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原標(biāo)題：《第三代半導(dǎo)體-氮化鎵(GaN)技術(shù)洞察報(bào)告》發(fā)布，氮化鎵正在改變世界 中國(guó)企業(yè)發(fā)力強(qiáng)勁
近日，智慧芽旗下智慧芽創(chuàng)新研究中心最新發(fā)布《第三代半導(dǎo)體-氮化鎵(GaN)技術(shù)洞察報(bào)告》，從技術(shù)角度全面洞察分析了氮化鎵這一產(chǎn)業(yè)的誕生、產(chǎn)業(yè)發(fā)展和未來(lái)突破。
越來(lái)越多的人在使用手機(jī)快充充電器的時(shí)候可能不經(jīng)意間會(huì)發(fā)現(xiàn)氮化鎵（GaN）這個(gè)專(zhuān)業(yè)名詞，實(shí)際上，正是“氮化鎵”這一第三代半導(dǎo)體材料的技術(shù)突破，讓第三代半導(dǎo)體能實(shí)現(xiàn)更多的場(chǎng)景應(yīng)用，例如氮化鎵電子器件具有高頻、高轉(zhuǎn)換效率、高擊穿電壓等特性，讓微顯示、手機(jī)快充、氮化鎵汽車(chē)等有了無(wú)限可能。
12月28日，智慧芽旗下智慧芽創(chuàng)新研究中心最新發(fā)布《第三代半導(dǎo)體-氮化鎵(GaN)技術(shù)洞察報(bào)告》（以下簡(jiǎn)稱(chēng)“報(bào)告”），從技術(shù)角度全面洞察分析了氮化鎵這一產(chǎn)業(yè)的誕生、產(chǎn)業(yè)發(fā)展和未來(lái)突破。
報(bào)告顯示，國(guó)內(nèi)產(chǎn)業(yè)鏈基本形成，產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)相對(duì)聚焦中游，中國(guó)企業(yè)紛紛入場(chǎng)。全球在氮化鎵產(chǎn)業(yè)已申請(qǐng)16萬(wàn)多件專(zhuān)利，有效專(zhuān)利6萬(wàn)多件。其中，保護(hù)類(lèi)型以發(fā)明專(zhuān)利為主，行業(yè)技術(shù)創(chuàng)新度比較高。報(bào)告指出，該領(lǐng)域中美日技術(shù)實(shí)力較強(qiáng)，中美日市場(chǎng)較熱。
在報(bào)告展示的氮化鎵技術(shù)的日常應(yīng)用場(chǎng)景中，豐田與日本名古屋大學(xué)合作開(kāi)發(fā)“全氮化鎵汽車(chē)”，且目前寶馬也已經(jīng)加入氮化鎵汽車(chē)應(yīng)用這一陣營(yíng)；與此同時(shí)，氮化鎵快充走進(jìn)日常生活，華為氮化鎵快充充電器面市，擁有大功率、超級(jí)快充、輕巧便捷的特點(diǎn)，支持手機(jī)、平板、PC電腦等設(shè)備充電。
一、氮化鎵產(chǎn)業(yè)初步形成
氮化鎵（GaN）主要是指一種由人工合成的半導(dǎo)體材料，是第三代半導(dǎo)體材料的典型代表, 研制微電子器件、光電子器件的新型材料。氮化鎵技術(shù)及產(chǎn)業(yè)鏈已經(jīng)初步形成，相關(guān)器件快速發(fā)展。第三代半導(dǎo)體氮化鎵產(chǎn)業(yè)范圍涵蓋氮化鎵單晶襯底、半導(dǎo)體器件芯片設(shè)計(jì)、制造、封測(cè)以及芯片等主要應(yīng)用場(chǎng)景。
氮化鎵應(yīng)用范圍廣泛，作為支撐“新基建”建設(shè)的關(guān)鍵核心器件，其下游應(yīng)用切中了 “新基建”中5G基站、特高壓、新能源充電樁、城際高鐵等主要領(lǐng)域。此外，氮化鎵的高效電能轉(zhuǎn)換特性，能夠幫助實(shí)現(xiàn)光伏、風(fēng)電（電能生產(chǎn)），直流特高壓輸電（電能傳輸），新能源汽車(chē)、工業(yè)電源、機(jī)車(chē)牽引、消費(fèi)電源（電能使用）等領(lǐng)域的電能高效轉(zhuǎn)換，助力“碳達(dá)峰，碳中和”目標(biāo)實(shí)現(xiàn)。
