patsnap：第三代半導(dǎo)體-氮化鎵GaN技術(shù)洞察

氮化鎵技術(shù)概況

?技術(shù)簡介

?技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀

?技術(shù)創(chuàng)新概況

2

氮化鎵（GaN）簡介

氮化鎵材料定義:

氮化鎵（GaN）主要是由人工合成的一種半導(dǎo)體材料，禁帶寬度大于2.3eV，也稱為寬禁帶半導(dǎo)體材料

?氮化鎵材料為第三代半導(dǎo)體材料的典型代表，是研制微電子器件、光電子器件的新型材料

禁帶寬度（eV)

第三代半導(dǎo)體

氮化鎵（GaN）

碳化硅（SiC）

2.3第二代半導(dǎo)體

砷化鎵（GaAs）

寬禁帶、高擊穿電場強(qiáng)度和

1.4第一代半導(dǎo)體磷化銦（InP）高熱導(dǎo)率，具有可見光至紫

硅（Si）外光的發(fā)光特性。適用于半

鍺（Ge）導(dǎo)體照明、高壓、高頻、大

1.12高頻性能較好，廣泛應(yīng)用功率領(lǐng)域

于衛(wèi)星通信、移動通信和

GPS導(dǎo)航等領(lǐng)域。但資源

產(chǎn)業(yè)鏈成熟、成本低，適用稀缺，有毒性，對環(huán)境危

于低壓、低頻、中功率場合，害較大

是目前半導(dǎo)體器件和集成電

路主要制造材料

3

氮化鎵(GaN)技術(shù)及產(chǎn)業(yè)鏈已初步形成，相關(guān)器件快速發(fā)展

LED大規(guī)模商用化、

萌芽階段初始階段飛速發(fā)展階段

功率/射頻器件快速發(fā)展

1969年1986年-1994年1998年-2007年

2008年-至今

技

術(shù)

日本科學(xué)家Maruska等1、1986年，赤崎勇和天野1、1998年，美國Cree公1、2008年，美國Cree公司1、2014年，英飛凌收購

發(fā)人采用氫化物氣相沉浩采用MOCVD法獲得了司開發(fā)首個(gè)碳化硅基GaN推出首個(gè)氮化鎵射頻器件IR公司

積技術(shù)在藍(lán)寶石襯底高質(zhì)量GaN薄膜，并于高電子遷移率晶體管

展2、2009年，EPC公司推出2、2019年，美國Cree公

表面沉積出了氮化鎵1989年在全球首次研制出(HEMT)US6486502B1

第一款商用增強(qiáng)型氮化鎵司陸續(xù)出售LED相關(guān)業(yè)務(wù)，

薄膜，但質(zhì)量較差了PN結(jié)藍(lán)光LED

2、LED照明商業(yè)化（eGaN）晶體管聚焦GaN射頻器件和SiC

電力電子器件

2、1992年，中村修二以

3、2010年，IR公司推出商

雙異質(zhì)結(jié)構(gòu)代替PN結(jié)，研

用GaN集成功率器件

制出高效率GaN藍(lán)光LED

氮化鎵單晶襯底器件芯片設(shè)計(jì)+制造+封測芯片的應(yīng)用場景

產(chǎn)

業(yè)發(fā)光二極管LED氮化鎵基FET氮化鎵肖特顯示汽車手機(jī)軍工雷達(dá)

范p-電極基二極管

p-GaN

疇發(fā)光層

n-電極

n-GaN快充智能電網(wǎng)5G基站紫外殺菌

襯底

4

氮化鎵(GaN)應(yīng)用范圍廣

——在功率器件、射頻器件、顯示領(lǐng)域應(yīng)用廣泛，支撐新基建快速發(fā)展

?支撐“新基建”建設(shè)的關(guān)鍵核心器件：氮化鎵是目前能同時(shí)實(shí)現(xiàn)高頻、高效、大功率代表性材料，下游應(yīng)用切中“新基建”中5G基站、

特高壓、新能源充電樁、城際高鐵等主要領(lǐng)域

?高效電能轉(zhuǎn)換，助力“碳達(dá)峰，碳中和”目標(biāo)實(shí)現(xiàn)：第三代半導(dǎo)體可助力實(shí)現(xiàn)光伏、風(fēng)電（電能生產(chǎn)），直流特高壓輸電（電能傳

