國產芯片新突破點！報告揭秘爆發中的第三代半導體材料

第三代半導體材料是功率半導體躍進的基石。第三代半導體材料眾多戰略行業可以降低50%以上的能量損失，最高可以使裝備體積減小75%以上，是半導體產業進一步躍進的基石。先進半導體材料已上升至國家戰略層面，2025年目標滲透率超過50%。底層材料與技術是半導體發展的基礎科學，在2025中國製造中，對第三代半導體單晶襯底、光電子器件/模塊等細分領域做出了目標規劃。在任務目標中提到2025實現在5G通信、高效能源管理中的國產化率達到50%；在新能源汽車、消費電子中實現規模應用，在通用照明市場滲透率達到80%以上。

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本期內參來源：世紀證券

原標題：

《從新基建與消費電子看第三代半導體材料》

作者：陳建生

一、爆發中的第三代半導體材料

功率半導體下遊細分領域帶動需求爆發式增長，將帶動第三代半導體材料應用。功率半導體在電子行業中應用廣泛，且技術相對成熟，目前是以矽片為襯底，帶隙寬度較小，市場普遍認為，增長彈性不大，整體規模保持穩定。與之有差異的是，我們認為，未來功率半導體將呈現高性能，高增長，高集中度的發展趨勢，從而帶動第三代半導體材料應用需求，主要原因有以下幾點：

1）下遊新興行業增量顯著；

2）自給率仍然偏低，替代空間巨大；

3）未來集中產品碎片化將有所改善，高端產品如IGBT、MOSFET產品性能和技術壁壘同步提升，下遊對高端產品的依賴度會隨之增加。功率半導體市場規模較大，高性能驅使下，新型半導體襯底材料滲透率有望進一步提升。

貿易摩擦加劇與摩爾定律見頂雙重背景下，底層材料提供了彎道超車的可能性。美方對華為製裁規模未有縮小趨勢，同時加劇了多方面的技術圍剿，底層材料的重要性不容忽視。美方將計劃限制華為使用美國技術和軟體在海外設計和製造半導體的能力來保護國家安全，華為及其被列入實體清單的分支機構生產的以下產品將受出口管理條例（EAR）的約束，具體而言包括以下兩個方面：

1）華為及相關公司利用美國管制清單（CCL）上的軟體和技術直接生產的產品；

2）根據華為的設計規範，在美國海外的地方利用CCL清單上的半導體制造設備生產的芯片等產品，此類產品在向華為及其分支機構出貨時需要申請許可證。

摩爾定律在矽時代已接近效能極限，台積電已開始2nm探索性研發，單一增加製程精度的方式不可持續。“摩爾定律”在過去的幾十年中是集成電路性能增長的黃金定律。其核心內容：價格維持不變時，集成電路上可容納的元件數目，約每隔18-24個月便會增加一倍，性能也將提升一倍。根據ITRS的觀點，傳統的矽晶體管微縮至6納米已達極限。以矽材料為根基的摩爾定律即將失效。若半導體仍以摩爾定律趨勢發展，則需要在底層材料中形成突破。美國、歐盟、日韓等國家和地區組織已經通過制定研發項目的方式來引導產業發展。目前主要的突破手段存在於幾個方面：

1）底層材料突破，除氮化镓、砷化镓外，以碳基為材料的半導體技術也在持續突破；

2）以SIP封裝為代表的高密度集成方式，一定程度上滿足了性能的發展需求。

國內基地台端建設投資力度擴大，國內需求將大於國外。預計2020年5G新=建基地台有望達到80w座以上，其中大部分將以“宏基地台為主，小基地台為輔”的組網方式。在射頻端高頻高速的背景下，第三代半導體材料的滲透率將會大幅提升，2023年GaN RF在基地台中的市場規模將達到5.2億美元，年複合增長率達到22.8%。未來隨著GaN技術進步和規模化發展，GaN PA滲透率有望不斷提升，預計到2023年市場滲透率將超過85%。5G宏基地台使用的PA（Power Amplifier，功率放大器）數量在2019年達到1843.2萬個，2020年有望達到7372.8萬個，同比增長有望達到4倍。預計今年，基於GaN工藝的基地台PA佔比將由去年的50%達到58%。

