原標題：《第三代半導體-氮化鎵(GaN)技術洞察報告》發布，氮化鎵正在改變世界 中國企業發力強勁
近日，智慧芽旗下智慧芽創新研究中心最新發布《第三代半導體-氮化鎵(GaN)技術洞察報告》，從技術角度全面洞察分析了氮化鎵這一產業的誕生、產業發展和未來突破。
越來越多的人在使用手機快充充電器的時候可能不經意間會發現氮化鎵(GaN)這個專業名詞，實際上，正是“氮化鎵”這一第三代半導體材料的技術突破，讓第三代半導體能實現更多的場景應用，例如氮化鎵電子器件具有高頻、高轉換效率、高擊穿電壓等特性，讓微顯示、手機快充、氮化鎵汽車等有了無限可能。
12月28日，智慧芽旗下智慧芽創新研究中心最新發布《第三代半導體-氮化鎵(GaN)技術洞察報告》(以下簡稱“報告”)，從技術角度全面洞察分析了氮化鎵這一產業的誕生、產業發展和未來突破。
報告顯示，國內產業鏈基本形成，產業結構相對聚焦中游，中國企業紛紛入場。全球在氮化鎵產業已申請16萬多件專利，有效專利6萬多件。其中，保護類型以發明專利為主，行業技術創新度比較高。報告指出，該領域中美日技術實力較強，中美日市場較熱。
在報告展示的氮化鎵技術的日常應用場景中，豐田與日本名古屋大學合作開發“全氮化鎵汽車”，且目前寶馬也已經加入氮化鎵汽車應用這一陣營;與此同時，氮化鎵快充走進日常生活，華為氮化鎵快充充電器面市，擁有大功率、超級快充、輕巧便捷的特點，支持手機、平板、PC電腦等設備充電。
一、氮化鎵產業初步形成
氮化鎵(GaN)主要是指一種由人工合成的半導體材料，是第三代半導體材料的典型代表, 研制微電子器件、光電子器件的新型材料。氮化鎵技術及產業鏈已經初步形成，相關器件快速發展。第三代半導體氮化鎵產業范圍涵蓋氮化鎵單晶襯底、半導體器件芯片設計、制造、封測以及芯片等主要應用場景。
氮化鎵應用范圍廣泛，作為支撐“新基建”建設的關鍵核心器件，其下游應用切中了 “新基建”中5G基站、特高壓、新能源充電樁、城際高鐵等主要領域。此外，氮化鎵的高效電能轉換特性，能夠幫助實現光伏、風電(電能生產)，直流特高壓輸電(電能傳輸)，新能源汽車、工業電源、機車牽引、消費電源(電能使用)等領域的電能高效轉換，助力“碳達峰，碳中和”目標實現。
從產業發展來看，全球氮化鎵產業規模呈現爆發式增長。據分析機構Yole研究顯示，在氮化鎵功率器件方面，2020年的整體市場規模為0.46億美元，受消費類電子、電信及數據通信、電動汽車應用的驅動，預計到2026年增長至11億美元，復合年均增長率為70%。值得一提的是，電動汽車領域的年復合增長率高達185%。在氮化鎵射頻器件方面，2020年的整體市場規模為8.91億美元，預計到2026年增長至24億美元，復合年均增長率為18%。
從產業鏈看，國內氮化鎵產業鏈已基本形成，產業結構相對聚焦中游(如圖1)，中國企業紛紛入場，主要代表企業分布在全國各地(如圖2)。
圖1：全球氮化鎵產業鏈圖譜(來源：智慧芽整理)
圖2：中國氮化鎵企業及代表性業務(來源：CASA Research，智慧芽整理)
二、中國在氮化鎵技術上起步雖晚發力強勁
智慧芽數據顯示，全球在氮化鎵產業已申請16萬多件專利，有效專利6萬多件(如圖3)。其中，保護類型以發明專利為主，行業技術創新度比較高。報告指出，該領域美日技術實力較強，中美日市場較熱。
圖3：全球氮化鎵產業專利申請情況(數據：智慧芽)
從技術發展的歷史演進來看，20世紀70年代初出現氮化鎵相關專利申請，1994年之前尚處于探索階段，參與企業較少;1994-2005年進入快速發展期，主要驅動力是LED照明商用化;2010年開始，日本住友、日立等對氮化鎵襯底大尺寸的突破和進一步產品化，促進了相關專利量的進一步快速增長;自2014年起，專利申請量總體趨于穩步發展態勢，年專利申請量基本維持在9000件以上，在這段時期，可見光LED熱度減退，GaN基FET器件、功率/射頻器件、MicroLED等器件熱度上升。
從氮化鎵領域全球技術布局來看，中國、美國和日本為氮化鎵技術熱點布局的市場。其中，美國和日本起步較早，起步于20世紀70年代初，而中國起步雖晚，但后起發力強勁(如圖4)。值得注意的是，目前全球的氮化鎵技術主要來源于日本。
圖4：中、美、日氮化鎵技術專利申請趨勢圖(數據：智慧芽)
三、國內外龍頭企業技術洞察對比
報告顯示，全球氮化鎵主要創新主體的龍頭主要集中于日本。氮化鎵產業國外重點企業包括日本住友、美國Cree、德國英飛凌、韓國LG、三星等(如圖5)，中國企業代表有，晶元光電、三安光電、臺積電、華燦光電等(如圖6)。但目前中國企業和國外企業相比，專利申請數量仍有一定差距。
圖5：氮化鎵領域國外企業代表(來源：智慧芽)
圖6：氮化鎵領域中國企業代表(來源：智慧芽)
