第三代半导体-氮化镓GaN技术洞察.pdf

第三代半导体-氮化镓(GaN)技术洞察报告2021 insight of Innovation2021 insight of Innovationin Wide bandgap semiconductor(GaN)industry氮化镓技术概况 技术简介 技术发展现状 技术创新概况2氮化镓（GaN）简介3产业链成熟、成本低，适用于低压、低频、中功率场合，是目前半导体器件和集成电路主要制造材料高频性能较好，广泛应用于卫星通信、移动通信和GPS导航等领域。但资源稀缺，有毒性，对环境危害较大宽禁带、高击穿电场强度和高热导率，具有可见光至紫外光的发光特性。适用于半导体照明、高压、高频、大功率领域1.121.12第一代半导体第一代半导体硅（Si）锗（Ge）第二代半导体第二代半导体砷化镓（GaAs）磷化铟（InP）第三代半导体第三代半导体氮化镓（GaN）碳化硅（SiC）禁带宽度（禁带宽度（eV)eV)1.41.42.32.3氮化镓材料定义氮化镓材料定义:氮化镓（GaN）主要是由人工合成的一种半导体材料，禁带宽度大于2.3eV2.3eV，也称为宽禁带半导体材料宽禁带半导体材料氮化镓材料氮化镓材料为第三代半导体材料的典型代表，是研制微电子器件、光电子器件的新型材料氮化镓(GaN)技术及产业链已初步形成，相关器件快速发展4氮化镓单晶衬底氮化镓单晶衬底器件芯片设计器件芯片设计+制造制造+封测封测芯片的应用场景芯片的应用场景衬底衬底n n-GaNGaNp p-GaNGaN发光层发光层n n-电极电极p p-电极电极发光二极管发光二极管LEDLED氮化镓基氮化镓基FETFET氮化镓肖特氮化镓肖特基二极管基二极管汽车汽车显示显示快充快充手机手机智能电网智能电网5G5G基站基站紫外杀菌紫外杀菌军工雷达军工雷达初始阶段初始阶段19861986年年-19941994年年飞速发展阶段飞速发展阶段19981998年年-20072007年年LEDLED大规模商用化、大规模商用化、功率功率/射频器件快速发展射频器件快速发展20082008年年-至今至今技技术术发发展展日本科学家Maruska等人采用氢化物气相沉积技术在蓝宝石衬底表面沉积出了氮化镓薄膜，但质量较差萌芽阶段萌芽阶段19691969年年1、1986年，赤崎勇和天野浩采用MOCVD法获得了高质量GaN薄膜，并于1989年在全球首次研制出了PN结蓝光LED2、1992年，中村修二以双异质结构代替PN结，研制出高效率GaN蓝光LED 1、1998年，美国Cree公司开发首个碳化硅基GaN高电子迁移率晶体管(HEMT)US6486502B12、LED照明商业化1、2014年，英飞凌收购IR公司2、2019年，美国Cree公司陆续出售LED相关业务，聚焦GaN射频器件和SiC电力电子器件1、2008年，美国Cree公司推出首个氮化镓射频器件2、2009年，EPC公司推出第一款商用增强型氮化镓（eGaN）晶体管3、2010年，IR公司推出商用GaN集成功率器件产产业业范范畴畴氮化镓(GaN)应用范围广在功率器件、射频器件、显示领域应用广泛，支撑新基建快速发展在功率器件、射频器件、显示领域应用广泛，支撑新基建快速发展支撑“新基建”建设的关键核心器件支撑“新基建”建设的关键核心器件：氮化镓是目前能同时实现高频、高效、大功率代表性材料，下游应用切中“新基建”中 5G 基站、特高压、新能源充电桩、城际高铁等主要领域高效电能转换，助力“碳达峰，碳中和”目标实现高效电能转换，助力“碳达峰，碳中和”目标实现：第三代半导体可助力实现光伏、风电（电能生产），直流特高压输电（电能传输），新能源汽车、工业电源、机车牵引、消费电源（电能使用）等领域的电能高效转换，推动能源绿色低碳发展5数据来源：苏州晶湛半导体全球氮化镓（GaN）产业规模呈爆发式增长功率器件和射频器件将形成百亿级产业规模功率器件和射频器件将形成百亿级产业规模20202020-20262026 氮化镓功率器件市场规模及预测氮化镓功率器件市场规模及预测 2020年GaN功率器件整体规模为 