消費電子市場規模分別受益於快充滲透率與新能源汽車電子化率的提升。假設智能手機未來三年GaN快充滲透率為1%、3%、5%，可穿戴需求度相對手機端有所降低，三年的滲透率為0.5%、1%、2%；我們預計2020年全球GaN充電器市場規模為24.41億元，2022年有望達到87.74億元。在新能源車型中，目前混動新能源汽車佔新能源汽車總量的80%以上，電機與電控是核心元器件。GaN可用於48VDC/DC以及OBC(On Board Charger車載充電機)。據Yole的預測，2023年該領域的市場規模將達到2500萬美元。新能源汽車無疑是電力電子設備市場的主要驅動力，也是不同技術路線（Si、SiC和GaN）的主要爭奪市場。

二、受益於下遊新興領域快速發展

功率IC和功率分立器件佔功率半導體的絕大部分。功率器件是通過控制電子設備中電壓、電流、頻率以及交流（AC）直流（DC）的轉換，從而達到控制元器件的功能。功率半導體屬於半導體的一個細分領域，是通過變換電能的交直流、電壓電流頻率大小從而實現對電路控制的核心器件，可以分為功率IC和功率分立器件兩大類。功率IC是將控制電路和大功率器件集成在同一塊芯片上控制的集成電路，主要的應用產品是電源管理，承擔變換、分配、檢測電壓電流頻率的功能，由於在電子設備系統中每個模塊所需供電電壓和電流各不相同，需要電源管理芯片對不同元器件所需電能情況進行轉換和調節。

功率分立器件主要包括有二極管、晶體管及晶閘管，晶體管佔有重要的份額，其中MOSFET（金屬氧化物半導體場效晶體管）和IGBT（絕緣柵雙極型晶體管）產品性能優越，控制能力及範圍有出色的表現，近年來市場規模增長較快，結構佔比不斷提升。

▲功率半導體主要分類

從細分產品來看，功率半導體因其不同的性能，發揮作用也有所不同。二極管具有單向導電性能，即給二極管陽極和陰極加上正向電壓時，二極管導通。當給陽極和陰極加上反向電壓時，二極管截止。因此，二極管的導通和截止，則相當於開關的接通與斷開。

晶閘管。晶閘管設計用於在高電流和高電壓下工作，並且通常用於AC電流到DC電流的整流以及AC電流頻率與幅值的調整。通常將晶閘管可以分為可控矽整流器（通常稱為晶閘管）和柵極關斷晶閘管（GTO），以上均屬於高功率器件。

MOSFET屬於晶體管的一種，與標準雙極晶體管之間的基本區別在於源極–漏極電流由柵極電壓控制，使其工作比需要高基極電流導通的雙極晶體管更節能。此外，它具有快速關閉功能及允許高頻率切換，由於工作環境可以承受更高的溫度，特別適用於家用電器，汽車和PC電源的電源設計。

IGBT將雙極晶體管的某些特性與單個器件中的MOSFET的特性結合在一起。IGBT與MOSFET有顯著差異，製造起來更具挑戰性。IGBT器件可以處理大電流（如雙極晶體管）並受電壓控制（如MOSFET），使其適用於高能量應用，如變速箱，重型機車，大型船舶螺旋槳等。

▲各功率半導體的主要特性及應用場景

全球市場規模平穩增長，國內市場需求有望保持高速增長。功率半導體作為電子設備中最基礎的元器件，應用領域極其廣泛。從市場規模來看，根據IHSMarkit數據，2018年全球功率半導體市場規模約為400億美元，預計到2021年市場規模將增長至441億美元，年複合增速為4.1%。中國是全球最大的功率半導體消費市場，未來有望保持高速發展，根據IHS Markit數據，2018年國內市場規模達到138億美元，增速為9.5%，佔全球需求比例高達35%，預計未來中國功率半導體將繼續保持較高速度增長，2021年市場規模有望達到159億美元，年複合增速達4.8%。從增量來源來看，由於下遊新能源以及汽車電子化程度的提升，功率半導體的應用領域已從工業控制和消費電子拓展至光伏、風電、智能電網、變頻家電、新能源汽車等諸多市場，下遊新型領域市場的發展情況是功率半導體未來增量的重要保證。

