氮化镓：第三代半导体战略资源，核心环节龙头梳理

2023-07-09 02:42:07半导体

2023 年 7 月 3 日，中国商务部、海关总署发布关于对镓、锗相关物项实施出口管制的公告，自 2023 年 8 月 1 日起正式实施。

公告对镓相关的金属镓、氮化镓、氧化镓、磷化镓、砷化镓、铟镓砷、硒化镓、锑化镓共 8 类物项以及锗相关的金属锗、区熔锗锭、磷锗锌、锗外延生长衬底、二氧化锗、四氯化锗共 6 类物项进行出口管制，出口经营者需要按照相关规定办理出口许可手续，获得出口许可证后方可进行出口贸易经营。

商务部也说明，镓、锗相关物项具有明显的军民两用属性，对镓和锗实行出口管制措施目的是为了维护国家安全和利益，这也在关键战略资源领域保障了自己的话语权。#有色金属##氮化镓##半导体#

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镓行业概览

镓是一种小金属，在自然界分布极散，多以伴生矿的形式存在，含量较低，目前我国90%的原生镓都是氧化铝工业的伴生产品。

镓的来源主要有原生镓提取和再生镓两种途径，随着半导体生产工艺的完善，废料会逐渐减少，再生镓的比例会进一步降低，未来市场主要以原生镓为主。

目前80%的镓用于生产砷化镓和氮化镓，两者分别是第二代和第三代半导体材料的代表，其主要原料为金属镓。

中国是全球第一大金属镓生产国，2022 年产量全球占比高达 98%。日本、德国和荷兰是我国金属镓前三大出口国，海外厂商对我国金属镓供应依赖性较强，中国在上游原料供应端拥有较强话语权。

镓的下游产品主要有半导体材料、半导体发光元件、集成电路、晶体管、射频器件（应用于5G、国防通讯等）、功能合成材料、温度计、CIGS薄膜太阳能电池等。

本文重点梳理氮化镓产业链上下游核心环节，市场格局以及龙头代表厂商。

氮化镓行业概览

氮化镓是第三代半导体材料的代表，拥有优良的物理特性，它的禁带宽度为硅的3.1倍，击穿场强为硅的11倍，最高工作温度为硅的3.75倍。

相对于Si、GaAs、SiC制成的器件，GaN器件可以在更高频率、更大功率、更高温度下工作。在功率器件领域，相对适用于高温大功率电路的SiC，GaN更适用于900V以下的高频小电力领域。

就成本而言，GaN比硅售价更低。GaN器件与硅器件可以在同一工厂用相同的制造程序生产。GaN器件小于硅器件，每个晶片可以生产更多的器件，从而降低了每个晶片的成本。

目前其主要应用方向可分为电力电子领域、射频电子领域以及光电子领域。

GaN适合高频高功率：

资料来源：Yole，Analog

氮化镓产业链

行行查 | 行业研究数据库资料显示，氮化镓产业链与碳化硅类似，主要包括单晶衬底、外延层生长、器件设计、制造。

氮化镓产业链：

资料来源：36Kr、国海证券研究所

上游主要包括衬底与外延片的制备。衬底的选择对于器件性能起关键作用，衬底也占据了大部分成本，因而衬底是GaN器件降低成本的突破口。

衬底

目前市场上GaN晶体管主流的衬底材料为蓝宝石、SiC和Si，GaN衬底由于工艺、成本问题尚未得到大规模商用。蓝宝石衬底一般用于制造蓝光LED，通常采用MOCVD法外延生长GaN。

GaN衬底目前仍然以2-4英寸为主，外延片6英寸开始商用，8英寸已试制成功。材料尺寸的增加将带来更大产能和更低成本。

市场格局方面来看，海外主要厂商包括日本住友电工、日本三菱化学、日本住友化学等，三家日本厂商合计占比超过85%。

国内目前实现GaN衬底产业化的企业主要有苏州纳维、中镓半导等公司。

其中，苏州纳维目前已可以实现2英寸GaN单晶的量产，并完成了4英寸和6英寸GaN单晶衬底关键技术的研发。

中镓半导已建成国内首家专业的氮化镓衬底材料生产线，可制备出厚度达1100微米的自支撑GaN衬底，并能够稳定生产。

资料来源：华西证券、行行查

外延

由于制备GaN 的单晶材料无法从自然界中直接获取所以GaN的主要制备方法是在蓝宝石、SiC、Si 等异质衬底上进行外延。GaN自支撑衬底在激光器上的应用可获得更高的发光效率品质。

国内目前布局GaN外延的企业主要有苏州晶湛、聚能晶源等公司。

其中，苏州晶湛拟投资2.8亿元进行氮化镓外延片异地扩建项目，预计2023年建成投产，可实现年产氮化镓外延片24万片，同时拟投资1000万元进行原厂扩产，建成后，预计年新增氮化镓外延片1万片，其中6英寸和8英寸氮化镓外延片年产能分别新增5000片。

聚能晶源已掌握业界领先的8英寸GaN-on-Si、6英寸GaN-on-SiC外延技术，可以为客户提供符合业界标准的高性能GaN外延晶圆产品。

器件

氮化镓是目前能同时实现高频、高效、大功率的代表性器件，在5G基站、新能源充电桩等新基建代表中均有所应用。

氮化镓器件可实现高效电能转换，助力实现光伏、风电、特高压输电、新能源汽车等诸多领域的高效电能转换，推动绿色低碳发展。

氮化镓器件主要包括分立器件和集成和系统级芯片集成器件。

分立器件主要包括增强模式(E-Mode) GaN晶体管和耗尽模式(D-Mode) GaN晶体管。

当GaN功率器件（GaNFET）替代MOSFET用于快充器件，快充器件可以充分发挥出GaN器件的开关频率高、能量密度高、能量转化效率高等特点，对于终端消费者来说是更高效率、更小体积、更低发热、更方便携带的充电设备。

集成和系统级芯片集成指的是由各种功能性集成块组成的具有一定功能的器件。其体积较小，已被广泛的应用于各种电子行业。

GaN射频器件市场格局方面来看，呈现三足鼎立的竞争格局，日本住友、Wolfspeed、Qorvo为主要玩家，市场CR3>80%。日本住友、Wolfspeed与Qorvo分别占据40%、24%与20%的市场份额。其中，Wolfspeed前身Cree于2018年收购了英飞凌的RF部门，成为了全球GaN射频器件的主要提供商之一。