0.460.46亿美元亿美元 受消费类电子、电信及数据通信、电动汽车应用的驱动，预计到2026年增长至 11 11亿美元亿美元 复合年均增长率（复合年均增长率（CAGRCAGR）为）为 7070%数据来源：Yole20202020-2026 2026 氮化镓射频器件市场规模及预测氮化镓射频器件市场规模及预测 2020年GaN射频器件整体规模为8.918.91亿美元亿美元 预计到2026年增长至2424亿美元亿美元 复合年均增长率（复合年均增长率（CAGRCAGR）为）为18%18%数据来源：Yole6氮化镓（GaN）产业政策环境各国出台专项扶持政策，国内政策支持持续利好各国出台专项扶持政策，国内政策支持持续利好1998年2008年2013年2014年2016年开展 GaNGaN 半导体发光半导体发光机理的基础研究、用于同质外延生长的大面积衬底等实施 GaNGaN 半导体低半导体低功耗高频器件功耗高频器件开发计划2002年提出新一代节能器件技术战略与发展规划，将采用SiCSiC、GaNGaN等宽禁带半导体器件进一步降低功耗设立第三代功率半导体封装技第三代功率半导体封装技术术开发联盟开发联盟，由大阪大学协同罗姆、三菱、松下罗姆、三菱、松下等 18 家知名企业、大学在国家硬电子计划中将SiCSiC 衬底的制备与外延衬底的制备与外延作为重点研究课题，投以巨资支持启动“有助于实现节能社会的新一代半导体研究开发”的 GaNGaN 功率器件功率器件开发项目，为期5年，第一年的预算为10亿日元亿日元美国美国2000年2014年2017年奥巴马宣布成立“下一代电力电成立“下一代电力电子技术国家制造业创新中心”子技术国家制造业创新中心”，发展宽禁带半导体电力电子技术，提供70007000万美元万美元财政支持 启动电子复兴计划电子复兴计划，投入2020亿美元亿美元重点开发微系统材料、电子器件集成架构等启动 CIRCUITS 计划，投资30003000万美元万美元资助21个项目，利用宽禁带半导体实现高效、可靠的功率转换器功率转换器，使用碳化硅或氮化镓氮化镓来代替现有的硅材料制定有关有关GaNGaN 和SiC 的开发项目2002年启动宽禁带半导体技术计划宽禁带半导体技术计划：实现 GaNGaN 基微波器件基微波器件生产 研制 GaNGaN 基单片微波集成电路基单片微波集成电路2011年欧盟欧盟实施“彩虹计划”发展GaNGaN 基设备基设备，推动户外照明和高密度存储技术发展GaNGaN 集成电路研发计划，经费40004000万欧元万欧元，创建独立的 GaNGaN-HEMTHEMT 供应链，提供最先进可靠的 GaNGaN 晶晶圆圆制备2005年2000年启动 GaNGaN 可靠性增长和技术转移项目，第一阶段总经为860860万欧元万欧元，组织完整的 GaNGaN 微波产品产微波产品产业链业链2008年意法半导体启动“LAST POWER”项目，与意大利、德国等六个欧洲国家的企业、大学联合攻关 SiC 和 GaNGaN 的关键技术2010年2014年启动面向电力电子应用的大尺寸 SiC 衬底及异异质外延质外延 GaNGaN 材料材料项目欧盟委员会批准投资化合物半导体（主要是氮化镓氮化镓、碳化硅等第三代半导体）计划，提提供供17.517.5亿欧元资金亿欧元资金，开发用于包括5G5G通信，通信，无人驾驶汽车无人驾驶汽车内的应用创新组件和技术2019年日本日本美国国防高级研究计划局启动“氮化物电子氮化物电子下一代技术计划”，推动GaNGaN在高频领域高频领域的应用2013年2016年2019年开始对第三代半导体第三代半导体材料材料领域的研究进行部署2004年科技部863计划，将第第三代半导体三代半导体产业列为战略发展产业国家级战略长江三角洲区域一体化发展规划纲要明确要求长三角区域加快培育布局第三代半导体第三代半导体产业“十四五”计划明确提出发展碳化硅、氮化镓氮化镓等宽禁带半导体材料中国中国“十三五”计划将第三代半导体第三代半导体产业列为重点发展方向 