三代半导体之GaN专题研究报告
第三代半导体之GaN专题研究报告
第三代半导体之GaN专题研究报告
第三代半导体之GaN专题研究报告
第三代半导体之GaN专题研究报告
第三代半导体之GaN专题研究报告
第三代半导体之GaN专题研究报告
第三代半导体之GaN专题研究报告
第三代半导体之GaN专题研究报告

发表评论

Fill in your details below or click an icon to log in:

WordPress.com 徽标

您正在使用您的 WordPress.com 账号评论。 注销 /  更改 )

Google photo

您正在使用您的 Google 账号评论。 注销 /  更改 )

Twitter picture

您正在使用您的 Twitter 账号评论。 注销 /  更改 )

Facebook photo

您正在使用您的 Facebook 账号评论。 注销 /  更改 )

Connecting to %s