▲全球功率半導體市場規模及增速

從應用範圍角度看，任何需要電能轉換、電能與信號轉換地方都需要功率半導體。從應用功率大小來看，可以劃分為四大應用場景：

1）消費類電子產品/白色家電，功率範圍10W-100W：功率半導體是消費電子產品中控制充電機制、功率輸出和能效的核心元器件。在白色家電中，優化的感應技術以及變頻需求，也使得功率半導體也是白色家電走向智能化的核心。

2）新能源汽車及數據通信，功率範圍100W-10kW：新能源汽車的電氣化佔比快速提升，目前新能源汽車相比於燃油車電子零組件價值增加5倍以上，新增的功率半導體器件的性能和功率效率是電動汽車運行的關鍵，功率元件主要用於逆變器、電源控制系統。

功率半導體保證數據中心不間斷供電以及電壓穩定方面具有重要作用，主要用於整流，電池充電和DC/AC逆變。UPS是IDC的必需設備，極大程度增加了伺服器系統中功率半導體元件的使用，未來氮化镓的使用和能量比例計算將繼續增加數據中心中功率半導體使用的廣度。

3）可再生能源及交通運輸，功率範圍10kW-1000kW:可再生能源發電也需要高功率半導體，因為可再生能源不規則，需要高的發電效率才能實現經濟可持續發展。以每兆瓦時為基礎，風電場需要比傳統燃煤電站多30倍的功率半導體價值量。

使用IGBT的變速驅動器越來越多地取代工業應用中的傳統電機，因為它們可以顯著提高能效。功率半導體對於工廠的進一步自動化也至關重要，“工業4.0”的革命在很大程度上取決於增加的功率和傳感器半導體內容，以驅動工廠的機器人技術。

4）智能電網和儲能，功率範圍1000kW以上：可再生能源（特別是風能和太陽能）的消納對於智能電網的穩定性帶來了巨大的挑戰，電能的難以存儲也為儲能帶來了更大的難度。有效的能量存儲對於向可再生能源對總發電的更高貢獻的轉變至關重要，並且需要再次有效地轉換電能，即功率半導體。

▲功率半導體按照輸出功率分類的應用場景

功率IC與功率分立器件市場份額佔比接近各半，IGBT、MOSFET在分立器件中佔比較大。在全球功率半導體市場，功率IC和功率分立器件幾乎平分了整個市場份額。根據Yole、IHS、Gartner數據匯總分析，2018年，功率IC和功率器件全球市場份額分別為54%和46%。其中，在功率分立器件市場中，MOSFET和IGBT佔比較大，分別為17%和15%，功率二極管/整流橋佔比稍低，為12%。

▲2018年全球IGBT市場格局

▲ 2018年全球MOSFET市場格局

在中國功率半導體市場，電源管理IC、MOSFET和IGBT合計佔據了95%的市場份額。其中，電源管理IC市佔率高達61%，佔比最大，MOSFET和IGBT市場份額分別為20%和14%。得益於下遊消費電子、新能源汽車、通訊行業近幾年的快速發展，電源管理IC市場保持穩健增長，截止2018年，中國電源管理IC市場規模已達84.3億美元。同時，未來伴隨新能源汽車行業的快速發展，MOSFET和IGBT也將迎來廣闊的成長空間。

▲2018年全球功率半導體產品結構

▲2018年國內功率半導體產品結構

中國為全球最大的消費國和進口國，隨下遊新興領域發展加快，國產替代空間明顯。由於功率半導體下遊應用廣泛，市場普遍認為行業增速彈性不大，整體規模保持穩定。與之有差異的是，我們認為，未來功率半導體將呈現高性能，高增長，高集中度的發展趨勢，主要原因有以下幾點：

1）下遊新興行業增量顯著：下遊以汽車電子為代表的新興應用增速進一步加快，除去傳統電子控制系統外，電驅、電控、電池三大件對於功率半導體的需求量爆發式增長，假設2025年新能源汽車市場規模達到150億元，按照汽車電子化率30%測算，僅在新能源汽車中的電子元器件增量為50億元；