启动“战略性先进电子材料”国家重点研发计划，研究方向包括第三代半导体材料第三代半导体材料与半导体半导体照明、大功率激光材料与器件照明、大功率激光材料与器件2021年7全球氮化镓（GaN）产业图谱国内产业链基本形成，产业结构相对聚焦中游国内产业链基本形成，产业结构相对聚焦中游国外企业国内企业8中国氮化镓（GaN）企业及代表性业务数据来源：CASA Research 广东省东莞中镓GaN衬底英诺赛科GaN器件中晶半导体GaN外延/器件浙江省华灿光电GaN-LED器件闻泰科技GaN器件杭州士兰GaN-LED器件上海市镓特半导体GaN衬底芯元基半导体GaN器件安徽省东科半导体GaN功率器件执珩半导体GaN外延芯谷微GaN射频器件河北省中电科13所GaN射频器件山东省聚能创芯GaN器件聚能晶源GaN外延中鸿新晶GaN外延/器件福建省三安光电GaN器件乾照光电GaN-LED器件士兰明镓GaN-LED器件江苏省苏州纳维GaN衬底晶湛半导体GaN外延能讯半导体GaN射频器件苏州捷芯威GaN功率器件英诺赛科GaN器件能华微电子GaN外延/器件中电科55所GaN射频器件聚灿光电GaN-LED器件苏州汉骅GaN外延苏州量芯微GaN功率器件四川省海威华芯GaN器件益丰电子GaN射频器件氮矽科技GaN功率器件9氮化镓（GaN）技术创新概况技术储备丰富，总体趋于稳步发展态势技术储备丰富，总体趋于稳步发展态势 全球在GaN产业已申请1616万多件专利万多件专利，有效专利6 6万多件万多件 20世纪70年代初出现GaNGaN相关专利申请相关专利申请 1994年之前尚处于探索阶段，参与企业较少 19942005年进入快速发展期进入快速发展期（LED照明商用化）2010年进一步短暂增长短暂增长（日本住友、日立等对GaN衬底大尺寸的突破和进一步产品化）从2014年开始专利申请量总体趋于稳步发展总体趋于稳步发展态势（可见光LED热度减退，GaN基FET器件、功率/射频器件、MicroLED等器件热度上升）有效：38.91%失效：38.93%审中：13.06%PCT指定期满：7.25%PCT指定期内：0.84%未确认：0.99%专利总量：专利总量：1616万万+实用新型：2.96%发明：97.00%有效专利量：有效专利量：6 6万万+外观设计：0.04%10氮化镓（GaN）技术创新概况中美日为氮化镓技术热点布局市场，美日起步早，中美日为氮化镓技术热点布局市场，美日起步早，中国中国后起发力强劲后起发力强劲包含台湾地区热门市场为中国、美国、日本技术主要来源于日本日本、美国起步于20世纪70年代初，中国起步晚近20年2010年之前日本处于明显领先地位，中国后起发力强劲，近几年保持持续高涨趋势中、美、日三国氮化镓（GaN）技术专利申请趋势图专利区域分布图技术来源国分布图050010001500200025003000350040001972197419761978198019821984198619881990199219941996199820002002200420062008201020122014201620182020中国美国日本美国,37121中国,42277澳大利亚,805以色列,1319德国,5046欧洲专利局,7646WIPO,13319韩国,17168日本,35117美国,22.95%日本,35.50%中国,14.54%韩国,14.20%中国台湾,3.44%德国,3.23%世界知识产权组织,1.31%欧洲专利局,1.28%法国,1.16%英国,0.75%其他,1.63%11典型企业聚焦 日本住友 美国Cree 德国英飞凌 中国三安光电12全球氮化镓主要创新主体创新龙头主要集中日本，中国企业与海外龙头技术储备量差距大创新龙头主要集中日本，中国企业与海外龙头技术储备量差距大0100020003000财团法人工业技术研究院鸿海精密工业股份有限公司中国科学院微电子研究所西安电子科技大学荣创能源科技股份有限公司中国科学院半导体研究所华灿光电台积电三安光电晶元光电数据来源：智慧芽专利数据库，2021年3月31日；专利数量以公开文本件数统计。