小小一顆快充捧紅一個產業


今年2月小米透過線上發表會推出10及10 Pro系列手機,但更引人注目的是另一款售價人民幣(以下同)149元的Type-C 65W氮化鎵GaN充電器,體積極為輕巧、只有唇膏大小。早在去年11月,OPPO發表新手機RenoAce時即已率先搭載氮化鎵快充;CES2020展時,ANKER等30家廠商共推出66款GaN快充充電器;2月25日倍思推出全球第一款氮化鎵+碳化硅充電器眾籌成功。


小米65W氮化鎵GaN充電器。

但日前小米的發布會不僅讓氮化鎵技術再度受到矚目,更帶動21檔氮化鎵相關概念股全線大漲,市值一天增近300億元,似乎宣告消費性電子產品引入氮化鎵技術的時代已正式到來。

一、何謂第三代半導體?

(一)5G及快充扮推手
半導體材料發展歷經三個主要階段,除眾所皆知的以硅(Si)為代表的第一代半導體材料外,還有以砷化鎵(GaAs)為代表的第二代半導體,及以氮化鎵(GaN)、碳化硅(SiC)等寬禁帶為代表的第三代半導體材料。全球95%以上的半導體晶片和器件都是以硅材料為基礎的硅基半導體,但隨著5G、物聯網及新能源汽車等時代的到來,以砷化鎵、氮化鎵及碳化硅等為代表的化合物半導體快速崛起。

氮化鎵不僅在高功率和高速元件等之應用上比起硅元件有更好的性能,相較於砷化鎵電晶體,氮化鎵可以在更高的溫度和更高的電壓下工作,是非常理想的微波功率放大元件。5G通訊的射頻前端對高頻和高效率有極其嚴格之要求,正好讓氮化鎵可以發揮英雄用武之地;而行動裝置的快充需求也將驅動氮化鎵功率元件的快速商用落地。

(二)氮化鎵為生活帶來什麼改變
Apple於2017年推出iPhone X手機時取消Home鍵與指紋識別功能,率先使用基於垂直共振腔面射型雷射(VCSEL)的3D感測人臉辨識Face ID技術,使用的就是由第二代化合物半導體砷化鎵製造的VCSEL晶片。

與砷化鎵相比,氮化鎵更耐高溫與高壓,前者適用於小功率器件、後者則可應用於高功率的國防、衛星通信及無線通信基站等領域;拜5G商用落地、自駕車與AI物聯網等產業即將蓬勃之賜,氮化鎵可望繼砷化鎵之後成為半導體材料的明日之星。

射頻、功率及光電器件是氮化鎵目前三大主要應用領域。

氮化鎵元件可以以更高的速度發射雷射信號,因此在自駕車的LiDAR系統及360度全景均可以發揮很好的作用;由氮化鎵電晶體支援的無線充電技術不僅可以讓汽車的中央控制台對車內的整套資訊、娛樂和導航系統充電,更可以讓我們在家裏對所有的照明、電視及其他家電產品進行無線充電。

此外,採用氮化鎵電晶體的無線充電也可以對人體植入式醫療儀器進行非接觸式充電;例如心臟泵浦及糖尿病人所需的疼痛閃爍感測器等、大幅減低病人感染機會。

充電頭網整理了ANKER、AUKEY、Baseus、MI、OPPO、RAVPower、ROxANNE、SlimQ等12款市售熱門氮化鎵快充,其中65W氮化鎵充電器的零售價泰半在人民幣200元幣以上,日前小米直接將之拉低至149元,對氮化鎵的儘速商用發揮重要的臨門一腳功能。

二、全球氮化鎵市場概況

射頻、功率及光電器件是氮化鎵目前三大主要應用領域,GaN射頻器件非常適合於高頻高功率應用場景,5G基站、衛星通信及軍用雷達等是最主要應用;GaN功率器件在高頻、高轉換效率、低損耗及耐高溫上具有極大優勢,因此可廣泛應用於快充及新能源汽車;而LED、VCSEL傳感器等則是氮化鎵在光電領域裏的最主要應用。

據Yole統計,2018年全球GaN射頻器件市場規模為6.32億美元,預計到2024年市場規模可達20.2億美元,年複合增長率逾21%;其中國防及5G基站是兩最大應用領域,2018年市場占比分為52.4%及37.8%;2024年,國防、無線基站領域GaN射頻器件的市場規模將分別達10.53億及7.16億美元。