在這些企業中，日本住友全球率先量產氮化鎵襯底，是全球氮化鎵射頻器件主要供應商，同時也是華為GaN射頻器件主要供應商之一。住友聚焦于襯底和器件方面的研究，其中，器件方面近幾年側重于氮化鎵FET器件。該公司的氮化鎵襯底單晶生長技術側重HVPE法，重點解決襯底缺陷、尺寸等難題。此外，住友在氮化鎵FET器件上，側重外延工藝和芯片工藝突破。
美國Cree依靠其技術儲備支撐氮化鎵功率器件的市場化。2019年，Cree逐步剝離LED業務，專注于碳化硅電力電子器件和用于GaN射頻器件，并于2021年正式更名為Wolfspeed(原Cree旗下的功率&射頻部門)。在技術分布上，發光二極管LED和GaN基FET器件兩大方向是Cree重要的專利布局領域。其中，前者的研發熱度在近幾年明顯衰退，而Cree在后者的細分領域中則探索了較多的技術難題，注重器件多性能發展。
德國英飛凌持續深耕功率器件領域，且重點關注美國市場。其前身作為西門子集團的半導體部門，英飛凌主要生產IGBT、功率MOSFET、HEMT、DC-DC轉換器、柵極驅動IC、AC-DC電源轉換器等功率半導體器件，曾連續10年居全球功率半導體市場之首。在氮化鎵領域，英飛凌的技術分布于集中產業鏈中游——器件模組，持續關注GaN基FET、IGBT等功率元器件，以及由多個功率元器件集成的功率模塊(如電源轉換器)的研發。總體而言，英飛凌在功率模塊、GaN基FET器件上布局的專利最多。
國內LED龍頭“三安光電”在氮化鎵領域有一定技術儲備。三安光電是目前國內規模最大的LED外延片、芯片企業。2014年，該公司投資建設氮化鎵高功率半導體項目;2018年，在福建泉州斥資333億元投資Ⅲ-Ⅴ族化合物半導體材料、LED外延、芯片、微波集成電路、光通訊、射頻濾波器等產業。在氮化鎵領域，三安光電同樣集中于產業鏈中游——器件模組的研究。其布局的器件類型主要包括可見光LED、紫外LED、Micro/Mini LED和GaN基FET。2016年后，三安光電對可見光LED的專利申請量逐漸下降，并開始增加對Micro/Mini LED、GaN基FET的專利申請。
四、氮化鎵三大重點技術解析
首先，GaN襯底技術是器件降本的突破口，當前正從小批量規模向產業商業化方向發展，同時向大尺寸和高晶體質量方向發展。GaN單晶襯底以2-3英寸為主，4英寸已實現商用，6英寸已實現樣本開發;GaN異質外延襯底則已實現6英寸產業化，8英寸正在進行產品研發。
全球GaN襯底技術共有13000多件專利，其中有效專利量4800多件，占比為35.2%。其中，審中專利占比較少，可見未來有效專利增長空間較小。此外，日本和美國兩大市場分布的專利較多。全球襯底技術排名靠前的專利申請人以日本企業居多，整體技術實力較強，且日本住友在襯底領域技術儲備占有絕對優勢。
第二，在氮化鎵基FET器件技術的應用中，車規級氮化鎵功率器件市場規模進入新紀元，其市場規模不斷升高。在電動汽車領域，目前EPC和Transphorm已經通過了車規認證。與此同時，BMW i Ventures對GaN Systems公司的投資，表明了汽車行業越來越認可和重視GaN功率器件解決方案應用于電動汽車及混合動力汽車(EV/HEV)。
整體上，氮化鎵基FET器件正在向多單元模塊化發展。在這一領域中，美國、日本和中國為GaN基FET器件熱點布局的市場，其中重點為美國市場。自2000年起，該技術領域開始快速發展，且到2010年后，發展速度進一步加快。頭部企業中，日本企業仍占據大多數，且美國Cree和英特爾也占有一定的優勢。
第三，Micro LED應用場景廣泛涵蓋微顯示和數字終端領域，未來可期。可穿戴設備以及超大屏顯示將于2021年進入市場。據分析機構Yole預測，至2025年產業鏈成熟后，或將達到3.3億臺的出貨量。
Micro LED顯示技術的優勢是自發光、低功耗、高亮度、超高分辨率、小尺寸和高色彩飽和度，十分符合顯示屏領域輕薄化、小型化、低功耗、高亮度的發展方向。因此，高反應速度的Micro LED是現今非常熱門的新一代顯示概念，將成為LED未來的發展方向。
在Micro LED領域，巨量轉移技術是該領域發展的重點。Micro/Mini LED技術在近5年處于高速發展期，中國專利申請趨勢與全球總體一致，并且近5年的發展勢頭迅猛，全球領先。在這一技術的全球主要專利申請人中，Facebook和蘋果公司分別位列第一、第二，國內企業如京東方、歌爾股份、三安光電等也都名列前茅。
此外，智慧芽推出的氮化鎵(GaN)專利情報監控分析成果已落地形成IT平臺系統，可實現日常更新、監控和查閱，確保分析結果持續為行業研發創新和知識產權情報管理發揮價值。
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