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「芯历史」小米带来春天?国产氮化镓爆红背后

发布时间:2020-03-09

集微网消息,小米俨然成了手机界的“带货王”,一场小米10系列以及部分配件产品的发布会让氮化镓充电器再次进入大众的视野。

为何说“再次”?其实氮化镓充电器并不是小米的首发,早在小米之前就有不少氮化镓的产品。2019年11月,OPPO发布的RenoAce手机便搭载了氮化镓充电器;在今年的CES上,更有超60款氮化镓产品相继推出。

小米的入局,可以说是极大地提高了氮化镓的关注度。甚至有业内人士认为,此次小米推出的氮化镓充电器,从终端客户的反馈来说,在消费类领域,预示着氮化镓的春天来了。那么,氮化镓凭借什么优势进入大众的视野?中国在氮化镓上的发展如何?

氮化镓材料是1928年由Jonason等人合成的一种Ⅲ-Ⅴ族化合物半导体材料。GaN作为第三代半导体材料的前沿代表,与前代半导体材料相比,多项指标有显著提升。

氮化镓是氮和镓的化合物,此化合物结构类似纤锌矿,硬度很高。作为时下新兴的半导体工艺技术,提供超越硅的多种优势。与硅器件相比,GaN在电源转换效率和功率密度上实现了性能的飞跃。总体来说,它具有禁带宽度大、热导率高、耐高温、抗辐射、耐酸碱、高强度和高硬度等特性。

作为三代半导体材料当家花旦的氮化镓,近二十年来,由于LED照明产业的发展推动,已成为三代半导体材料中的核心材料,在光电子方向LED从无到有,快速发展,直至现在发展到千亿美元的规模,是一个新材料开发推动社会变革的典范。

在早期,氮化镓广泛运用于新能源汽车、轨道交通、智能电网、半导体照明、新一代移动通信等。随着技术突破,成本逐渐得到控制,目前氮化镓还被广泛运用到消费类电子等领域,上文提到的充电器便是其中重要的一项。

随着电子产品的屏幕越来越大,充电器的功率也随之增大,尤其是对于大功率的快充充电器,使用传统的功率开关无法改变充电器的现状。

而GaN技术可以做到,它是目前全球最快的功率开关器件,并且可以在高速开关的情况下仍保持高效率水平,能够应用于更小的元件,应用于充电器时可以有效缩小产品尺寸,比如使目前的典型45W适配器设计可以采用25W或更小的外形设计。

所以,氮化镓充电器的问世可谓吸引了全球眼球,高速高频高效让大功率USB PD充电器不再是“大块头”,小巧的体积一样可以实现大功率输出,比苹果原厂30W充电器更小更轻便。目前,几乎所有主流的手机厂商都已将USB PD快充协议纳入到了手机的充电配置,其中不乏苹果、华为、小米、三星等一线大厂品牌。

中信证券最新研报则认为,预计随着用户对便携性的需求提高,2025年全球GaN快充市场规模有望达600多亿元,同时加速GaN芯片在其他新兴领域对Si基产品的替代。而充电市场只是GaN应用的“冰山一角”。

在氮化镓的多种应用领域中,半导体照明行业发展最为迅速,已形成百亿美元的产业规模。GaN自1990年起就活跃在LED行业,是LED包括激光二极管的核心组成部分。GaN是少数能够发出蓝光的材料之一,可制作蓝光激光头。不过,现在市场上广泛使用的都是基于蓝宝石或碳化硅衬底的氮化镓LED,导致LED芯片存在非常高的缺陷密度。如果能用GaN本身作为衬底,则LED芯片的缺陷密度将降低为现在的百分之一甚至千分之一,那时候使用GaN材料的LED亮度、发光效率、寿命均远远超过节能灯。

虽然GaN在快充和照明领域的应用更广为人知,而其实,军事领域才是GaN研究的发源地——GaN最早就是在美国国防部的推动下开始的。2016年3月,爱国者导弹防御系统制造商美国雷神公司推出了基于GaN的相控阵天线系统,能够为爱国者导弹防御系统提供360°无死角的雷达搜索制导能力。机载火控雷达、弹载导引头、舰载预警防空雷达等,也越来越多使用这种相控阵天线系统。目前氮化镓器件有三分之二应用于军工电子,如军事通讯、电子干扰、雷达等领域。

此外,GaN非常适合于5G通信领域。在5G的关键技术Massive MIMO中,基站要使用大型阵列天线来实现更大的无线数据流量和连接可靠性,这种架构需要大量的射频器件。射频电路中的一个关键组成是PA功率放大器,用于实现发射通道的射频信号放大。

