新型的GaN快充与传统快充相比,由于GaN充电器拥有更大的功率密度,所以能够实现更快的充电速度;同时,由于具有更高的能量转化效率,所以GaN快充具有更低的功耗并减少发热,此外,GaN功率器件的开关频率显着高于传统快充中的Si功率器件,因此可以实现体积更小的充电器产品设计,有望成为快充技术升级的重要方向。
氮化镓:第三代半导体材料
在国内,氮化镓被称为第三代半导体材料(又称为宽禁带半导体材料)。GaN的禁带宽度、电子饱和迁移速度、击穿场强和工作温度远远大于Si和GaAs,具有作为电力电子器件和射频器件的先天优势。
目前第三代半导体材料以SiC和GaN为主。相较于SiC,GaN材料的优势主要是成本低,易于大规模产业化。尽管耐压能力低于SiC器件,但优势在于开关速度快。同时,GaN如果配合SiC衬底,器件可同时适用高功率和高频率。
目前业界已推出多种快充技术方案,主要包括高通QuickCharge技术、OPPO VOOC闪充技术、联发科PumpExpress技术、华为Super Charge技术、vivo SUPER Flash Charge技术和USB3.1 PD充电技术等。随着智能手机等应用市场对快充产品需求的持续提升,快充产业将保持快速发展趋势。
氮化镓充电器最主要的成本来自于氮化镓MOS功率芯片,昂贵的原材料导致了消费级氮化镓充电器价格高昂,但氮化镓充电器是实现快充突破的关键,未来将成为各大主流手机厂商的标配,随着应用的逐步扩大,规模化效应会逐步凸显,成本将越来越低。未来如果苹果也开始采用氮化镓的充电器,氮化镓充电器的渗透率会加速上升。
2013年高通发布快充技术,起步阶段只是在手机充电器领域使用,一年之内成为安卓手机的标配。快充手机和充电器渗透率迅速提升。
无线充电起步阶段只在三星高端机使用,现在已经渗透到各品牌的旗舰机。预计氮化镓充电器,2020年只是在少数高端机型上作为标配产品,独立的氮化镓充电器是主要产品。根据快充和无线充电发展规律,预计2021年氮化镓充电器有望会成为旗舰手机标配。
随着技术的突破,产品价格降低,氮化镓成为最重要的半导体材料,使行业产生巨大变革,GaN(氮化镓)市场将迎来爆发。
氮化镓应用领域广泛
GaN应用领域广泛,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;在民用领域,氮化镓主要被应用于通讯基站、功率器件等领域。
基站建设将是氮化镓市场成长的主要驱动力之一。Yoledevelopment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。
氮化镓基站PA的功放效率较其他材料更高,因而能节省大量电能,且其可以几乎覆盖无线通讯的所有频段,功率密度大,能够减少基站体积和质量。
功率器件领域,GaN器件在高频、高转换效率、低损耗、耐高温上具有极大的优势,随着5G手机耗电量增加,大功率快充将成为标配,同时手机、笔电、平板电脑等终端产品充电器将趋于归一化。光电领域,GaN器件应用在LED、VCSEL传感器等领域。
Yoledevelopment数据显示,2018年GaN功率电子器件国内市场规模约为1.2亿元,尚处于应用产品发展初期,但未来市场空间有望持续拓展,在市场乐观预期下2023年GaN功率电子市场规模有望达到4.24亿美元。氮化镓射频市场规模将于2023年增长至13亿美元,复合增速为22.9%。下游应用结构整体保持稳定,以通讯与军工为主,二者合计占比约为80%。.