輸），新能源汽車、工業(yè)電源、機(jī)車牽引、消費(fèi)電源（電能使用）等領(lǐng)域的電能高效轉(zhuǎn)換，推動能源綠色低碳發(fā)展

數(shù)據(jù)來源：蘇州晶湛半導(dǎo)體

5

全球氮化鎵（GaN）產(chǎn)業(yè)規(guī)模呈爆發(fā)式增長

——功率器件和射頻器件將形成百億級產(chǎn)業(yè)規(guī)模

2020-2026氮化鎵功率器件市場規(guī)模及預(yù)測2020-2026氮化鎵射頻器件市場規(guī)模及預(yù)測

數(shù)據(jù)來源：Yole

數(shù)據(jù)來源：Yole

?2020年GaN功率器件整體規(guī)模為0.46億美元

?2020年GaN射頻器件整體規(guī)模為8.91億美元

?受消費(fèi)類電子、電信及數(shù)據(jù)通信、電動汽車應(yīng)用的驅(qū)動，預(yù)計(jì)到

?預(yù)計(jì)到2026年增長至24億美元

2026年增長至11億美元

?復(fù)合年均增長率（CAGR）為18%

?復(fù)合年均增長率（CAGR）為70%

6

氮化鎵（GaN）產(chǎn)業(yè)政策環(huán)境

——各國出臺專項(xiàng)扶持政策，國內(nèi)政策支持持續(xù)利好

2004年2013年2016年2019年2021年

中國

國家級戰(zhàn)略《長江三角洲

開始對第三代半導(dǎo)體科技部863計(jì)劃，將第①“十三五”計(jì)劃將第三代半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)列為重點(diǎn)“十四五”計(jì)劃明確提出發(fā)展碳化

區(qū)域一體化發(fā)展規(guī)劃綱要》

材料領(lǐng)域的研究進(jìn)行三代半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)列為戰(zhàn)發(fā)展方向硅、氮化鎵等寬禁帶半導(dǎo)體材

明確要求長三角區(qū)域加快

部署略發(fā)展產(chǎn)業(yè)②啟動“戰(zhàn)略性先進(jìn)電子材料”國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)料

劃，研究方向包括第三代半導(dǎo)體材料與半導(dǎo)體培育布局第三代半導(dǎo)體產(chǎn)

照明、大功率激光材料與器件業(yè)

2000年2002年2011年2014年2017年

美國

制定有關(guān)GaN和SiC的開①啟動電子復(fù)興計(jì)劃，投入20億美元重點(diǎn)開發(fā)微系統(tǒng)材料、

啟動寬禁帶半導(dǎo)體技術(shù)計(jì)劃：美國國防高級研究計(jì)劃局啟奧巴馬宣布成立“下一代電力電

發(fā)項(xiàng)目動“氮化物電子下一代技術(shù)計(jì)電子器件集成架構(gòu)等

①實(shí)現(xiàn)GaN基微波器件生產(chǎn)子技術(shù)國家制造業(yè)創(chuàng)新中心”，

劃”，推動GaN在高頻領(lǐng)域的②啟動CIRCUITS計(jì)劃，投資3000萬美元資助21個(gè)項(xiàng)目，

②研制GaN基單片微波集成電路發(fā)展寬禁帶半導(dǎo)體電力電子技

利用寬禁帶半導(dǎo)體實(shí)現(xiàn)高效、可靠的功率轉(zhuǎn)換器，使用碳

應(yīng)用術(shù)，提供7000萬美元財(cái)政支持

化硅或氮化鎵來代替現(xiàn)有的硅材料

2010年2014年2019年

歐盟2000年2005年2008年

GaN集成電路研發(fā)計(jì)劃，啟動GaN可靠性增長和意法半導(dǎo)體啟動“LAST

實(shí)施“彩虹計(jì)劃”發(fā)展歐盟委員會批準(zhǔn)投資化合物半導(dǎo)體（主要是

經(jīng)費(fèi)4000萬歐元，創(chuàng)建獨(dú)技術(shù)轉(zhuǎn)移項(xiàng)目，第一階段POWER”項(xiàng)目，與意大利、啟動面向電力電子應(yīng)用

GaN基設(shè)備，推動氮化鎵、碳化硅等第三代半導(dǎo)體）計(jì)劃，提

立的GaN-HEMT供應(yīng)鏈，總經(jīng)為860萬歐元，組織德國等六個(gè)歐洲國家的企業(yè)、的大尺寸SiC襯底及異

戶外照明和高密度存供17.5億歐元資金，開發(fā)用于包括5G通信，

提供最先進(jìn)可靠的GaN晶完整的GaN微波產(chǎn)品產(chǎn)大學(xué)聯(lián)合攻關(guān)SiC和GaN的質(zhì)外延GaN材料項(xiàng)目

儲技術(shù)發(fā)展無人駕駛汽車內(nèi)的應(yīng)用創(chuàng)新組件和技術(shù)

圓制備業(yè)鏈關(guān)鍵技術(shù)

日本1998年2002年2008年2013年2014年2016年

提出新一代節(jié)能器件技術(shù)戰(zhàn)略設(shè)立第三代功率半導(dǎo)體封裝技在國家硬電子計(jì)劃中將啟動“有助于實(shí)現(xiàn)節(jié)能社會的新一代