因此,基站建设将是氮化镓市场成长的主要驱动力之一。据Yole development数据显示,2018年,基站端氮化镓射频器件市场规模不足2亿美元,预计到2023年,基站端氮化镓市场规模将超5亿美元。氮化镓射频器件市场整体将保持23%的复合增速,2023年市场规模有望达13亿美元。

GaN同样能应用在无人驾驶领域中,在大力研发和推进自动化汽车普及过程中,汽车厂商和科技企业都在寻找传感器和摄像头之间的最佳搭配组合,以期在有效控制成本且能够大批量生产的前提下,最大限度地提升对周围环境的感知和视觉能力。而氮化镓材料就很适合,氮化镓的传输速度明显更快,是目前激光雷达应用中硅元素的100甚至1000倍。这样的速度意味着拍摄照片的速度,照片的锐度以及精准度。

氮化镓的优势明显、应用广泛,世界各国很早就启动了发展计划。其中,2002年,美国国防先进研究计划局(DARPA)启动并实施了“宽禁带半导体技术计划(WBGSTI)”,主要专注于有关GaN、SiC等半导体材料的开发项目。2005年,欧盟推出了由欧洲防卫机构资助的面向国防和商业应用的“GaN集成电路研发核心机构计划”。2002年,日本启动全面支持GaN晶圆评价和分析技术研究的“氮化镓半导体低功耗高频器件开发”计划。此外,韩国也于2000年制订了GaN开发计划。

我国的氮化镓研究稍晚,始于2013年。不过,虽然我国的氮化镓发展起步晚,但政策方面在不断加持。

2015年和2016年国家科技重大专项02专项也对第三代半导体功率器件的研制和应用进行立项。

2016年,国务院印发《“十三五”国家科技创新规划》,第三代半导体被列为国家科技创新2030重大项目“重点材料研发及应用”方向之一。

2017年,北京、江苏、山东和广东等地陆续出台促进化合物半导体发展的62项相关政策。地方政府出台“十三五规划”、“重点研发计划”、“科技创新规划”中涉及第三代半导体条款的政策有30条。

2017年,苏州公布《苏州工业园区关于推进氮化镓产业发展实施细则(试行)》,给与氮化镓相关企业鼓励和支持政策。

2019年2月21日,湖南省人民政府办公厅印发《加快第五代移动通信产业发展的若干政策》,其中就提到,鼓励发展氮化镓等化合物半导体。

2019年11月,北京市市经信局发布了《北京市5G产业发展白皮书(2019年)》,白皮书介绍中提到,在产业链核心器件上,则重点支持6英寸碳化硅、氮化镓芯片工艺平台项目。

2020年2月,《广东省加快半导体及集成电路产业发展的若干意见》,其中就包括大力发展氮化镓、碳化硅、氧化锌、氧化镓、氮化铝、金刚石等第三代半导体材料内容。

总体来看,国内已经形成了第三代半导体产业发展的聚集区:京津冀、长三角、珠三角、和闽三角。政策支持新兴高技术产业发展对当地经济结构调整、产业转型升级起到积极的促进作用。我国在该领域已经迎来了从追赶到超越的历史机遇。

2007年苏州纳维科技有限公司成立,成为我国首家具备氮化镓晶片生产能力的公司。经过10年努力,实现了2英寸氮化镓单晶衬底的生产、完成了4英寸产品的工程化技术开发、突破了6英寸的关键技术,现在是国内唯一一家、国际上少数几家之一能够批量提供2英寸氮化镓单晶产品的单位。

2009年1月成立的东莞市中镓半导体已建成国内首家专业的氮化镓衬底材料生产线,制备出厚度达1100微米的自支撑GaN衬底,并能够稳定生产。2018年2月,中镓半导体实现4英寸GaN自支撑衬底的试量产。

2014年底,晶湛半导体在全球首家发布其商品化8英寸硅基氮化镓外延片产品,经有关下游客户验证,该材料具备全球领先的技术指标和卓越的性能,并填补了国内乃至世界氮化镓产业的空白。

2016年,江苏能华参与了国家重点研发计划战略性先进电子材料重点专项,进行GaN基新型电力电子器件关键技术项目。

2016年4月,海威华芯第一条6英寸第二代化合物半导体集成电路生产线贯通,具有砷化镓、氮化镓以及相关高端光电产品生产能力。海威华芯是国内首家提供六英寸砷化镓/氮化镓微波集成电(GaAs/GaN MMIC)的纯晶圆代工服务的制造企业。海威华芯填补了国内空白,打破了国外对中国高端射频芯片的封锁,成为国家高端芯片供应安全的重要保障。