2）自給率仍然偏低，替代空間巨大：國內需求增加的同時，自給率不足20%，從國內外產業鏈的對比來看，假設自給率達到50%，國內至少仍有50億美元的市場空間增量；

3）未來集中度會進一步提升，產品碎片化將有所改善：由於產品種類繁多，總體較為碎片化，但部分高端產品如IGBT、MOSFET產品性能和技術壁壘同步提升，下遊對高端產品的依賴度會隨之增加，細分領域集中度提升是必然趨勢。

▲2018年全球功率半導體市場份額

▲2018年中國功率半導體市場份額

三、第三代半導體材料是功率半導體躍進的基石

第三代半導體材料以碳化矽、氮化镓為代表，極具性能優勢。第三代半導體材料是指帶隙寬度明顯大於Si的寬禁帶半導體材料，主要包括SiC、GaN、金剛石等，因其禁帶寬度大於或等於2.3電子伏特，又被稱為寬禁帶半導體材料。和第一代、第二代半導體材料相比，第三代半導體材料具有高熱導率、高擊穿場強、高飽和電子漂移速率和高鍵合能等優點，可以滿足現代電子技術對高溫、高功率、高壓、高頻以及高異塵餘生等惡劣條件的新要求。第三代半導體材料在航空、航天、光存儲等領域有著重要應用前景，在寬頻通訊、太陽能、汽車製造、半導體照明、智能電網等眾多戰略行業可以降低50%以上的能量損失，最高可以使裝備體積減小75%以上，是半導體產業進一步躍進的基石。

▲三代半導體材料主要特徵

半導體材料經歷了三次明顯的換代和發展。第一代半導體材料是Si、Ge等單質半導體材料，由於其具有出色的性能和成本優勢，目前仍然是集成電路等半導體器件主要使用的材料；第二代半導體材料以GaAs和InP等材料為代表。第二代半導體材料在物理結構上具有直接帶隙的特點，相對於Si材料具有光電性能佳、工作頻率高、抗高溫、抗異塵餘生等優勢，可以應用於光電器件和射頻器件；第三代半導體材料以GaN和SiC等材料為代表。1969年實現了GaN單晶薄膜的製備。1994年中村修二研發了第一支高亮度的GaN基藍光LED。1891年，SiC晶體被人工合成。1955年，飛利浦實驗室的Lely發明SiC的升華生長法(或物理氣相傳輸法，即PVT法)，後來經過改進後的PVT法成為SiC單晶製備的主要方法。

材料分子結構導致先天性能優勢。第三代半導體材料相對於Si材料具有：禁帶寬度更大、電子飽和飄移速度較高等特點，製作出的半導體器件擁有光電性能優異、高速、高頻、大功率、耐高溫和高異塵餘生等特徵，具備應用於光電器件、微波器件和電力電子器件的先天性能優勢。

▲第三代半導體與矽的特性對比

GaN襯底技術難度較大，光電子領域中較為成熟。目前，SiC襯底技術相對簡單，主要製備過程大致分為兩步：第一步SiC粉料在單晶爐中經過高溫升華之後在單晶爐中形成SiC晶錠；第二步通過對SiC晶錠進行粗加工、切割、研磨、拋光，得到透明或半透明、無損傷層、低粗糙度的SiC晶片（即SiC襯底）。GaN襯底的生長主要採用HVPE（氫化物氣相外延）法，製備技術仍有待提升，行業產量較低，導致GaN襯底的缺陷密度和價格較高，目前只有雷射器等少數器件採用GaN同質襯底；GaN電力電子器件的襯底主要採用Si襯底，部分企業採用藍寶石襯底，GaN同質襯底的器件在研發中；GaN射頻器件主要是SiC高純半絕緣襯底，少數企業採用Si做襯底；GaN光電子器件是GaN材料最成熟的領域，基於藍寶石、SiC和Si襯底的藍寶石LED產業已經進入成熟階段。