氮化镓主要增长点:电源和射频芯片
电源和射频芯片是GaN主要增长点:
1.电源芯片将是GaN短期推动力
在电源芯片方面(主要是充电器芯片),受到小米,VIVO等厂商的推动,充电器将会成为GaN市场发展的短期推动力。伴随着GaN产量的上升,GaN芯片的制造成本也会快速下降,形成消费电子类GaN市场。
根据材料深一度援引Yole数据,2018年GaN功率器件国际市场规模中,电源设备领域占比55%,其次是激光雷达,占比达到26%,其他下游应用如包络跟踪、无线电源等。GaN在电源设备的应用还包括手机的快速充电及无线充电等,随着消费电子朝小型化,智能化发展,GaN将拥有更多应用场景。电源驱动芯片主要厂商有:圣邦股份和富满电子等。
2.射频芯片将是GaN长期推动力
射频领域是GaN目前渗透率较高、未来发展前景大的产业,尤其是用于价格敏感度较低的基站建设和改造,GaN射频芯片已经在少部分基站投入使用,由于GaN耐压高,高频特性好,特别是在毫米波上的的优势,在5G基站领域需求强烈。
氮化镓将占射频器件市场半壁江山。在射频器件领域,目前LDMOS(横向扩散金属氧化物半导体)、GaAs(砷化镓)、GaN(氮化镓)三者占比相差不大,但据Yoledevelopment预测,至2025年,砷化镓市场份额基本维持不变的情况下,氮化镓有望替代大部分LDMOS份额,占据射频器件市场约50%的份额。
据YoleDevelopment数据,目前GaN在射频市场(除手机PA)的市占率超过20%,未来GaN将替代LDMOS,预计通信领域RF用GaN市场规模将从2017年的1.5亿美元增长到2023年的5.6亿美元。
在军用市场,GaN射频器件需求快速增长,根据《第3代半导体发展概述及我国的机遇、挑战与对策》数据,仅战斗机雷达对GaN射频功率模块的需求就将达到7500万只。
目前,美国海军新一代干扰机吊舱及空中和导弹防御雷达(AMDR)已采用GaN射频功放器件替代GaAs器件。根据该期刊论文援引Yole的预测,2020年末,GaN射频器件市场规模将达到7.5亿美元,年均复合增长率20%。
氮化镓产业链将迎快速发展
随着智能手机等应用市场对快充产品需求的持续提升,快充产业将保持快速发展趋势,相关产业链公司有望率先受益。快充产业链的上游为快充方案设计,以及GaN、电容器、连接器及线束、充电接口等电子原材料或电子元器件,中游为充电器模块、快充芯片、电源管理芯片、电芯和电芯PACK,下游则为各类充电应用。
其中GaN(氮化镓)产业链包括上游原材料、中游器件模块和下游应用。
上游原材料基本包括衬底、外延片
衬底厂商主要有:苏州纳维、东莞中镓、住友电气、三菱化学等;
外延片厂商有:晶湛半导体、江苏能华、华功半导体、大连芯冠、英国IQE、美国Allos等。
国外主要厂商方面,硅基衬底主要供应商有德国Siltronic、日本Sumco、日本Shin-Etsu等企业,而日本的NTT-AT、比利时的EpiGaN和英国的IQE等则是硅基GaN外延片的主要供应商。部分厂商则在产业链上延伸,同时生产外延片及器件制造,例如Episil、Bridg、Fujitsu等。
中游器件模块环节包括设计、制造、封测、IDM
设计厂商主要有:海思半导体、中兴微电子、安谱隆等、Dialog等;
制造环节厂商主要有:三安光电、台积电等;
封测厂商有:富满电子等;
IDM厂商有:士兰微、英飞凌、恩智浦、住友电气等;
下游应用包括消费电子、数据中心、电源、电力电子。
目前主流氮化镓生产厂家依旧集中在美、欧、日等国,我国企业尚未进入供给端第一梯队。
初创型的公司比如EPC,Transphorm,GaN system和Navitas主要选择fabless模式,代工厂有台积电,Episil。EPC宣布低压晶圆级封装产品价格和硅相同。同时传统的IDM公司比如德州仪器,英飞凌,意法半导体和松下等也参与竞争,比如英飞凌在2018年批量600V E-mode HEMT,意法半导体和CEA Leti合作8寸的GaN-on-Si技术。
氮化镓刺激功率半导体市场繁荣
在今年的CES2020上,包括Anker在内的30家厂商推出了66款氮化镓快充产品。现在小米再紧接着推出氮化镓充电器,将把这个市场需求进一步扩大。伴随着GaN在消费电子行业中的普及,GaN芯片的设计、制造成本将快速下降,进一步刺激市场应用普及。
氮化镓领域的投资机会将呈现由点到面,多领域相互促进的态势。第一层,GaN充电器已经走进消费电子,将迎来快速爆发;第二层,疫情过后,国内市场5GSub-6GHz基站建设需求加速回补,美国市场5G毫米波建设如期推进,全球5G基站建设将刺激射频GaN和电源GaN的应用普及;第三层,随着GaN产品在消费电子渗透率提升和5G基建刚需的带动下,成本下降,应用场景将进一步扩大到新能源汽车、激光雷达、数据中心等,从而刺激功率半导体市场繁荣。