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一文读懂氮化镓外延片行业情况

一文读懂氮化镓外延片行业情况

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氮化镓外延片行业情况

 

 

      外延片指在单晶衬底上生长一层新单晶形成的产品,外延片决定器件约70%的性能,是半导体芯片的重要原材料。外延片作为半导体原材料,位于半导体产业链上游,是半导体制造产业的支撑性行业。外延片制造商在衬底材料上通过CVD(Chemical Vapor Deposition,化学气相沉积)设备、MBE(Molecular Beam Epitaxy,分子束外延)设备等进行晶体外延生长、制成外延片。
      外延片再通过光刻、薄膜沉积、刻蚀等制造环节制成晶圆。晶圆再被进一步切割成为裸芯片,裸芯片经过于基板固定、加装保护外壳、导线连接芯片电路管脚与外部基板等封装环节,以及电路测试、性能测试等测试环节最终制成芯片。上述芯片生产环节均需与芯片设计环节保持互动,以确保最终芯片满足芯片设计需求。
      目前,半导体材料已发展至第三代。第一代半导体材料主要是指硅(Si)、锗(Ge)元素半导体,于国际信息产业技术中的各类分立器件和集成电路、电子信息网络工程等领域得到了极为广泛的应用。
      第二代半导体材料是指化合物半导体材料,如砷化镓(GaAs)、锑化铟(InSb)、磷化铟(InP),以及三元化合物半导体材料,如铝砷化镓(GaAsAl)、磷砷化镓(GaAsP)等,主要应用于高速、高频、大功率以及发光电子器件。第三代半导体材料主要为碳化硅(SiC)、氮化镓(GaN)、氧化锌(ZnO)、金刚石、氮化铝(AlN),较前两代半导体材料拥有更高禁带宽度,更适合制作高温、高频、抗辐射及大功率器件。
      目前,应用较为成熟的第三代半导体材料为氮化镓和碳化硅,氧化锌、金刚石等研究尚属起步阶段。此外,由于衬底材料制备、外延等技术仍然不够成熟,应用第三代半导体材料的分立器件产品处于规模商用初期阶段,集成电路产品处于探索期阶段。
      氮化镓作为第三代半导体材料,具有远优于第一、二代半导体的禁带宽度、导通电阻、热导率。氮化镓的禁带宽度是硅的3倍、亦高于碳化硅;击穿电场为硅的10倍、较硅可耐受更高电压;因此,同样额定电压的氮化镓开关功率器件的导通电阻几乎比硅器件低3个数量级,大大降低了开关的导通损耗;同时,氮化镓是少见的同时具备高电子迁移率(1,250 cm2/Vs)和高饱和电子漂流率(2.2*107cm/s)的材料,意味着其所能承载的电流密度更高,因此能够在同尺寸的晶体管中产生更高的射频频率;氮化镓的热导率为砷化镓的4倍左右,且具备高热稳定性等优势。

市场规模

 

 

      基于氮化镓的性能,氮化镓外延片主要适用于高功率、高频率、中低电压下的应用场合,具体体现在:1)高禁带宽度:高禁带宽度使得氮化镓器件耐压水平提高,可以输出比砷化镓器件更高功率,特别适合5G通讯基站、军用雷达等领域;2)高转换效率:氮化镓开关电力电子器件的导通电阻比硅器件低3个数量级,能明显降低开关导通损耗;3)高热导率:氮化镓的高热导率使其具备优良散热性能,适合用于大功率、高温度等领域器件的生产;4)击穿电场强度:虽然氮化镓的击穿电场强度与氮化硅接近,但受半导体工艺、材料晶格失配等因素影响,氮化镓器件的电压耐受能力通常在1000V左右,安全使用电压通常在650V 以下。
      氮化镓外延片按照衬底材料的不同主要分为四种,具体为:1)硅基氮化镓(GaN-on-Si):由于硅是最成熟和成本最低的衬底材料,且硅的生长速度很快,因此在硅基上外延氮化镓可以有效降低成本,同时可制作大尺寸外延片;2)碳化硅基氮化镓(GaN-on-SiC):由于碳化硅具有优异的导热性,与氮化镓的高功率密度和低损耗相结合,该类外延片是射频器件的合适材料,但受限于碳化硅的衬底的生长难度,目前碳化硅基氮化镓外延片的尺寸仍然限制在4寸与6寸,尚未推广8寸与12寸;3)蓝宝石基氮化镓(GaN-on-sapphire):该类外延片主要应用在LED市场,主流尺寸为4寸;4)氮化镓基氮化镓(GaN-on-GaN):该类外延片生产过程中采用同种类的氮化镓,主要应用于蓝/绿光激光器。
      氮化镓外延片通常用于射频、电力电子、光电子三大领域。具体而言,射频方向包含了5G 通信、雷达预警、卫星通讯等应用;电力电子方向包括了智能电网、高速轨道交通、新能源汽车、消费电子等应用;光电子方向包括LED、激光器、光电探测器等应用。
1)射频器件
      射频器件整体市场规模仍保持高速增长。据Yole预测,2025年全球射频器件市场将超过250亿美元,其中射频功率放大器市场规模将从2018年的60亿美元增长到2025年的104亿美元;根据前瞻产业研究院数据,2018年我国射频器件市场规模约为300亿元,增速超过10%。
      氮化镓射频器件市场主要涉及无线基础设施和军事应用,预计未来氮化镓射频器件在射频器件中的渗透率将持续提高。根据Yole数据,在5G推出的推动下,预计全球氮化镓射频器件的市场规模在2024年有望增长至20亿美元,2018-2024E的复合增长率为21%,其中通信设备和军工应用占比最大,合计超过85%。