晶元光电（中国台湾）三安光电台积电（中国台湾）华灿光电荣创能源科技（中国台湾）鸿海精密工业（中国台湾）住友日本Cree（科锐）美国英飞凌德国LG韩国三星韩国日亚化学日本三菱日本松下日本东芝日本夏普日本国外企业代表国外企业代表中国企业代表中国企业代表重点重点010002000300040005000600070008000三安光电有限公司富士康英特尔公司英飞凌科技有限公司株式会社半导体能源研究所罗姆股份有限公司索尼公司奥斯兰姆奥普托半导体晶元光电股份有限公司首尔伟奥世有限公司丰田合成株式会社夏普株式会社CREE公司东芝株式会社PANASONIC三菱株式会社日亚化学工业株式会社三星电子株式会社住友株式会社LG国内重点专利申请人国内重点专利申请人全球重点专利申请人全球重点专利申请人13典型企业：日本住友氮化镓技术储备上占绝对优势，专利布局支撑商业成功氮化镓技术储备上占绝对优势，专利布局支撑商业成功 19701970年开始制造化合物半导体，年开始制造化合物半导体，20032003年在全球率先量产氮化镓（年在全球率先量产氮化镓（GaNGaN）衬底）衬底 20062006年，在全球率先实现高性能年，在全球率先实现高性能 GaNGaN HEMTHEMT的量产的量产 全球全球GaNGaN射频器件主要供应商，也是华为射频器件主要供应商，也是华为GaNGaN射频器件主要供应商之一射频器件主要供应商之一型号型号频率（频率（GHzGHz）输出功率（输出功率（WW）应用应用SGK5867-30A5.85-6.7530卫星SGK6472-60A6.4-7.260卫星SGK1314-60A13.75-14.560卫星SG26F30S-DDC-2.730基站SGFCF10S-DDC-3.710基站SGN1214-220H-R1.2-1.4220雷达SGN2729-600H-R2.7-2.9600雷达住友电工部分GaN-HEMT产品目录住友氮化镓衬底产品住友氮化镓衬底产品专利布局专利布局 7070年代开始申请年代开始申请GaNGaN相关专利，相关专利，9090年代随着年代随着GaNGaN单晶生长、蓝单晶生长、蓝光光LEDLED技术的突破，专利量快速增长技术的突破，专利量快速增长 失效专利占比高，有效专利失效专利占比高，有效专利16001600多件多件 本土专利布局数量最多，海外市场侧重美国、中国、欧洲、韩国本土专利布局数量最多，海外市场侧重美国、中国、欧洲、韩国日本40.39%美国18.13%中国 9.79%世界知识产权组织7.87%中国台湾6.96%欧洲专利局 6.15%韩国 5.75%德国 1.73%加拿大 0.94%中国香港 0.74%其他 1.55%失效60.03%有效26.89%PCT指定期满7.01%审中5.54%PCT指定期内0.33%未确认0.21%专利总量专利总量6000+6000+14住友聚焦衬底和器件方面研究，器件方面近几年侧重氮化镓FET器件可见光LED、GaN基FET器件、激光二极管、GaN单晶生长技术专利布局较多快速发展阶段，热点研究衬底技术、可见光LED、激光二极管技术，但近10年热度骤减近5年较关注GaN基FET器件GaNGaN领域技术分布领域技术分布技术发展趋势技术发展趋势15住友氮化镓衬底单晶生长技术16侧重侧重HVPEHVPE法，重点解决衬底缺陷、尺寸等难题法，重点解决衬底缺陷、尺寸等难题布局热点布局热点HVPE法和掩膜法（经典（经典A A-DeepDeep技术）技术）抑制衬底缺陷（位错密度缺陷、区间密度缺陷、晶体缺陷、晶体硬度等缺陷）抑制表面应力问题（衬底裂纹、偏离角不均匀、衬底翘曲）、解决掺杂问题、提高衬底尺寸布局空白点布局空白点提拉法、氨热法生长速度均匀化、提高生长速率等GaNGaN单晶生长技术单晶生长技术 专利布局热点与空白点专利布局热点与空白点生长速度生长速度均匀化均匀化提高产量提高产量提高生长提高生长速率速率提高外延提高外延器件性能器件性能提高衬提高衬底尺寸底尺寸解决掺解决掺杂问题杂问题抑制表面抑制表面应力问题应力问题抑制衬抑制衬底缺陷底缺陷HVPEHVPE通用技术通用技术掩膜法掩膜法气相传输法气相传输法MOCVDMOCVD助熔剂法助熔剂法HNPSGHNPSG 