隨著小米10的發布,氮化鎵(GaN)充電器開始進入大眾視野,同時也激活了市場。此次小米發布的氮化鎵充電器Type-C 65W,體積比常規充電器小50%,且能夠為筆記本電腦充電。與此同時,該充電器具備多檔位充電功率自動調節,智能兼容市面上主流筆電和手機產品,即使是為iPhone 11充電,充電速度也比iPhone原裝充電速度快50%。
新型的GaN快充與傳統快充相比,由於GaN充電器擁有更大的功率密度,所以能夠實現更快的充電速度;同時,由於具有更高的能量轉化效率,所以GaN快充具有更低的功耗並減少發熱,此外,GaN功率器件的開關頻率顯著高於傳統快充中的Si功率器件,因此可以實現體積更小的充電器產品設計,有望成為快充技術升級的重要方向。
氮化鎵:第三代半導體材料
在國內,氮化鎵被稱為第三代半導體材料(又稱為寬禁帶半導體材料)。GaN的禁帶寬度、電子飽和遷移速度、擊穿場強和工作溫度遠遠大於Si和GaAs,具有作為電力電子器件和射頻器件的先天優勢。目前第三代半導體材料以SiC和GaN為主。相較於SiC,GaN材料的優勢主要是成本低,易於大規模產業化。儘管耐壓能力低於SiC器件,但優勢在於開關速度快。同時,GaN如果配合SiC襯底,器件可同時適用高功率和高頻率。
目前業界已推出多種快充技術方案,主要包括高通Quick Charge技術、OPPO VOOC閃充技術、聯發科PumpExpress技術、華為Super Charge技術、vivo SUPER Flash Charge技術和USB3.1 PD充電技術等。隨著智慧型手機等應用市場對快充產品需求的持續提升,快充產業將保持快速發展趨勢。
氮化鎵充電器最主要的成本來自於氮化鎵MOS功率晶片,昂貴的原材料導致了消費級氮化鎵充電器價格高昂,但氮化鎵充電器是實現快充突破的關鍵,未來將成為各大主流手機廠商的標配,隨著應用的逐步擴大,規模化效應會逐步凸顯,成本將越來越低。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。
2013年高通發布快充技術,起步階段只是在手機充電器領域使用,一年之內成為安卓手機的標配。快充手機和充電器滲透率迅速提升。無線充電起步階段只在三星高端機使用,現在已經滲透到各品牌的旗艦機。預計氮化鎵充電器,2020年只是在少數高端機型上作為標配產品,獨立的氮化鎵充電器是主要產品。根據快充和無線充電發展規律,預計2021年氮化鎵充電器有望會成為旗艦手機標配。
隨著技術的突破,產品價格降低,氮化鎵成為最重要的半導體材料,使行業產生巨大變革,GaN(氮化鎵)市場將迎來爆發。
氮化鎵應用領域廣泛
GaN應用領域廣泛,目前氮化鎵器件有三分之二應用於軍工電子,如軍事通訊、電子幹擾、雷達等領域;在民用領域,氮化鎵主要被應用於通訊基站、功率器件等領域。
基站建設將是氮化鎵市場成長的主要驅動力之一。Yoledevelopment數據顯示,2018年,基站端氮化鎵射頻器件市場規模不足2億美元,預計到2023年,基站端氮化鎵市場規模將超5億美元。氮化鎵射頻器件市場整體將保持23%的複合增速,2023年市場規模有望達13億美元。
氮化鎵基站PA的功放效率較其他材料更高,因而能節省大量電能,且其可以幾乎覆蓋無線通訊的所有頻段,功率密度大,能夠減少基站體積和質量。
功率器件領域,GaN器件在高頻、高轉換效率、低損耗、耐高溫上具有極大的優勢,隨著5G手機耗電量增加,大功率快充將成為標配,同時手機、筆電、平板電腦等終端產品充電器將趨於歸一化。光電領域,GaN器件應用在LED、VCSEL傳感器等領域。
Yoledevelopment數據顯示,2018年GaN功率電子器件國內市場規模約為1.2億元,尚處於應用產品發展初期,但未來市場空間有望持續拓展,在市場樂觀預期下2023年GaN功率電子市場規模有望達到4.24億美元。氮化鎵射頻市場規模將於2023年增長至13億美元,複合增速為22.9%。下遊應用結構整體保持穩定,以通訊與軍工為主,二者合計佔比約為80%。.