開展GaN半導(dǎo)體發(fā)光機(jī)實(shí)施GaN半導(dǎo)體低

與發(fā)展規(guī)劃，將采用SiC、GaN術(shù)開發(fā)聯(lián)盟，由大阪大學(xué)協(xié)同SiC襯底的制備與外延半導(dǎo)體研究開發(fā)”的GaN功率器件

理的基礎(chǔ)研究、用于同質(zhì)功耗高頻器件開發(fā)計(jì)

等寬禁帶半導(dǎo)體器件進(jìn)一步降羅姆、三菱、松下等18家知名作為重點(diǎn)研究課題，投開發(fā)項(xiàng)目，為期5年，第一年的預(yù)算

外延生長的大面積襯底等劃

低功耗企業(yè)、大學(xué)以巨資支持為10億日元

7

全球氮化鎵（GaN）產(chǎn)業(yè)圖譜

——國內(nèi)產(chǎn)業(yè)鏈基本形成，產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)相對聚焦中游

國外企業(yè)國內(nèi)企業(yè)

8

中國氮化鎵（GaN）企業(yè)及代表性業(yè)務(wù)

蘇州納維GaN襯底

東科半導(dǎo)體GaN功率器件

晶湛半導(dǎo)體GaN外延

安徽省執(zhí)珩半導(dǎo)體GaN外延

能訊半導(dǎo)體GaN射頻器件

芯谷微GaN射頻器件

蘇州捷芯威GaN功率器件

鎵特半導(dǎo)體GaN襯底

英諾賽科GaN器件

上海市江蘇省

芯元基半導(dǎo)GaN外延/器

GaN器件能華微電子

體件

中電科55所GaN射頻器件

華燦光電GaN-LED器件

聚燦光電GaN-LED器件

浙江省聞泰科技GaN器件

蘇州漢驊GaN外延

杭州士蘭GaN-LED器件

蘇州量芯微GaN功率器件

河北省中電科13所GaN射頻器件

聚能創(chuàng)芯GaN器件東莞中鎵GaN襯底

山東省聚能晶源GaN外延廣東省英諾賽科GaN器件

中鴻新晶GaN外延/器件中晶半導(dǎo)體GaN外延/器件

三安光電GaN器件海威華芯GaN器件

福建省乾照光電GaN-LED器件四川省益豐電子GaN射頻器件

士蘭明鎵GaN-LED器件氮矽科技GaN功率器件

數(shù)據(jù)來源：CASAResearch9

氮化鎵（GaN）技術(shù)創(chuàng)新概況

——技術(shù)儲備豐富，總體趨于穩(wěn)步發(fā)展態(tài)勢

有效專利量：6萬+

專利總量：16萬+?全球在GaN產(chǎn)業(yè)已申請16萬多件專利，有效

PCT指定期內(nèi)：0.84%實(shí)用新型：2.96%外觀設(shè)計(jì)：0.04%

未確認(rèn)：0.99%

PCT指定期滿：7.25%專利6萬多件

審中：13.06%有效：38.91%

?20世紀(jì)70年代初出現(xiàn)GaN相關(guān)專利申請

?1994年之前尚處于探索階段，參與企業(yè)較少

發(fā)明：97.00%?1994—2005年進(jìn)入快速發(fā)展期（LED照明商

失效：38.93%

用化）

?2010年進(jìn)一步短暫增長（日本住友、日立等

對GaN襯底大尺寸的突破和進(jìn)一步產(chǎn)品化）

?從2014年開始專利申請量總體趨于穩(wěn)步發(fā)展

態(tài)勢（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）

10

氮化鎵（GaN）技術(shù)創(chuàng)新概況

——中美日為氮化鎵技術(shù)熱點(diǎn)布局市場，美日起步早，中國后起發(fā)力強(qiáng)勁

中、美、日三國氮化鎵（GaN）技術(shù)專利申請趨勢圖

日本,35117

美國,37121

專4000

利

區(qū)中國美國日本

3500

域韓國,17168

分

布

圖WIPO,133193000

中國,42277

歐洲專利局,包含臺灣地區(qū)

76462500

德國,5046澳大利亞,805

以色列,1319

2000

法國,1.16%歐洲專利局,1.28%英國,0.75%

德國,3.23%其他,1.63%

世界知識產(chǎn)權(quán)1500

美國,22.95%

技組織,1.31%

中國臺灣,3.44%

術(shù)1000

來

源韓國,14.20%

國500

分

布0

中國,14.54%

圖1972197419761978198019821984198619881990199219941996199820002002200420062008201020122014201620182020