從產(chǎn)業(yè)發(fā)展來(lái)看，全球氮化鎵產(chǎn)業(yè)規(guī)模呈現(xiàn)爆發(fā)式增長(zhǎng)。據(jù)分析機(jī)構(gòu)Yole研究顯示，在氮化鎵功率器件方面，2020年的整體市場(chǎng)規(guī)模為0.46億美元，受消費(fèi)類(lèi)電子、電信及數(shù)據(jù)通信、電動(dòng)汽車(chē)應(yīng)用的驅(qū)動(dòng)，預(yù)計(jì)到2026年增長(zhǎng)至11億美元，復(fù)合年均增長(zhǎng)率為70%。值得一提的是，電動(dòng)汽車(chē)領(lǐng)域的年復(fù)合增長(zhǎng)率高達(dá)185%。在氮化鎵射頻器件方面，2020年的整體市場(chǎng)規(guī)模為8.91億美元，預(yù)計(jì)到2026年增長(zhǎng)至24億美元，復(fù)合年均增長(zhǎng)率為18%。
從產(chǎn)業(yè)鏈看，國(guó)內(nèi)氮化鎵產(chǎn)業(yè)鏈已基本形成，產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)相對(duì)聚焦中游（如圖1），中國(guó)企業(yè)紛紛入場(chǎng)，主要代表企業(yè)分布在全國(guó)各地（如圖2）。
圖1：全球氮化鎵產(chǎn)業(yè)鏈圖譜（來(lái)源：智慧芽整理）
圖2：中國(guó)氮化鎵企業(yè)及代表性業(yè)務(wù)（來(lái)源：CASA Research，智慧芽整理）
二、中國(guó)在氮化鎵技術(shù)上起步雖晚發(fā)力強(qiáng)勁
智慧芽數(shù)據(jù)顯示，全球在氮化鎵產(chǎn)業(yè)已申請(qǐng)16萬(wàn)多件專(zhuān)利，有效專(zhuān)利6萬(wàn)多件（如圖3）。其中，保護(hù)類(lèi)型以發(fā)明專(zhuān)利為主，行業(yè)技術(shù)創(chuàng)新度比較高。報(bào)告指出，該領(lǐng)域美日技術(shù)實(shí)力較強(qiáng)，中美日市場(chǎng)較熱。
圖3：全球氮化鎵產(chǎn)業(yè)專(zhuān)利申請(qǐng)情況（數(shù)據(jù)：智慧芽）
從技術(shù)發(fā)展的歷史演進(jìn)來(lái)看，20世紀(jì)70年代初出現(xiàn)氮化鎵相關(guān)專(zhuān)利申請(qǐng)，1994年之前尚處于探索階段，參與企業(yè)較少；1994-2005年進(jìn)入快速發(fā)展期，主要驅(qū)動(dòng)力是LED照明商用化；2010年開(kāi)始，日本住友、日立等對(duì)氮化鎵襯底大尺寸的突破和進(jìn)一步產(chǎn)品化，促進(jìn)了相關(guān)專(zhuān)利量的進(jìn)一步快速增長(zhǎng)；自2014年起，專(zhuān)利申請(qǐng)量總體趨于穩(wěn)步發(fā)展態(tài)勢(shì)，年專(zhuān)利申請(qǐng)量基本維持在9000件以上，在這段時(shí)期，可見(jiàn)光LED熱度減退，GaN基FET器件、功率/射頻器件、MicroLED等器件熱度上升。
從氮化鎵領(lǐng)域全球技術(shù)布局來(lái)看，中國(guó)、美國(guó)和日本為氮化鎵技術(shù)熱點(diǎn)布局的市場(chǎng)。其中，美國(guó)和日本起步較早，起步于20世紀(jì)70年代初，而中國(guó)起步雖晚，但后起發(fā)力強(qiáng)勁（如圖4）。值得注意的是，目前全球的氮化鎵技術(shù)主要來(lái)源于日本。
圖4：中、美、日氮化鎵技術(shù)專(zhuān)利申請(qǐng)趨勢(shì)圖（數(shù)據(jù)：智慧芽）
三、國(guó)內(nèi)外龍頭企業(yè)技術(shù)洞察對(duì)比
報(bào)告顯示，全球氮化鎵主要?jiǎng)?chuàng)新主體的龍頭主要集中于日本。氮化鎵產(chǎn)業(yè)國(guó)外重點(diǎn)企業(yè)包括日本住友、美國(guó)Cree、德國(guó)英飛凌、韓國(guó)LG、三星等（如圖5），中國(guó)企業(yè)代表有，晶元光電、三安光電、臺(tái)積電、華燦光電等（如圖6）。但目前中國(guó)企業(yè)和國(guó)外企業(yè)相比，專(zhuān)利申請(qǐng)數(shù)量仍有一定差距。