高技術門檻導致第三代半導體材料市場以日美歐寡頭壟佔，國內企業在SiC襯底方面以4英寸為主。目前，國內已經開發出了6英寸導電性SiC襯底和高純半絕緣SiC襯底，山東天嶽公司、北京天科合達公司和河北同光晶體公司分別與山東大學、中科院物理所和中科院半導體所進行技術合作與轉化，在SiC單晶襯底技術上形成自主技術體系。國內目前已實現4英寸襯底的量產；同時山東天嶽、天科合達、河北同光、中科節能均已完成6英寸襯底的研發；中電科裝備已成功研製出6英寸半絕緣襯底。在GaN襯底方面，國內企業已經可以小批量生產2英寸襯底，具備4英寸襯底生產能力，並開發出6英寸襯底樣品。目前已實現產業化的企業包括蘇州納米所的蘇州納維科技公司和北京大學的東莞市中镓半導體科技公司，其中蘇州納維目前已推出4英寸襯底產品，並且正在開展6英寸襯底片研發。

先進半導體材料已上升至國家戰略層面，2025年目標滲透率超過50%。底層材料與技術是半導體發展的基礎科學，在2025中國製造中，分別對第三代半導體單晶襯底、光電子器件/模塊、電力電子器件/模塊、射頻器件/模塊等細分領域做出了目標規劃。在任務目標中提到2025實現在5G通信、高效能源管理中的國產化率達到50%；在新能源汽車、消費電子中實現規模應用，在通用照明市場滲透率達到80%以上。

▲2025第三代半導體材料發展目標

摩爾定律在矽時代6nm已接近效能極限。“摩爾定律”在過去的幾十年中是集成電路性能增長的黃金定律。其核心內容：價格維持不變時，集成電路上可容納的元件數目，約每隔18-24個月便會增加一倍，性能也將提升一倍。根據ITRS的觀點，傳統的矽晶體管微縮至6納米已達極限。以矽材料為根基的摩爾定律即將失效。若半導體仍以摩爾定律趨勢發展，則需要在底層材料中形成突破。美國、歐盟、日韓等國家和地區組織已經通過制定研發項目的方式來引導產業發展。

▲摩爾定律：1971-2018年集成電路晶體管數量變化

超越摩爾定律，新材料是突破路徑之一。目前市面上超過99%的集成電路都是以第一代元素半導體材料之一，矽(Si)、鍺(Ge)材料在20世紀50年代有過高光時刻，廣泛應用於低壓、低頻、中功率晶體管以及光電探測器中，但到了60年代後期因耐高溫和抗異塵餘生性能較差，工藝更難、成本更高逐漸被矽材料取代。第三代寬禁帶半導體材料(SiC、GaN等)，因其禁帶寬度(Eg)大於或等於2.3電子伏特(eV)而得名。第三代半導體材料具有優越的性能和能帶結構，廣泛用於射頻器件、光電器件、功率器件等製造，具有很大的發展潛力。目前第三代半導體材料已逐漸滲透5G、新能源汽車、綠色照明等新興領域，被認為是半導體行業的重要發展方向。

美歐等經濟體持續加大化合物半導體投入。2018年，美國、歐盟等國家和組織啟動了超過15個研發項目。其中，美國的研發支持力度最大。2018年美國能源部（DOE）、國防先期研究計劃局（DARPA）、和國家航空航天局（NASA）和電力美國(Power America)等機構紛紛制定第三代半導體相關的研究項目，支持總資金超過4億美元，涉及光電子、射頻和電力電子等方向，以期保持美國在第三代半導體領域全球領先的地位。此外，歐盟先後啟動了“矽基高效毫米波歐洲系統集成平台（SERENA）”項目和“5GGaN2”項目，以搶佔5G發展先機。

▲各國第三代半導體領域研發項目

四、新基建視角：5G射頻端需求帶動GaN爆發式增長

5G宏基地台將加速GaN取代LDMOS市場份額。5G商用宏基地台將以64通道的大規模陣列天線為主，單基地台PA（射頻功率放大器）需求量接近200個，目前基地台用功率放大器主要為LDMOS(橫向擴散金屬氧化物半導體)技術，但是LDMOS技術適用於低頻段，在高頻領域存在局限性。5G基地台GaN射頻PA將成為主流技術，對LDMOS的市場份額有一定的擠壓，GaAs器件份額變化不大。GaN能較好的適用於大規模MIMO（多輸入多輸出Multi InputMulti Output）通道，根據Yole的預計，2023年GaN RF在基地台中的市場規模將達到5.2億美元，年複合增長率達到22.8%。未來隨著GaN技術進步和規模化發展，GaN PA滲透率有望不斷提升，預計到2023年市場滲透率將超過85%。

