“神奇材料”氮化镓 或将开启IT产业新时代

核心观点

产业发展包括三个周期：技术突破红利期、应用实现扩张期和同质竞争普及期。随着技术普及化和应用层面红利开发殆尽，IT产业已经进入同质化竞争的阶段。氮化镓作为一种应用面广泛的“神奇材料”，或将开启IT产业新时代。

技术突破引领产业新周期

产业发展周期一般包括三个阶段。

第一阶段由技术突破开始。这里所说的技术是广义的概念，包括 科技 、材料、生产工艺等的进步和迭代。技术的突破，意味着原来无法满足的需求可以变成现实，或者以更高效、低成本的方式替代既有的方法来满足需求。在这一阶段，谁拥有“核心 科技 ”就能领先市场。当然，技术突破需要大量的研发投入和可行性实验，一旦方向出错可能导致企业之前的积累化为乌有。

相对安全的是第二个阶段，当新技术已经被验明能够创造新需求（或者提高效率），基于新技术和用户使用场景开发出应用（不仅是APP）就成为主要的扩张模式。无论是早年的Wintel联盟，还是开创移动互联网的苹果公司，都是这一阶段收获最多的公司。

到了第三阶段，技术成熟、场景相对固定，拥有成本优势、营销能力和销售能力的公司将成为主流。这一阶段的竞争也更加激励，消费者可以用最低的价格买到产品和服务，甚至享受到“免费的午餐”。而作为供给端的企业，只能在外观、颜色、尺寸、形状等维度进行微创新，激发用户潜在的非刚性需求了。

至此，产业要想继续发展，需要新一轮技术突破来驱动。而此时市场也呼唤新技术早日成熟，以便为用户创造更多的价值。

IT产业面临瓶颈

2007年，在信息技术（特别是移动信息技术）积累到即将突破时，苹果开创了全新的模式，无论是人机交互、APP，或者APP Store生态，都给用户带来了全新的体验和无限的惊喜。直到2014年iPhone 6和iPhone 6 Plus的出现，将之前IT产业积累的技术红利完全释放。期间，海量用户从PC转移到手机，通讯从2G进入到4G，内容服务从门户到分发……作为用户，在这一期间的感觉是生活欣欣向荣，充满了刺激感和新鲜感。

而此后的五年（2014-2019），随着技术普及，应用层面红利开发殆尽，产业进步的发展速度也慢了下来。企业和用户都感觉好像是下了高铁上了公交，内心充满了焦灼的感觉，期盼产业能够更加快速的迭代。

氮化镓或开启IT产业“新风口”

IT产业的发展方向有两个维度，一是速度越来越快，二是成本越来越低。下一次技术突破，将在这两个方向同时取得进步，释放巨大的技术红利，形成新的风口。

新风口源自一种第三代半导体材料——氮化镓（GaN）。这种“神奇材料”由于其自身具备的材料特性，可广泛应用于芯片制造、通讯、快速充电、无线充电、激光雷达（自动驾驶）以及制作Micro LED显示屏等多个方面。

在芯片领域，最新一代的氮化镓芯片，能够以传统芯片一半的体积，实现三倍的性能。

在通讯领域，为了实现更快的速度和更宽的带宽，通讯频段不断向高频迁移，氮化镓器件能够提供高频通讯网络所需要的功率和效能，并以更小的体积、更快的开关速度、更好的散热能力、更高的温度耐受力、更低的能耗成为新一代通讯器件的基础性材料。

在充电领域，氮化镓拥有远快于现代产品的开关速率，并且在高速开关的情况下保持高效率水平，可以将充电器的体积减少一半以上，而且发热量极大的降低。

无线充电也是氮化镓即将实现突破的重要领域。在使用谐振式耦合线圈驱动的无线充电解决方案中，基于氮化镓的器材能够在高频、高压及高功率下工作，而且具有低功耗、低电磁干扰、尺寸纤薄等特点。无线充电100W的技术方案已经成熟，随着供应链和产业链的成熟，即将进入大规模商用阶段。更有甚者，据公开报道，有公司实验成功了300W的无线充电，如果能够规模应用，将让我们全面进入“无线”时代。

氮化镓制作的器件，在无人驾驶领域也拥有广泛的应用前景。激光雷达（LiDAR）是实现无人驾驶的关键设备，它的原理是发出激光脉冲，并接收从物体上反射的激光，再基于全球定位系统(GPS)和惯性导航系统(INS)在几百米的范围内建立周围环境的模型，尺寸可以精确到厘米级。越快的激光脉冲频率能实现更高的分辨率，而更高的脉冲电流让激光雷达看得更远。氮化镓材器件制作的激光雷达系统能够在极小尺寸上实现以上功能，大大提高了建模的精准度。而且，氮化镓制作的处理器，能够快速地收集、整合、处理来自多个雷达和传感器输入的信号，从而使无人驾驶安全可靠。此外，氮化镓器件还广泛运用于电动 汽车 的 *** 作控制、电压转换、直流交流变频、高强度车灯和充电设备等方面，为实现全方位的无人驾驶提供全面的支持。

利用氮化镓制作的Micro LED显示器材，能够由“花粉粒”大小的芯片，精确控制每个像素独立发光，从而实现在任何角度和任何条件下，屏幕都具有极强的可读性、完美的色彩和均匀自然的亮度（亮度较OLED产品提高30倍），同时还能提供更好的稳定性和更低的能耗。随着Micro LED成本的不断降低，未来将“处处皆是屏幕、时时可以交互”，极大的改变人们获取信息的方式，丰富人们与各种设备交互的场景，真正做到万物互联。