 除射頻市場外,氮化鎵在電源管理上具備體積輕巧及高功率等優勢、非常適合發展快充;中信證券預估,未來GaN快充市場規模將快速上升,預計2020年全球GaN充電器市場規模約人民幣23億元,2025年將快速上升至638億、年平均複合增長率高達94%。拜三大應用領域即將蓬勃發展之賜,RESEARCH AND MARKETS樂觀預測,氮化鎵器件主要上游材料GaN襯底,2022年全球需求至少30萬片以上、年複合增長率高達34%。

三、大陸積極布局第三代半導體材料

國務院在其2015年5月印發的中國製造2025報告中四次提到以碳化硅、氮化鎵為代表的第三代半導體功率器件;隔年9月科技部針對5G通信需求,將GaN射頻器件關鍵技術列入國家重點研發計劃。 2015年9月在國家科技部、工信部及北京市科委等單位支持下,科研機構、大專院校和龍頭企業發起籌建「第三代半導體產業技術創新戰略聯盟」,並於2018年7月正式發布中文版的第三代半導體電力電子技術路線圖,分別從襯底/外延/器件、封裝/模塊、SiC應用及GaN應用等四方面展開論述。

去年8月2日第三代半導體產業技術創新戰聯盟在保定召開了《GaN微波射頻技術路線圖(2020-2035年)》工作方案研討會,並正式啟動《GaN微波射頻技術路線圖(2020-2035年)》的編寫工作。

整體而言,大陸第三代半導體產業發展初步形成京津冀、長三角、珠三角、閩三角及中西部等五大重點發展區域;從2015年下半年至2018年底,從已披露的第三代半導體項目投資總額來看,五大地區的投資額占比分為長三角區域63%、中西部區域14%、京津冀6%、閩三角5%及珠三角區域2%。

四、大陸氮化鎵產業發展概況

(一)完整的上下游產業鏈
大陸氮化鎵發展起步雖不算晚,但在部分細產業領域上仍存有一定技術差距;氮化鎵射頻領域目前仍由由美、日兩國企業所主導,其中又以美商Cree居首,恩智浦及日商住友等緊追在後,大陸則有13所及55所兩個國家隊與三安光電等。

氮化鎵硅基襯底國外主要供應商有德國Siltronic及日本信越化學與勝高等,日本NTT-AT、英國IQE和比利時的EpiGaN等則是硅基氮化鎵外延片的主要供應商。生產製造方面,目前IDM廠商較多,包括有德國英飛凌、美國Cree、美國Avogy、美國Exagan和日本三菱電機等均是;Bridg、富士通及台積電則是以功率氮化鎵器件之代工製造為主(日前台積電與意法半導體合作將加速GaN製程技術之研發)。


意法半導體。

近來,大陸亦開始積極進行氮化鎵上下游產業鏈布局,GaN襯底供應商有納維科技及東莞中鎵,目前已具備4英吋襯底生產能力並向6英吋進軍;外延片廠商則有蘇州晶湛及耐威旗下的聚能晶源(去年9月成功開發8英吋硅基氮化鎵外延晶圓)等。

三安光電及海威華芯則是陸系代工廠主要代表,三安光電旗下子公司三安集成已經能提供成熟的GaN射頻/功率代工工藝;海威華芯則是大陸氮化鎵芯片專利技術的第一梯隊,專利總數達249項;目前已建成國內首條6吋化合物半導體商用生產線,完成砷化鎵(GaAs)、氮化鎵(GaN)、碳化硅(SiC)及磷化銦等在內的六項工藝產品的開發;產能方面,砷化鎵晶圓規劃產能每月2,000片、氮化鎵規劃產能每月600片。

(二)康佳劍指Micro LED
最下游的終端應用除小米等積極透過投資方式(小米的氮化鎵充電器採用投資合作廠商納微的技術)布局搶灘快充市場外,另一家家電大廠康佳則主攻氮化鎵光電應用領域。

2019年9月康佳出資人民幣15億元與重慶兩山產業投資有限公司合資成立重慶光電技術研究院,同年,康佳重慶半導體光電產業園奠基;重慶康佳光電技術研究院主要聚焦Micro LED材料、工藝、產品、設備的技術開發,今年的CES展會上,康佳亮相的APHAEA未來屏Smart Wall應用的就是Micro LED技術。

小米利用氮化鎵功率器件開發完成快充產品,重慶光電技術研究院則是利用氮化鎵芯片作為Micro LED的發光芯片;藍色與綠色Micro LED發光芯片使用的半導體材料就是氮化鎵,康佳在Micro LED芯片的研發上已取得初步突破,申請的全球專利超過100項。

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