▲GaN將逐步取代LDMOS市場份額

▲2019年起5G基地台將走向建設高峰

射頻器件數量成倍上升成為後續主要增長動力。2018年基地台領域GaN射頻器件規模為1.5億美元，佔GaN射頻器件市場的33%的份額。5G時代基地台領域的射頻器件將以GaN器件為主，隨著5G通信的實施，2020年市場規模會出現明顯增長。並且，為了充分利用空間資源，提高頻譜效率和功率效率，大規模多輸入多輸出（Massive MIMO）技術應運而生，通過在基地台側安裝幾百上千根天線，實現大量天線同時收發數據，為此將帶動功率放大器等射頻模塊的需求，使得GaN射頻器件的規模不斷增長。

▲GaN射頻器件需求量

▲Massive MIMO在5G中將大量出現

含有GaN的基地台PA有望實現爆發式增長。目前我國5G宏基地台使用的PA（Power Amplifier，功率放大器）數量在2019年達到1843.2萬個，2020年有望達到7372.8萬個，同比增長有望達到4倍。預計今年，基於GaN工藝的基地台PA佔比將由去年的50%達到58%。在此背景下，以華為為代表的通信設備廠商加大基地台PA的自研力度和採購數量，未來市場規模有望進一步擴大。對於華為巨大的基地台和手機PA用量來說，依然以外購為主，而在當下貿易限制的大背景下，正在加大來自中國本土的PA供應量，國內GaN領域公司望受益。

4G時代小基地台（Small Cells）已有爆發式增長，產品性能優勢明顯。小基地台可更加有效改善室內深度覆蓋、增加網絡容量、提升用戶感知，是網絡部署的重要組成部分。4G時代，能夠有效覆蓋室內或者熱點區域的小基地台獲得了快速發展。小基地台借鑒了WLAN的網絡架構，引入了Femtocell（飛站），分流宏蜂窩流量壓力，並解決室內覆蓋難的問題。隨著小基地台應用範圍擴大，以及產品類型豐富，小基地台分類包括室外Micro、室內的Pico、分布式Pico、Femtocell等，從產品形態、發射功率、覆蓋範圍等方面，都相比傳統宏站小很多。皮站（Pico）具有低成本、易部署的綜合優勢。主要為企業級應用，針對室內公共場所。飛站（Femtocell）主要為家庭級應用，外表美觀，具有易安裝、易配置，管理傻瓜化的特點。從統計上來看，絕大多數的數據業務發生在室內或熱點區域。相比宏基地台，小基地台可有效改善室內深度覆蓋、增加網絡容量、提升用戶感知，因而越來越受到業界的關注。

▲ 小基地台設備形態及應用場景

目前採用“宏基地台為主，小基地台為輔”的組網方式，是網絡廣深覆蓋的重要途徑。宏蜂窩基地台一般有3個扇區，微蜂窩基地台一般只有1個扇區。宏基地台和小基地台的區別在於，小微基地台設備統一都裝在電源櫃裡，一個櫃子加天線即可實現部署，體積較小。宏基地台需要單獨的機房和鐵塔，設備，電源櫃，傳輸櫃，空調等分開部署，體積較大。一方面，5G主要採用3.5G及以上的頻段，在室外場景下覆蓋範圍更小，受建築物等阻擋，信號衰減更加明顯，宏基地台布設成本較高。另一方面，由於宏基佔用面積較大，布設難度較高，站址選擇難度增大，而小基地台體積小，布設簡單，可以充分利用社會公共資源快速部署。5G室外場景下，小基地台和宏基地台配合組網，實現成本和網絡性能最優將是重要的發展思路。

