導讀：
小米10近期成功發佈，其中氮化鎵充電器，打開了氮化鎵作為功率器件襯底材料的應用先河，氮化鎵具有的禁帶寬度大、熱導率高、耐高溫等多種優點將逐漸進入功率器件相關產業，應用處於快速增長期，今天我們就重點來看一看。
氮化鎵是什麼？
GaN 是一種新型半導體材料，和 SiC 同屬於第三代高大禁帶寬度的半導體材料，和第一代的 Si 以及第二代的 GaAs 等相比，其在特性上優勢突出。它具有 禁帶寬度大、熱導率高、耐高溫、抗輻射、耐酸鹼、高強度和高硬度等特性，在早期廣泛運用於新能源汽車、軌道交通、智能電網、半導體照明、新一代移動通信。
近年來，隨著技術進步和市場需求擴大逐漸將 GaN 導入了快充充電領域，常見於USB PD 快充等中高端產品，在輸入電壓為 100 V 或更低的應用中。
▲氮化鎵器件分類及應用領域
應用領域拓展空間大 規模增長速度高
由於 GaN 各方面的特性，使得 GaN 在射頻器件、功率器件等領域都表現出其強勁的滲透能力。
- 射頻領域
氮化鎵的頻率特性好、瞬時帶寬更高、速度更快、可以實現更高的功率密度。對於既定功率水平，GaN 具有體積小的優勢。有了更小的器件，就可以減小器件電容，從而使得較高帶寬系統的設計變得更加輕鬆。射頻電路中的一個關鍵組成是 PA（功率放大器）。從目前的應用上看，功率放大器主要由砷化鎵功率放大器和互補式金屬氧化物半導體功率放大器（CMOS PA）組成，其中又以 GaAs PA 為主流，但隨著 5G 的到來，砷化鎵器件將無法滿足在如此高的頻率下保持高集成度。
▲GaN 射頻器件市場發展
- 功率器件
GaN 也廣泛應用於功率器件市場。<strong>GaN 主要應用於低壓環境中的功率器件，高壓環境主要使用 SiC 材料，600-900V 為兩者的競爭市場。相比 SiC，GaN 在成本方面表現出更強的潛力，且 GaN 器件是個平面器件，與現有的 Si 半導體工藝兼容性強，這使其更容易與其他半導體器件集成。
▲GaN 和 和 SiC 對應用 電壓 範圍的市場細分
▲功率器件低壓佔比高 未來滲透空間大
<strong>根據 2017 年功率器件的市場結構情況，低壓功率器件市場佔比高達 68%，高壓功率期間市場佔比低，因此 GaN 的低壓功率器件市場空間大。
▲GaN 功率器件應用領域及市場空間
目前，GaN 功率器件的市場份額在各應用領域佔比比較平衡，<strong>電源供給方面的器件增長最快，預計到 2022 年會佔有一半以上份額，2019-2022 年整個電源市場的複合增長率高達 91%。
- 功率器件2017-2023年市場增速高
GaN 功率器件處於技術研發向商用推廣的發展期，過去幾年不斷有廠商發佈 GaN 產品，按照Yole 對 GaN 功率器件市場的預測分為穩定增長型（#1）和爆發式增長型（#2）兩種，其中爆發式增長模型預計在 2023 年市場空間達到 4.3 億美元。
▲氮化硅功率器件高速增長模型
根據 Yole 的統計及預測，2017 年全球 GaN 功率器件的市場空間約為 1000 萬美金，預計到 2023 年，GaN 功率器件的市場空間可以達到 4.3 億美元，<strong>對應 2017-2023 年複合增速達到約 87%。
小米推出氮化鎵充電器 激發消費領域市場需求 產業鏈受益
<strong>目前，GaN 應用最廣泛的是充電器。 採用了 GaN 元件的充電器體積小、重量輕，在發熱量、效率轉換上相比普通充電器也有更大的優勢，大大的提升了消費者的使用體驗。GaN技術是全球最快的功率開關器件，並且可以在高速開關的情況下仍保持高效率水平，能夠應用於更小的元件，應用於充電器時可以有效縮小產品尺寸。