氮化鎵主要增長:電源和射頻晶片
電源和射頻晶片是GaN主要增長點:
1)電源晶片將是GaN短期推動力。在電源晶片方面(主要是充電器晶片),受到小米,VIVO等廠商的推動,充電器將會成為GaN市場發展的短期推動力。伴隨著GaN產量的上升,GaN晶片的製造成本也會快速下降,形成消費電子類GaN市場。
根據材料深一度援引Yole數據,2018年GaN功率器件國際市場規模中,電源設備領域佔比55%,其次是雷射雷達,佔比達到26%,其他下遊應用如包絡跟蹤、無線電源等。GaN在電源設備的應用還包括手機的快速充電及無線充電等,隨著消費電子朝小型化,智能化發展,GaN將擁有更多應用場景。
電源驅動晶片主要廠商有:聖邦股份和富滿電子。
2)射頻晶片將是GaN長期推動力。射頻領域是GaN目前滲透率較高、未來發展前景大的產業,尤其是用於價格敏感度較低的基站建設和改造,GaN射頻晶片已經在少部分基站投入使用,由於GaN耐壓高,高頻特性好,特別是在毫米波上的的優勢,在5G基站領域需求強烈。
氮化鎵將佔射頻器件市場半壁江山。在射頻器件領域,目前LDMOS(橫向擴散金屬氧化物半導體)、GaAs(砷化鎵)、GaN(氮化鎵)三者佔比相差不大,但據Yoledevelopment預測,至2025年,砷化鎵市場份額基本維持不變的情況下,氮化鎵有望替代大部分LDMOS份額,佔據射頻器件市場約50%的份額。
據YoleDevelopment數據,目前GaN在射頻市場(除手機PA)的市佔率超過20%,未來GaN將替代LDMOS,預計通信領域RF用GaN市場規模將從2017年的1.5億美元增長到2023年的5.6億美元。
在軍用市場,GaN射頻器件需求快速增長,根據《第3代半導體發展概述及我國的機遇、挑戰與對策》數據,僅戰鬥機雷達對GaN射頻功率模塊的需求就將達到7500萬隻。目前,美國海軍新一代幹擾機吊艙及空中和飛彈防禦雷達(AMDR)已採用GaN射頻功放器件替代GaAs器件。根據該期刊論文援引Yole的預測,2020年末,GaN射頻器件市場規模將達到7.5億美元,年均複合增長率20%。
氮化鎵產業鏈將迎快速發展
隨著智慧型手機等應用市場對快充產品需求的持續提升,快充產業將保持快速發展趨勢,相關產業鏈公司有望率先受益。快充產業鏈的上遊為快充方案設計,以及GaN、電容器、連接器及線束、充電接口等電子原材料或電子元器件,中遊為充電器模塊、快充晶片、電源管理晶片、電芯和電芯PACK,下遊則為各類充電應用。
其中GaN(氮化鎵)產業鏈包括上遊原材料、中遊器件模塊和下遊應用。
上遊原材料基本包括襯底、外延片
襯底廠商主要有:蘇州納維、東莞中鎵、住友電氣、三菱化學等;
外延片廠商有:晶湛半導體、江蘇能華、華功半導體、大連芯冠、英國IQE、美國Allos等。
國外主要廠商方面,矽基襯底主要供應商有德國Siltronic、日本Sumco、日本Shin-Etsu等企業,而日本的NTT-AT、比利時的EpiGaN和英國的IQE等則是矽基GaN外延片的主要供應商。部分廠商則在產業鏈上延伸,同時生產外延片及器件製造,例如Episil、Bridg、Fujitsu等。
中遊器件模塊環節包括設計、製造、封測、IDM
設計廠商主要有:海思半導體、中興微電子、安譜隆等、Dialog等;
製造環節廠商主要有:三安光電、臺積電等;
封測廠商有:富滿電子等;
IDM廠商有:士蘭微、英飛凌、恩智浦、住友電氣等;
下遊應用包括消費電子、數據中心、電源、電力電子。
目前主流氮化鎵生產廠家依舊集中在美、歐、日等國,我國企業尚未進入供給端第一梯隊。
初創型的公司比如EPC,Transphorm,GaN system和Navitas主要選擇fabless模式,代工廠有臺積電,Episil。EPC宣布低壓晶圓級封裝產品價格和矽相同。同時傳統的IDM公司比如德州儀器,英飛凌,意法半導體和松下等也參與競爭,比如英飛凌在2018年批量600V E-mode HEMT,意法半導體和CEA Leti合作8寸的GaN-on-Si技術。
氮化鎵刺激功率半導體市場繁榮
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。現在小米再緊接著推出氮化鎵充電器,將把這個市場需求進一步擴大。伴隨著GaN在消費電子行業中的普及,GaN晶片的設計、製造成本將快速下降,進一步刺激市場應用普及。
氮化鎵領域的投資機會將呈現由點到面,多領域相互促進的態勢。第一層,GaN充電器已經走進消費電子,將迎來快速爆發;第二層,疫情過後,國內市場5G Sub-6GHz基站建設需求加速回補,美國市場5G毫米波建設如期推進,全球5G基站建設將刺激射頻GaN和電源GaN的應用普及;第三層,隨著GaN產品在消費電子滲透率提升和5G基建剛需的帶動下,成本下降,應用場景將進一步擴大到新能源汽車、雷射雷達、數據中心等,從而刺激功率半導體市場繁榮。