5G正式開啟小基地台市場，高功率高頻段需求進一步提升GaN滲透率。目前針對4G和LTE基地台市場宏基地台主要採用SiLDMOS功率放大器，小基地台主要採用GaAs功率放大器，但GaN功率放大器的滲透率將不斷提高。然而，LDMOS功率放大器的帶寬會隨著頻率的增加而大幅減少，僅在不超過約3.5GHz的頻率範圍內有效，相比之下，GaN射頻器件更能有效滿足高功率、高通信頻段和高效率等要求。隨著5G的推進，在小基地台以及微基地台市場，GaAs功率放大器憑借性能優勢和較低的成本也有望佔據部分市場。根據Yole預測，GaAs射頻器件市場總額預計到2022年將達到8.576億美元，其中。同時GaN射頻器件的市場規模將從2017年3.8億美元到2023年增長至13億美元，GAGR超過20%，最主要的增量也是來自於基地台的應用。

五、消費電子視角：高效能、小體積加速GaN消費電子中的應用

GaN三個特點大幅提升效率：開關頻率高、禁斷寬度大、更低的導通電阻。開關頻率是指充電頭內部晶閘管，可控矽等電子元件，每秒可以完全導通、斷開的次數。變壓器恰好是充電器中體積最大的元器件之一，佔據了內部相當大的空間。開關的頻率高可使用體積更小的變壓器。使用氮化镓作為變壓元件，變壓器和電容的體積減少，有助於減少充電頭的體積和重量。禁帶寬度直接決定電子器件的耐壓和最高工作溫度，禁帶寬度越大，器件能夠承載的電壓和溫度越高，擊穿電壓也會越高，功率越高。更低的導通電阻，直接表現為導電時的發熱量。導通電阻越低，發熱量越低。

2018年ANKER將GaN帶出實驗室。2018年10月25日ANKER在美國紐約發布了一款劃時代的新品—“ANKER Power Port Atom PD1”GaN充電器，由於其搭載了高頻高效的GaN（氮化镓）功率器件而備受業界關注。該款產品也是首次將第三代半導體技術應用在充電設備上，從而將相關技術從實驗室帶向應用市場。

主流廠商依次跟進，高功率，小體積成最明顯優勢。小米於2020年2月發布了GaN充電器Type-C65W，能夠為小米10Pro最高提供50W的充電功率，小米10Pro搭配其使用從充電至100%僅需45分鐘。同時，它支持小米疾速閃充、PD3.0等快充協議，並且還支持全系iPhone快充，官方表示，使用小米GaN充電器Type-C65W為iPhone11充電，充電速度比原裝5W充電器提升約50%。得益於新型半導體材料GaN的加持，Type-C65W的體積比小米筆電標配的適配器減小約48%。此外，小米Type-C65W的USB-C接口支持多個檔位的智能調節輸出電流，能為新款MacBookPro、小米筆電等大功率設備進行最大65W充電，還能兼容大多數Type-C接口的電子設備，包括Switch等。產品搭載E-Marker芯片，最大支持5A電流。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Pump Express技術、華為Super Charge技術、vivo SUPER Flash Charge技術和USB3.1PD充電技術等。

▲各充電方案對比

從消費電子快充市場來看，未來隨快充需求與GaN滲透率不斷提升，2022年市場規模有望達到87.74億元。隨著5G手機各類參數不斷提升，內部射頻、處理器、螢幕的耗電量在直線上升，電子產品對快充的需求日益提升。多家廠商發布GaN快充後，目前的售價大部分用戶已經可以接受，未來滲透率有望逐步提升。假設智能手機未來三年GaN快充滲透率為1%、3%、5%，可穿戴需求度相對手機端有所降低，三年的滲透率為0.5%、1%、2%；我們預計2020年全球GaN充電器市場規模為24.41億元，2022年有望達到87.74億元。

▲智能手機與可穿戴設備中GaN快充測算

新能源汽車轉捩點已至，發展路徑複製智能手機。新能源汽車的競爭格局已出現明顯變化，政策端：全球節能減排，碳排放成國際談判的重要籌碼，國六排放的實行，加速新能源汽車替代傳統燃油車。供給端：全球主流廠商規劃將未來重點發展方向放到NEV，有保有量加速提升，目前全球有超過150家車廠已有規劃EV新車上市；在自動駕駛水準方面，2019年L2+級別自動駕駛產品在部分車型中已成為標配，部分車型仍需要選裝，未來L3級別的自動駕駛有可能會在2020年後正式上市，從供給端來看，智能化水準在加速提升。需求端：新能源汽車的邊際變化來源有兩點：車載娛樂及駕乘體驗，純電動與自動駕駛帶來的獨特駕駛體驗，車聯網的落地及人車手機生態化的構建，是娛樂化需求的來源。