<strong>消費電子領域，全球首家採用 GaN 充電器的廠家是 OPPO 在 19 年 11 月發佈 RenoAce 手機搭載的 65W 快充，在提升充電效率的同時減小體積。但該款是作為手機專用配件搭配手機使用。小米為第一家將GaN 充電器單獨零售的手機企業，而且售價創下業內新低。小米的加入直接加速 GaN 充電器的滲透，各大手機廠商會馬上跟進。未來如果蘋果也開始採用氮化鎵的充電器，氮化鎵充電器的滲透率會加速上升。
在今年的 CES2020 上，包括 Anker 在內的 30 家廠商推出了 66 款氮化鎵快充產品。
▲氮化鎵充電器比傳統充電器體積小重量輕
▲部分傳統快充充電頭與氮化鎵充電頭在重量、體積、價格上的對比
GaN 充電器相比傳統快充充電器，其最大的優勢便是在同等功率的情況下重量、體積、價格上均有優勢，對於消費電子充電器品類有著較強的滲透能力，未來 100-200 元區間的 GaN 充電器將進一步對現有傳統充電器乃至傳統快充充電器進行替代，全面利好產業鏈。
<strong>GaN 產業鏈包括上游的襯底和外延環節、中游的器件和模塊製造環節以及下游的應用環節。目前 IDM 廠商較多，包括德國英飛凌、美國 Cree、美國 Avogy、美國 Exagan和日本三菱電機等。隨著行業的發展，GaN 功率器件領域湧現了一批初創設計企業，與擁有生產線的 IDM 企業或代工廠合作開發 GaN 器件產品，如 EPC、Transphorm、GaN System 等設計公司已與 On Semi、富士通半導體、臺積電、X-Fab 等代工廠達成合作協議。
▲氮化鎵功率器件產業鏈
▲氮化鎵功率器件產業鏈上市公司
A股重要上市公司
三安光電（600703）
公司主要從事Ⅲ-Ⅴ族化合物半導體材料的研發與應用，著重於砷化鎵、氮化鎵、碳化硅、磷化銦、氮化鋁、藍寶石等半導體新材料所涉及到外延、芯片為核心主業。
公司2018年年報中表示氮化鎵射頻涵蓋 5G 領域，已給幾家客戶送樣，產品已階段性通過電應力可靠性測試，實現小批量供貨。
公司全資子公司廈門市三安集成電路主要提供化合物半導體晶圓代工服務，工藝能力涵蓋微波射頻、電力電子、光通訊和濾波器四大產品領域，主要應用於 5G、大數據、雲計算、物聯網、電動汽車、智能移動終端、通訊基站、導航等領域。
海特高新（002023）
持股比例53.79%的子公司海威華芯是由公司和中電科29所共同打造的集工藝開發、器件模型製造於一體的第二代/第三代化合物半導體集成電路領域的開放平臺，射頻、光電、電力電子等都屬於公司重點發展的業務領域。公司的產線設計一定程度為了滿足股東層面更高性能指標的要求，工藝設定直指領先技術。
海威華芯是氮化鎵芯片專利技術的第一梯隊，專利總數達249項，其中過半數是發明專利，已完成多項工藝路線的技術開發工作，包括砷化鎵、氮化鎵和磷化銦工藝，其次在以市場為導向下，公司已開發5G中頻段小於6GHz的基站用氮化鎵工藝、砷化鎵PPA15、PED25及硅基氮化鎵功率器件，發佈了毫米波頻段用0.15um砷化鎵工藝，三吋和六吋砷化鎵VCSEL激光器工藝、電力電子用硅基氮化鎵製造工藝也在2019年取得較大的進展。
公司目前已建成國內首條6吋化合物半導體商用生產線，實現了核心高端芯片自主可控及國產化替代，完成了包括砷化鎵（GaAs）、氮化鎵(GaN)、碳化硅(SiC)及磷化銦在內的6項工藝產品的開發。產能方面，當前公司砷化鎵晶圓規劃產能2000片/月，氮化鎵規劃產能600片/月。根據2019年半年報顯示，海威華芯總資產和非流動資產分別為14.75億元和13.74億元，預計已達到折舊巔峰。
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