氮化镓器件除了具有卓越的特性，更加重要的是，它可以采用与当前半导体产业链相适应的平面封装结构，随着制造工艺的成熟，总体成本将按照摩尔定律快速降低，性能则翻倍提升。有分析预测，氮化镓器件的成本很快将与传统的硅料器件相当，2019年可能就会迎来这一市场拐点。之后，氮化镓将迅速普及，极大的改变IT产业的“基础设施”。

无论是芯片、通讯器件还是显示器材，氮化镓以一己之力，几乎可以实现整个产业的升级。此外，它还将引领无人驾驶、快速充电产业的迭代，从而实现IT产业外延的扩展。随着新材料的广泛应用，人与人之间、人与万物之间将建立起“即时”的连接，我们正处在这场技术革命的最前沿。

随着市场对半导体性能的要求不断提高，第三代半导体等新型化合物材料凭借其性能优势开始崭露头角，成为行业未来重要增长点。

相对于第一代（硅基）半导体，第三代半导体禁带宽度大，电导率高、热导率高。第三代半导体的禁带宽度是第一代和第二代半导体禁带宽度的近3倍，具有更强的耐高压、高功率能力。

氮化镓(GaN)和碳化硅(SiC)并称为第三代半导体材料的双雄，由于性能不同，二者的应用领域也不相同。

氮化镓、高电流密度等优势，可显著减少电力损耗和散热负载，迅速应用于变频器、稳压器、变压器、无线充电等领域，是未来最具增长潜质的化合物半导体。

与GaAs和InP等高频工艺相比，氮化镓器件输出的功率更大；与LDCMOS和SiC等功率工艺相比，氮化镓的频率特性更好。

随着行业大规模商用，GaN生产成本有望迅速下降，进一步刺激GaN器件渗透，有望成为消费电子领域下一个杀手级应用。

GaN主要应用于生产功率器件，目前氮化镓器件有三分之二应用于军工电子，如军事通讯、电子干扰、雷达等领域。

在民用领域，氮化镓主要被应用于通讯基站、功率器件等领域。氮化镓基站PA的功放效率较其他材料更高，因而能节省大量电能，且其可以几乎覆盖无线通讯的所有频段，功率密度大，能够减少基站体积和质量。

氮化镓在光电子、高温大功率器件和高频微波器件应用方面有着广阔的前景。随着5G高频通信的商业化，GaN将在电信宏基站、真空管在雷达和航空电子应用中占有更多份额。

根据Yole估计，大多数Sub 6GHz的蜂窝网络都将采用氮化镓器件，因为LDMOS无法承受如此之高的频率，而砷化镓对于高功率应用又非理想之选。

同时，由于较高的频率会降低每个基站的覆盖范围，需要安装更多的晶体管，因此市场规模将迅速扩大。

Yole预测，GaN器件收入目前占整个市场20%左右，到2025年将占到50%以上，氮化镓功率器件规模有望达到4.5亿美元。

从产业链方面来看，氮化镓分为衬底、外延片和器件环节。

尽管碳化硅被更多地作为衬底材料（相较于氮化镓），国内仍有从事氮化镓单晶生长的企业，主要有苏州纳维、东莞中镓、上海镓特和芯元基等。

从事氮化镓外延片的国内厂商主要有三安光电、赛微电子、海陆重工、晶湛半导体、江苏能华、英诺赛科等。

从事氮化镓器件的厂商主要有三安光电、闻泰 科技 、赛微电子、聚灿光电、乾照光电等。

GaN技术的难点在于晶圆制备工艺，欧美日在此方面优势明显。由于将GaN晶体熔融所需气压极高，须采用外延技术生长GaN晶体来制备晶圆。

其中日本住友电工是全球最大GaN晶圆生产商，占据了90%以上的市场份额。GaN全球产能集中于IDM厂商，逐渐向垂直分工合作模式转变。美国Qorvo、日本住友电工、中国苏州能讯等均以IDM模式运营。

近年来随着产品和市场的多样化，开始呈现设计业与制造业分工的合作模式。

尤其在GaN电力电子器件市场，由于中国台湾地区的台积电公司和世界先进公司开放了代工产能，美国Transphorm、EPC、Navitas、加拿大GaN Systems等设计企业开始涌现。

在射频器件领域，目前LDMOS（横向扩散金属氧化物半导体）、GaAs（砷化镓）、GaN（氮化镓）三者占比相差不大，但据Yoledevelopment预测，至2025年，砷化镓市场份额基本维持不变的情况下，氮化镓有望替代大部分LDMOS份额，占据射频器件市场约50%的份额。

GaAs芯片已广泛应用于手机/WiFi等消费品电子领域，GaN PA具有最高功率、增益和效率，但成本相对较高、工艺成熟度略低，目前在近距离信号传输和军工电子方面应用较多。

经过多年的发展，国内拥有昂瑞微、华为海思、紫光展锐、卓胜微、唯捷创芯等20多家射频有源器件供应商。

根据2019年底昂瑞微董事长发表的题为《全球5G射频前端发展趋势和中国公司的应对之策》的报告显示，截至报告日，国内厂家在2G/3G市场占有率高达95%；在4G方面有30%的占有率，产品以中低端为主，销售额占比仅有10%。

目前我国半导体领域为中美 科技 等领域摩擦中的卡脖子方向，是中国 科技 崛起不可回避的环节，产业链高自主、高可控仍是未来的重点方向。第三代半导体相对硅基半导体偏低投入、较小差距有望得到重点支持，并具备弯道超车的可能。

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