第三代半导体氮化镓GaN 氮化镓GaN概念股有哪些?

2020-03-16 22:02 来源:财股网

摘要:今天聊一聊第三代半导体:氮化镓GaN。两家核心公司的业务在文章底部。 根据材料的不同,现代半导体已经发展到第三代。 第一代半导体材料主要是指硅(Si)、锗(Ge)元素半导体。它们在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...

  今天聊一聊第三代半导体:氮化镓GaN。两家核心公司的业务在文章底部。

  根据材料的不同,现代半导体已经发展到第三代。

  第一代半导体材料主要是指硅(Si)、锗(Ge)元素半导体。它们在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,还有一些固溶体半导体材料、玻璃半导体(又称非晶态半导体)材料、有机半导体材料等。主要用于制作高速、高频、大功率以及发光电子器件,是制作高性能微波、毫米波器件及发光器件的优良材料。

  第三代半导体材料主要是以碳化硅(SiC)、氮化镓(GaN)、氧化锌(ZnO)、金刚石、氮化铝(AlN)为代表的宽禁带(禁带宽度Eg>2.3eV)的半导体材料。

  与第一代和第二代半导体材料相比,第三代半导体材料具有更宽的禁带宽度、更高的击穿电场、更高的热导率、更大的电子饱和速度以及更高的抗辐射能力,更适合制作高温、高频、抗辐射及大功率器件。从目前第三代半导体材料及器件的研究来看,较为成熟的第三代半导体材料是SiC和GaN,而ZnO、金刚石、氮化铝等第三代半导体材料的研究尚属起步阶段。

  氮化镓(GaN)优势、用途

  极其稳定的化合物,坚硬和高熔点材料,熔点为 1700℃。具有高的电离度,出色的击穿能力、更高的电子密度和电子速度以及更高的工作温度,且具有低导通损耗、高电流密度等优势。

  通常用于微波射频、电力电子、光电子三大领域。微波射频包含了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;光电子方向包括了 LED、激光器、光电探测器等应用。

  1、氮化镓(GaN)在微波射频(5G)领域

  随着5G到来,GaN在Sub-6GHz 宏基站和毫米波(24GHz以上)小基站中找到一席之地。GaN射频市场将从2018年的6.45亿美元增长到2024年的约20亿美元,这主要受电信基础设施和国防两个方向应用推动,卫星通信、有线宽带和射频功率也做出了一定贡献。

  随着新的基于GaN的有源电子扫描阵列(AESA)雷达系统的实施,基于GaN的军用雷达预计将主导GaN军事市场,从2018年的2.7亿美元增长至2024年的9.77亿美元,CAGR达 23.91%。

  GaN无线基础设施的市场规模将从2018年的3.04亿美元增长至2024年的7.52亿美元,CAGR达16.3%。

  GaN有线宽带市场规模从2018年的1,550万美元增长至2024年的6,500万美元,CAGR达 26.99%。

  GaN射频功率市场规模从2018年的200万美元增长至2024年的10,460万美元,CAGR达 93.38%,具有很大成长空间。

  氮化镓(GaN)市场格局

  Yole统计,2019全球3750多项专利一共可分为1700多个专利家族。这些专利涉及RF GaN外延、RF半导体器件、集成电路和封装等。Cree(Wolfspeed)拥有最强的专利实力,在RF 应用的GaN HEMT 专利竞争中,尤其在GaN-on-SiC技术方面处于领先地位,远远领先于其主要专利竞争对手住友电工和富士通。英特尔和MACOM是目前最活跃的 RF GaN专利申请者,主要聚焦在GaN-on-Si 技术领域。GaN RF HEMT 相关专利领域的新进入者主要是中国厂商,例如HiWafer(海威华芯),三安集成、华进创威。

  2、氮化镓(GaN)在电力电子领域

  GaN推动快充、汽车电子进入小体积、高效率时代。

  GaN技术有望大幅改进电源管理、发电和功率输出等应用。2005年电力电子领域管理了约 30%的能源,预计到2030年,这一数字将达到80%,相当于节约了30亿千瓦时以上的电能,这些电能可支持30多万个家庭使用一年。从智能手机充电器到数据中心,所有直接从电网获得电力的设备均可受益GaN技术,从而提高电源管理系统的效率和规模。

  由于材料特性的差异,SiC在高于1200V的高电压、大功率应用具有优势,而GaN器件更适合 40-1200V的高频应用,尤其是在600V/3KW以下的应用场合。因此,在微型逆变器、伺服器、马达驱动、UPS 等领域,GaN可以挑战传统 MOSFET 或 IGBT 器件的地位,让电源产品更为轻薄、高效。

  汽车领域,现行汽车的特点和功能是耗电和电子驱动,给传统的 12V 配电总线带来了额外负担。对于 48V 总线系统,GaN技术可提高效率、缩小尺寸并降低系统成本。

  光线式距离保持和测量功能(激光雷达)使用脉冲激光快速提供车辆周围环境的高分辨率 360°三维图像,GaN技术可使激光信号发送速度远高于同类硅 MOSFET 器件。基于GaN的激光雷达使自主驾驶车辆能够看得更远、更快、更好,从而成为车辆眼睛。

  此外,GaN FET 工作效率高,能以低成本实现最大的无线电源系统效率。用于高强度LED前照灯时,GaN技术可提高效率,改善热管理并降低系统成本。而更高的开关频率允许在AM 波段以上工作并降低 EMI.GaN在汽车电子方面拥有丰富的应用场景。

  下一代充电器领域,GaN在未来几年将在许多应用中取代硅,快充是第一个可以大规模生产的应用。在600伏特左右的电压下,GaN在芯片面积、电路效率和开关频率方面的表现明显好于硅,因此在壁式充电器中可以用GaN来替代硅。5G 智能手机的屏幕越来越大,与之对应的是手机续航的需求越来越高,这意味着电池容量的增加。GaN快充技术可以很好地解决大电池带来的充电时长问题。

  2019年9月,OPPO宣布在其65W内置快速充电器中采GaN HEMT 器件,GaN在2019年首次进入主流消费应用。2020年2月,小米公司在小米10发布会上也宣布使用65W的GaN快充。

  GaN功率器件在2020年预计将会加速普及。由于GaN充电器具有体积小、发热低、功率高、支持PD协议的特点,GaN充电器有望在未来统一笔记本电脑和手机的充电器市场。

  Yole预测,到2024年GaN电源市场规模将超过3.5亿美元,CAGR为85%,有极大增长空间。此外,GaN还有望进入汽车及工业和电信电源应用中。

  GaN功率器件领域一直由EPC,GaN Systems,Transphorm和Navitas等纯GaN初创公司主导,他们的产品主要是 TSMC,Episil或 X-FAB 代工生产。国内新兴代工厂中,三安集成和海威华芯具有量产GaN功率器件的能力。

  3、氮化镓(GaN)在光电子领域

  GaN低功耗、高发光效率为LED、紫外激光器助力。

  GaN是蓝光LED的基础材料,在Micro LED、紫外激光器中有重要应用。

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