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《2022世界杯在线买球》，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。世界杯在线买球将以认真、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