2017年11月,英诺赛科的8英寸硅基氮化镓生产线通线投产,成为国内首条实现量产的8英寸硅基氮化镓生产线。

2017年,士兰微打通了一条6英寸的硅基氮化镓功率器件中试线。士兰微在厦门总投资220亿,其中对氮化镓投资50亿,2019年12月10日氮化镓芯片产品正式通线点亮。

2017年12月,华润微电子完成对中航(重庆)微电子有限公司的收购,拥有8英寸硅基氮化镓生产线和国内首个8英寸600V/10A GaN功率器件产品,用于电源管理。此外,华润微与北京大学中山大学合作研发氮化镓。

2018年12月,耐威科技聚能晶源成功研制8英寸硅基氮化镓外延晶圆,且正在持续研发氮化镓器件。据耐威科技表示,目前,耐威科技在8英寸外延片良率超过80%,接近90%。耐威科技基于6寸碳化硅的氮化镓外延片或8寸硅基的氮化镓外延片,整个测试的性能和指标跟国际同行对比,结果相当。

目前,全球范围内,氮化镓专利申请量排名前五的国家及地区是日本、中国大陆、美国、韩国、中国台湾,其中中国大陆专利量占全球的23%。主要机构包括:中科院、西安电子科技大学、中国电子科技集团等。这些专利布局主要集中在发光二极管、激光二极管、场效应晶体管、电极等电子器件领域以及沉积方法、外延生长等加工工艺上。

此外,据业内知名专家称,我国氮化镓在器件设计和制造方面紧追世界一流水平,甚至在某些领域已经实现了领导市场的格局。比如LED产业,三安光电一家LED产能就占全球产能的20%。氮化镓器件另外几个重要领域,比如射频器件(微波器件)、电力电子器件、激光器件等我国也都有布局,在北京、江苏、广东三地形成了氮化镓技术的“聚居区”,在氮化镓技术各个关键器件领域都进行积极探索。

近几年,国内投资热度高涨。根据第三代半导体产业技术创新战略联盟的统计,仅仅2017年一年,投产氮化镓材料相关项目金额已经超过19亿元。

根据IHS Market2019年4月发布的《2018年碳化硅和氮化镓功率半导体报告》显示,未来十年,基于氮化镓的器件市场总值有望超过10亿美元。虽然在产业规模上来看,无法与现有硅器件相媲美,但是对于功率器件厂商而言,却是抢占市场主导权的必经之路。为此,全球半导体厂商对于氮化镓器件的热情一直不减。

对于中国而言,虽然中国专利占据全球的23%,但产业化发展程度较欧美低,但我国发展的应用场景广阔:我国是全球最大的半导体照明产业生产地、全球规模最大的5G移动通信、全球增速最快的新能源汽车、智能手机和军工领域对功率半导体需求增速,这些应用的发展都离不开第三代半导体材料和器件的支撑。

同时,国内投资GaN热度高涨。根据第三代半导体产业技术创新战略联盟的统计,仅仅2017年一年,投产氮化镓材料相关项目金额已经超过19亿元。政策扶持、应用推进、资本追捧,以GaN为代表的第三代半导体产业前景广阔,氮化镓手机快充充电器只是一个开始。

从调查数据来看,对中国来说,5G是一个庞大的市场。据工信部数据,截至2017年12月底中国4G宏基站数量为328万座。中国5G宏基站数量有望达到500万座,为4G基站数量的1.5倍。宏基站建设将会拉动基站端GaN射频器件的需求量,考虑到5G基站的建设周期,预计到2023年基站端GaN射频器件规模达到顶峰,达到112.6亿元。

在政策和市场的双重推动下,中国第三代半导体材料氮化镓产业发展迅速。除了已经形成优势的氮化镓半导体照明产业,预计未来,5G通信也将推动市场高速增长。可以说,中国发展氮化镓已经拥有了良好的技术、产业基础,更为关键的是还拥有足够庞大的市场空间,而这也意味着巨量的资本投资,基于此,中国氮化镓产业链的快速发展与成熟也将指日可待。

由于历史原因,中国并没有赶上第一、二代半导体发展的列车,但未来,以氮化镓为代表的第三代半导体将为中国实现后发赶超带来更大可能。

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