日本,35.50%

?日本、美國起步于20世紀(jì)70年代初，中國起步晚近20年

?熱門市場為中國、美國、日本

?2010年之前日本處于明顯領(lǐng)先地位，中國后起發(fā)力強(qiáng)勁，近幾年保持持續(xù)高

?技術(shù)主要來源于日本

漲趨勢11

典型企業(yè)聚焦

?日本住友

?美國Cree

?德國英飛凌

?中國三安光電

12

全球氮化鎵主要創(chuàng)新主體

——創(chuàng)新龍頭主要集中日本，中國企業(yè)與海外龍頭技術(shù)儲備量差距大

LG

住友株式會社

重點(diǎn)三星電子株式會社

日亞化學(xué)工業(yè)株式會社

國外企業(yè)代表全三菱株式會社

球PANASONIC

重東芝株式會社

住友日本CREE公司

點(diǎn)夏普株式會社

Cree（科銳）美國專豐田合成株式會社

利首爾偉奧世有限公司

英飛凌德國晶元光電股份有限公司

申奧斯蘭姆奧普托半導(dǎo)體

LG韓國請索尼公司

人羅姆股份有限公司

三星韓國株式會社半導(dǎo)體能源研究所

英飛凌科技有限公司

日亞化學(xué)日本英特爾公司

富士康

三菱日本三安光電有限公司

松下日本010002000300040005000600070008000

東芝日本

晶元光電

夏普日本

三安光電

國臺積電

中國企業(yè)代表內(nèi)

重華燦光電

中國科學(xué)院半導(dǎo)體研究所

晶元光電（中國臺灣）點(diǎn)

專榮創(chuàng)能源科技股份有限公司

三安光電利西安電子科技大學(xué)

中國科學(xué)院微電子研究所

臺積電（中國臺灣）申

請鴻海精密工業(yè)股份有限公司

華燦光電人財(cái)團(tuán)法人工業(yè)技術(shù)研究院

榮創(chuàng)能源科技（中國臺灣）0100020003000

鴻海精密工業(yè)（中國臺灣）數(shù)據(jù)來源：智慧芽專利數(shù)據(jù)庫，2021年3月31日；專利數(shù)量以公開文本件數(shù)統(tǒng)計(jì)。13

典型企業(yè)：日本住友

——氮化鎵技術(shù)儲備上占絕對優(yōu)勢，專利布局支撐商業(yè)成功

專利布局

?70年代開始申請GaN相關(guān)專利，90年代隨著GaN單晶生長、藍(lán)

?1970年開始制造化合物半導(dǎo)體，2003年在全球率先量產(chǎn)氮化鎵（GaN）襯底

光LED技術(shù)的突破，專利量快速增長

?2006年，在全球率先實(shí)現(xiàn)高性能GaNHEMT的量產(chǎn)

?失效專利占比高，有效專利1600多件

?全球GaN射頻器件主要供應(yīng)商，也是華為GaN射頻器件主要供應(yīng)商之一

?本土專利布局?jǐn)?shù)量最多，海外市場側(cè)重美國、中國、歐洲、韓國

住

友

氮

化

鎵

襯

底

產(chǎn)

品

住友電工部分GaN-HEMT產(chǎn)品目錄專利總量6000+加拿大0.94%中國香港0.74%

PCT指定期內(nèi)德國1.73%

審中5.54%其他1.55%

0.33%

型號頻率（GHz）輸出功率（W）應(yīng)用未確認(rèn)0.21%韓國5.75%

日本

SGK5867-30A5.85-6.7530衛(wèi)星

PCT指定期滿40.39%

SGK6472-60A6.4-7.260衛(wèi)星歐洲專利

7.01%

SGK1314-60A13.75-14.560衛(wèi)星局6.15%

中國臺灣

SG26F30S-DDC-2.730基站

6.96%

SGFCF10S-DDC-3.710基站失效

世界知識

SGN1214-220H-R1.2-1.4220雷達(dá)60.03%美國

有效產(chǎn)權(quán)組織

18.13%14

SGN2729-600H-R2.7-2.9600雷達(dá)26.89%7.87%

中國9.79%

住友聚焦襯底和器件方面研究，器件方面近幾年側(cè)重氮化鎵FET器件

GaN領(lǐng)域技術(shù)分布技術(shù)發(fā)展趨勢

?快速發(fā)展階段，熱點(diǎn)研究襯底技術(shù)、可見光LED、激光二極管技術(shù)，但近10

?可見光LED、GaN基FET器件、激光二極管、GaN年熱度驟減

單晶生長技術(shù)專利布局較多?近5年較關(guān)注GaN基FET器件

15

住友氮化鎵襯底單晶生長技術(shù)

——側(cè)重HVPE法，重點(diǎn)解決襯底缺陷、尺寸等難題

GaN單晶生長技術(shù)—專利布局熱點(diǎn)與空白點(diǎn)

生長速度

均勻化

布局熱點(diǎn)

提高產(chǎn)量?