圖5：氮化鎵領(lǐng)域國(guó)外企業(yè)代表（來(lái)源：智慧芽）
圖6：氮化鎵領(lǐng)域中國(guó)企業(yè)代表（來(lái)源：智慧芽）
在這些企業(yè)中，日本住友全球率先量產(chǎn)氮化鎵襯底，是全球氮化鎵射頻器件主要供應(yīng)商，同時(shí)也是華為GaN射頻器件主要供應(yīng)商之一。住友聚焦于襯底和器件方面的研究，其中，器件方面近幾年側(cè)重于氮化鎵FET器件。該公司的氮化鎵襯底單晶生長(zhǎng)技術(shù)側(cè)重HVPE法，重點(diǎn)解決襯底缺陷、尺寸等難題。此外，住友在氮化鎵FET器件上，側(cè)重外延工藝和芯片工藝突破。
美國(guó)Cree依靠其技術(shù)儲(chǔ)備支撐氮化鎵功率器件的市場(chǎng)化。2019年，Cree逐步剝離LED業(yè)務(wù)，專(zhuān)注于碳化硅電力電子器件和用于GaN射頻器件，并于2021年正式更名為Wolfspeed（原Cree旗下的功率&射頻部門(mén)）。在技術(shù)分布上，發(fā)光二極管LED和GaN基FET器件兩大方向是Cree重要的專(zhuān)利布局領(lǐng)域。其中，前者的研發(fā)熱度在近幾年明顯衰退，而Cree在后者的細(xì)分領(lǐng)域中則探索了較多的技術(shù)難題，注重器件多性能發(fā)展。
德國(guó)英飛凌持續(xù)深耕功率器件領(lǐng)域，且重點(diǎn)關(guān)注美國(guó)市場(chǎng)。其前身作為西門(mén)子集團(tuán)的半導(dǎo)體部門(mén)，英飛凌主要生產(chǎn)IGBT、功率MOSFET、HEMT、DC-DC轉(zhuǎn)換器、柵極驅(qū)動(dòng)IC、AC-DC電源轉(zhuǎn)換器等功率半導(dǎo)體器件，曾連續(xù)10年居全球功率半導(dǎo)體市場(chǎng)之首。在氮化鎵領(lǐng)域，英飛凌的技術(shù)分布于集中產(chǎn)業(yè)鏈中游——器件模組，持續(xù)關(guān)注GaN基FET、IGBT等功率元器件，以及由多個(gè)功率元器件集成的功率模塊（如電源轉(zhuǎn)換器）的研發(fā)。總體而言，英飛凌在功率模塊、GaN基FET器件上布局的專(zhuān)利最多。
國(guó)內(nèi)LED龍頭“三安光電”在氮化鎵領(lǐng)域有一定技術(shù)儲(chǔ)備。三安光電是目前國(guó)內(nèi)規(guī)模最大的LED外延片、芯片企業(yè)。2014年，該公司投資建設(shè)氮化鎵高功率半導(dǎo)體項(xiàng)目；2018年，在福建泉州斥資333億元投資Ⅲ-Ⅴ族化合物半導(dǎo)體材料、LED外延、芯片、微波集成電路、光通訊、射頻濾波器等產(chǎn)業(yè)。在氮化鎵領(lǐng)域，三安光電同樣集中于產(chǎn)業(yè)鏈中游——器件模組的研究。其布局的器件類(lèi)型主要包括可見(jiàn)光LED、紫外LED、Micro/Mini LED和GaN基FET。2016年后，三安光電對(duì)可見(jiàn)光LED的專(zhuān)利申請(qǐng)量逐漸下降，并開(kāi)始增加對(duì)Micro/Mini LED、GaN基FET的專(zhuān)利申請(qǐng)。
四、氮化鎵三大重點(diǎn)技術(shù)解析
首先，GaN襯底技術(shù)是器件降本的突破口，當(dāng)前正從小批量規(guī)模向產(chǎn)業(yè)商業(yè)化方向發(fā)展，同時(shí)向大尺寸和高晶體質(zhì)量方向發(fā)展。GaN單晶襯底以2-3英寸為主，4英寸已實(shí)現(xiàn)商用，6英寸已實(shí)現(xiàn)樣本開(kāi)發(fā)；GaN異質(zhì)外延襯底則已實(shí)現(xiàn)6英寸產(chǎn)業(yè)化，8英寸正在進(jìn)行產(chǎn)品研發(fā)。