应用市场

 

 

2)电力电子器件
      电力电子半导体器件市场规模增速放缓。根据HIS数据,2018年全球电力电子半导体器件市场规模为391亿美元,预计至2021年市场规模将增至441亿美元,年化增速为4.1%;根据HIS数据,2018年中国电力电子半导体器件市场规模为138亿美元,同比增长9.5%,预计2021年中国电力电子半导体器件市场规模将达159亿美元,增速达4.8%。
      在电力电气半导体器件中,氮化镓电力电子器件的渗透率在持续扩大。根据IHS数据,氮化镓电力电子器件市场复合增长率达30%,2024年预计全球市场规模将达到6亿美元。其中,氮化镓电源市场(含消费电子快充、电动汽车充电等)成为主要增长极,根据Yole数据,其市场规模在2024年将增至3.5亿美元,2018-2024E复合增长率为85%。
      在消费电子快充市场,氮化镓充电器拥有体积小、重量轻、转换效率高、发热低、安全性强等优势。2019年,全球推出氮化镓PD快充充电器的厂商数量爆发增长,如OPPO、小米在新产品中均开始采用。从生产端看,氮化镓电力电子半导体器件主要使用6英寸及以下晶圆生产,目前瓶颈主要在成本、供应链稳定性方面。据Gartner数据,全球智能设备年均新增出货量超20 亿台,随氮化镓外延片的渗透提速,未来几年快充市场将成为氮化镓电力电子器件市场最大的推动力。
3)光电子器件[JZ(1] 
      氮化镓光电子器件市场主要涉及Micro LED、Mini LED、深紫外LED等产品的LED芯片。根据LEDinside分析,全球LED照明市场整体规模2018-2023年的CAGR预计为6%,预计随着上述LED产品的发展,相关氮化镓技术将得到更加广泛的应用。
      氮化镓外延片具备出色的击穿能力、更高的电子密度及速度,因此氮化镓是蓝色和绿色LED光电子器件的最佳选择。根据LEDinside预测,2022年全球Micro LED/Mini LED市场规模将达到13.8亿美元;据Trendforce预计,2024年全球Micro LED/Mini LED市场规模将达到42亿美元,处于高速发展期间,氮化镓光电子器件的潜在应用空间广阔。
      此外,氮化镓因其材料的高频特性是制备紫外光器件的良好材料,基于氮化镓半导体的深紫外LED光源体积小、效率高、寿命长,是紫外消毒光源的主流发展方向。根据LEDinside发布的《2019深紫外线LED应用市场报告》,2018 年全球深紫外LED市场规模达2.99亿美金,预计2023 年市场规模将达9.91亿美金,2018-2023年CAGR达27%
      很荣幸我们选择了第三代半导体氮化镓,氮化镓基发光芯片(LED)是目前应用最为广泛的发光照明芯片,我们所从事的是给人类带来光的行业,光明而荣耀。辽宁百思特达半导体科技有限公司将以认真、执着、科学的态度,为大家带来更亮丽、节能、现代化的“芯”世界!

 

来源:上海兄弟微电子科技有限公司

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