▲不同自動駕駛級別所對應的智能程度

汽車電子化程度上升是必然趨勢，直接帶動汽車產業鏈價值遷移。汽車電子是車體汽車電子控制裝置和車載汽車電子控制裝置的總稱。其中控制裝置包括動力總成控制、底盤和車身電子控制等；車載電子裝置包括汽車信息系統導航系統、車載通信系統、車載網絡等。從傳統燃油動力車型轉向電池動力的過程中，汽車電子化程度將呈現大幅提升，其中兩類需求增長最為迅速：1）以智能駕駛為長期驅動力的安全系統（ADAS），是未來實現無人駕駛的重要保障；2）以智能座艙位代表的車載電子、車載通信，是建設車聯網及物聯網的基礎需求。

▲汽車電子佔整車成本未來趨近50%

▲新能源汽車是電子化的重要標誌

汽車電子市場規模快速發展，國內市場有望超千億。隨著汽車智能化、車聯網、安全汽車和新能源汽車時代的到來，汽車電子市場規模不斷擴大，從汽車音響空調電子顯示屏等，目前已轉向助力包括安全系統、娛樂信息系統、車內網絡、動力系統等汽車其他相關部件發展上，未來汽車電子市場發展空間還將進一步增加，汽車電子將成為半導體應用的主要增長點。根據中國汽車工業協會數據，2020年全球汽車電子產品市場的產業規模預計將達到2400億美元，其中我國汽車電子市場規模將超過1058億美元。

▲全球與國內汽車電子市場規模（億美元）

第三代半導體材料功率器件對於電機、電控、電池三大核心元件的效率提升具有重要意義。從燃油車和新能源車兩方面看：在國六排放要求背景下，主流車廠選擇以48V輕混作為過度時期的解決方案；在新能源車型中，目前混動新能源汽車佔新能源汽車總量的80%以上，電機與電控是核心元器件。GaN可用於48VDC/DC以及OBC(On Board Charger車載充電機)。據Yole的預測，2023年該領域的市場規模將達到2500萬美元。新能源汽車無疑是電力電子設備市場的主要驅動力，也是不同技術路線（Si、SiC和GaN）的主要爭奪市場。

汽車電子涉及高功率的驅動系統與低功率的控制系統，目前解決方案並不統一。從技術上而言，GaN功率器件在48V的混合動力汽車領域將擁有較強的競爭力：SiC更適合大功率主逆變器，Si基GaN功率電子技術更適合小功率DC/DC和AC/DC轉換器。預計到2025年，大部分的輕型車將採用48V逆變器。同時GaN功率器件也可用於車載充電器（OBC）。目前部分企業正在設計與SiC與GaN兼容的OBC解決方案，若GaN方案的成本和技術足夠成熟，GaN在新能源汽車OBC上的使用可能性將會大大提升。

未來前景看好，目前穩定性仍待提高。由於在新能源汽車的應用中，功率需求相對較大，如在混合動力車型上，包含動力系統在內的電子元器件的成本佔比已經達到50%，對器件穩定性和可靠性的要求非常高，需要較長時間的質量認證過程，在此過程中需要投入大量的研發經費；而SiC功率器件也將在如新能源汽車等領域與GaN功率器件的形成直接的競爭。在這種情況下，GaN功率器件在新能源汽車領域的應用發展可能還需要較長時間。另外，（汽車）雷射雷達、數據存儲中心、包絡追蹤等應用都是GaN功率器件新興的應用市場，基於GaN功率器件的性能優越性，未來市場預期較好，據Yole的預測，上述應用市場在未來5年的年均增速超過65%，部分廠商會已經在高端設備上採用GaN功率器件。因此GaN功率器件未來的市場發展情況除了受到現有的既定市場的影響之外，新興市場的影響力也不容忽視。

智東西認為， 5G對高功率射頻的需求，手機和筆電對高效輕小快充的需求將在2020-2021年爆發，疫情對深紫外UVC的需求將在2020年短期內集中爆發。中長期來看，三類需求面對的都是GaN器件的藍海市場，具有可觀的增長空間。