氮化镓概况

氮化镓介绍

氮化镓（GaN）是一种宽禁带半导体材料，其禁带宽度达到3.4eV，是最具代表性的第三代半导体材料之一。

图表 1：半导体材料发展路径

数据来源：浙商证券研究所  

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。

图表 2：不同半导体材料性能对比

数据来源：《宽禁带半导体高频及微波功率器件与电路》赵正平,浙商证券研究所

第三代半导体材料正在成为抢占下一代信息技术、节能减排及国防安全技术的战略制高点，是战略性新兴产业的重要组成部分。

图表 3：GaN、SiC与Si性能对比雷达图

数据来源：浙商证券研究所

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。

图表 4：GaN产业链概览

数据来源：智慧芽， 浙商证券研究所    

从产业链各环节来看，欧美日企业发展较早，技术积累、专利申请数量、规模制造能力等方面均处于绝对优势，中国在自主替代大趋势下，目前在产业链各环节均有所涉足，在政策支持下已在技术与生产方面取得进步。

氮化镓制备工艺

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。

图表 5：衬底材料与晶体管材料搭配适用场景

数据来源：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。

图表 6：氮化镓外延使用不同衬底对比

数据来源：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，上述三种方法对应的生长条件、生长速率和优劣比较如下表所示。

图表 7：GaN 晶体生长方法对比

数据来源：《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。

图表 8：氨热法制备 GaN 体单晶

数据来源：《氮化镓单晶生长研究进展》任国强， 浙商证券研究所    

图表 9：三菱化学LPAAT制备高质量4英寸GaN单晶

数据来源：三菱化学官网，浙商证券研究所    

利用各生长方法优势互补解决单一生长方法存在的问题是解决GaN单晶晶体质量、成本及规模量产的有效途径。 2021年三菱化学宣布采用低压酸性氨热法（LPAAT）开发出4英寸GaN单晶衬底，且晶体缺陷仅为普通GaN衬底的1/00-1/1000。三菱化学计划于2022年4月起开始向市场供应4英寸GaN单晶衬底。

图表 10：HVPE 装置示意图

数据来源：《氮化镓单晶生长研究进展》任国强，浙商证券研究所

图表 11：助熔剂法原理示意图

数据来源：半导体产业网， 浙商证券研究所 半导体

氮化镓优异性能支撑广阔应用

氮化镓材料具备更宽的禁带宽度、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，目前其主要应用方向可分为：电力电子领域、射频电子领域以及光电子领域。

图表 12：GaN 应用图谱

数据来源：浙商证券研究所    

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。

电力电子领域

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。

图表 13：各类半导体材料使用频率与功率范围

数据来源：Texas Instrument 官网， 浙商证券研究所

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。

图表14：5G 单站典型功耗

数据来源：华为， 浙商证券研究所    

图表 15：5G生态系统中的开关电源(SMPS)

数据来源：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。

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。

图表 16：氮化镓光电器件主要新产品

数据来源：CASA， 浙商证券研究所    

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。

下游市场加速渗透，新应用逐步加码

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%。

图表 17：2017-2025年国内GaN功率、射频器件市场规模及预测/亿元

数据来源：CASA， 浙商证券研究所    

氮化镓器件在能源效率、功率密度、可靠性等方面相对于传统半导体器件有明显的优势， 伴随5G通信生态、 AIGC、云计算、大数据等新兴技术的快速发展，我们认为高速、高效、高能的半导体器件需求将日益增加， GaN器件作为重要的功率和射频器件， 在未来大有可为。

未来，随着新基建、新能源、新消费等领域的持续推进，氮化镓器件在国内市场的应用呈现出快速增长的态势。 随着国家政策的推动和市场的需求，氮化镓器件在 5G 基站、数据中心有望集中放量，稳定增长；氮化镓器件在太阳能逆变器、风力发电、新能源汽车等方面将随着技术不断进步陆续“上车”；GaN 器件在“快充”的场景引领下，有望随着中国经济的快速发展和消费电子巨大的存量市场而不断破圈。

总的来看，我们认为伴随 5G 通信和消费电子业务的确定性增长、新能源赛道与数据中心的集中爆发，氮化镓器件将在未来 3-5 年迎来“放量提价” 的机遇。

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。

图表 18：2021 年中国氮化镓射频器件应用市场结构

数据来源：CASA， 浙商证券研究所    

图表 19：中国5G基站建设数量及预测

数据来源：工信部， 浙商证券研究所    

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。

图表 20：2018-2021RF GaN HEMT与Si LDMOS价格变化

数据来源：Mouser，Digi-Key， CASA，浙商证券研究所    

值得关注的是，目前GaN射频器件随着技术进步价格下降。据Mouser数据，2018-2021年，RF GaN HEMT 与Si LDMOS价差持续缩小。这也将有助于GaN射频器件提升渗透率。

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。

图表 21：2020年GaN快充功率份额占比

数据来源：TrendForce，浙商证券研究所    

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。

图表 22：PD 快充GaN器件市场规模/亿元

数据来源：CASA，浙商证券研究所   

图表 23：PD快充所需GaN-on-SiC 晶圆/万片

数据来源：CASA，浙商证券研究所   

一方面， 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。

新能源汽车有望打开GaN功率器件第二增长曲线

2022年全国新能源汽车销量达到680万辆，渗透率爆发式提升，汽车电动化等级提升显著增加了功率半导体单车价值量。GaN功率半导体主要用于电动汽车的动力总成系统，包括车载充电器 OBC、 DC-DC/DC-AC 及 BMS 电池管理系统。

图表 24：电动汽车 GaN 应用场景

数据来源：Navitas， 浙商证券研究所    

车规级市场对功率芯片可靠性、稳定性、效率要求更高。车规级芯片在温度适用范围、湿度、抗电磁干扰、抗机械振动方面，都比消费类和工业级提出更高要求，设计寿命也远长于消费类和工业级芯片。根据 Navitas、Yole数据测算，预计2030年电动汽车单车GaN价值量有望达到50美元/辆。

图表 25：新能源汽车销量预测(万辆，%)

数据来源：中汽协， Wind，浙商证券研究所   

尽管GaN功率器件具备优异的性能，但在新能源汽车领域其渗透能力仍需持续关注，SiC器件在性能指标、成本、工艺成熟度等方面均具备更强的先发优势。

来源：半导体信息