全球GaN襯底技術(shù)共有13000多件專(zhuān)利，其中有效專(zhuān)利量4800多件，占比為35.2%。其中，審中專(zhuān)利占比較少，可見(jiàn)未來(lái)有效專(zhuān)利增長(zhǎng)空間較小。此外，日本和美國(guó)兩大市場(chǎng)分布的專(zhuān)利較多。全球襯底技術(shù)排名靠前的專(zhuān)利申請(qǐng)人以日本企業(yè)居多，整體技術(shù)實(shí)力較強(qiáng)，且日本住友在襯底領(lǐng)域技術(shù)儲(chǔ)備占有絕對(duì)優(yōu)勢(shì)。
第二，在氮化鎵基FET器件技術(shù)的應(yīng)用中，車(chē)規(guī)級(jí)氮化鎵功率器件市場(chǎng)規(guī)模進(jìn)入新紀(jì)元，其市場(chǎng)規(guī)模不斷升高。在電動(dòng)汽車(chē)領(lǐng)域，目前EPC和Transphorm已經(jīng)通過(guò)了車(chē)規(guī)認(rèn)證。與此同時(shí)，BMW i Ventures對(duì)GaN Systems公司的投資，表明了汽車(chē)行業(yè)越來(lái)越認(rèn)可和重視GaN功率器件解決方案應(yīng)用于電動(dòng)汽車(chē)及混合動(dòng)力汽車(chē)（EV/HEV）。
整體上，氮化鎵基FET器件正在向多單元模塊化發(fā)展。在這一領(lǐng)域中，美國(guó)、日本和中國(guó)為GaN基FET器件熱點(diǎn)布局的市場(chǎng)，其中重點(diǎn)為美國(guó)市場(chǎng)。自2000年起，該技術(shù)領(lǐng)域開(kāi)始快速發(fā)展，且到2010年后，發(fā)展速度進(jìn)一步加快。頭部企業(yè)中，日本企業(yè)仍占據(jù)大多數(shù)，且美國(guó)Cree和英特爾也占有一定的優(yōu)勢(shì)。
第三，Micro LED應(yīng)用場(chǎng)景廣泛涵蓋微顯示和數(shù)字終端領(lǐng)域，未來(lái)可期?？纱┐髟O(shè)備以及超大屏顯示將于2021年進(jìn)入市場(chǎng)。據(jù)分析機(jī)構(gòu)Yole預(yù)測(cè)，至2025年產(chǎn)業(yè)鏈成熟后，或?qū)⑦_(dá)到3.3億臺(tái)的出貨量。
Micro LED顯示技術(shù)的優(yōu)勢(shì)是自發(fā)光、低功耗、高亮度、超高分辨率、小尺寸和高色彩飽和度，十分符合顯示屏領(lǐng)域輕薄化、小型化、低功耗、高亮度的發(fā)展方向。因此，高反應(yīng)速度的Micro LED是現(xiàn)今非常熱門(mén)的新一代顯示概念，將成為L(zhǎng)ED未來(lái)的發(fā)展方向。
在Micro LED領(lǐng)域，巨量轉(zhuǎn)移技術(shù)是該領(lǐng)域發(fā)展的重點(diǎn)。Micro/Mini LED技術(shù)在近5年處于高速發(fā)展期，中國(guó)專(zhuān)利申請(qǐng)趨勢(shì)與全球總體一致，并且近5年的發(fā)展勢(shì)頭迅猛，全球領(lǐng)先。在這一技術(shù)的全球主要專(zhuān)利申請(qǐng)人中，F(xiàn)acebook和蘋(píng)果公司分別位列第一、第二，國(guó)內(nèi)企業(yè)如京東方、歌爾股份、三安光電等也都名列前茅。
此外，智慧芽推出的氮化鎵（GaN）專(zhuān)利情報(bào)監(jiān)控分析成果已落地形成IT平臺(tái)系統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)日常更新、監(jiān)控和查閱，確保分析結(jié)果持續(xù)為行業(yè)研發(fā)創(chuàng)新和知識(shí)產(chǎn)權(quán)情報(bào)管理發(fā)揮價(jià)值。
來(lái)源：IPRdaily中文網(wǎng)（iprdaily.cn）
編輯：IPRdaily王穎 校對(duì)：IPRdaily縱橫君
注：原文鏈接：《第三代半導(dǎo)體-氮化鎵(GaN)技術(shù)洞察報(bào)告》發(fā)布！氮化鎵正在改變世界 中國(guó)企業(yè)發(fā)力強(qiáng)勁（點(diǎn)擊標(biāo)題查看原文）
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