组合生长法组合生长法氨热法氨热法提拉法提拉法住友氮化镓FET器件：侧重外延工艺和芯片工艺突破17探索的技术较多，FET器件多样化发展布局热点：外延工艺、芯片工艺、改善击穿电压、减小漏电流、抑制电流崩塌、改善外延工艺、芯片工艺、改善击穿电压、减小漏电流、抑制电流崩塌、改善2DEG2DEG结构结构布局空白点问题：改善结构缺陷、改善导通特性等衬底选择衬底选择/设置设置衬底缓冲层衬底缓冲层沟道层沟道层间隔层间隔层电子供应层电子供应层接触层接触层盖层盖层势垒层势垒层垂直晶体管垂直晶体管PNPN结结电子传输层电子传输层漂移层漂移层形成凹槽和开口形成凹槽和开口栅绝缘层栅绝缘层电极制备电极制备离子注入离子注入加热退火加热退火反向反向HEMTHEMT利用绝缘层利用绝缘层金属互连金属互连场板场板等离子体处理等离子体处理封装树脂封装树脂键合金属键合金属封装容器封装容器外延外延工艺工艺芯片芯片工艺工艺封装封装工艺工艺典型企业美国Cree：技术储备支撑氮化镓（GaN）功率器件市场化18 19911991年，发布第一批商用年，发布第一批商用SiCSiC晶圆，晶圆，20192019年完成首批年完成首批8 8英寸英寸SiCSiC晶圆样品的制备晶圆样品的制备 19981998年，首个年，首个SiCSiC基基GaNGaN高电子迁移率晶体管（高电子迁移率晶体管（HEMTHEMT）20192019年，逐步剥离年，逐步剥离LEDLED业务，专注于碳化硅电力电子器件和用于业务，专注于碳化硅电力电子器件和用于GaNGaN射频器件射频器件 20212021年，正式更名为年，正式更名为WolfspeedWolfspeed（原（原CreeCree旗下的功率旗下的功率&射频部门）射频部门）Cree部分GaN射频产品目录 聚焦聚焦GaNGaN-onon-SiCSiC技术路线，从技术路线，从19911991年开始申请年开始申请GaNGaN-LEDLED相关专利相关专利 19981998年开发首个年开发首个SiCSiC基基GaNGaN-HEMTHEMT器件，专利申请迎来第一次快速增长器件，专利申请迎来第一次快速增长 20082008年推出首个年推出首个GaNGaN射频器件，专利申请迎来第二次快速增长射频器件，专利申请迎来第二次快速增长 有效专利占比接近有效专利占比接近52%52%，海外市场侧重日本、欧洲、中国、韩国，海外市场侧重日本、欧洲、中国、韩国型号型号频率（频率（GHzGHz）输出功率（输出功率（WW）技术技术应用应用GTVA261802FC-V12.62-2.69170GaN-on-SiC通讯基础设施GTRA412852FC-V13.7-4.1235GaN-on-SiC通讯基础设施GTRA214602FC-V12.11-2.17490GaN-on-SiC通讯基础设施CGH31240F2.7-3.1240GaN-on-SiC航天与国防CGHV14800F1.2-1.4800GaN-on-SiC航天与国防GTVA101K42EV-V10.96-1.41400GaN-on-SiC航天与国防CMPA1D1E025F-AMP13.5-14.525GaN-on-SiC卫星通讯CGHV50200F4.4-5200GaN-on-SiC卫星通讯GaN-HEMT基单片微波集成电路（MMIC）1400W大功率射频GaN-HEMT有效51.96%失效29.87%PCT指定期满 11.16%审中 5.92%未确认0.64%PCT指定期内0.45%专利总量：专利总量：3000+3000+美国30.45%日本12.38%欧洲专利局 12.28%世界知识产权组织 11.61%中国9.77%韩国6.59%中国台湾 6.37%加拿大 3.62%德国 2.09%澳大利亚 1.83%其他 3.60%Cree可见光LED：曾是其研发热点，但近年来热度明显衰退19集中产业链中游-器件模组的研究发光二极管专利布局最多，其次是GaN基FET发光二极管LED曾是其研发热点，但近年来热度明显衰退激光二极管、肖特基二极管、生长设备近几年布局为空白状态GaNGaN领域技术分布领域技术分布技术发展趋势技术发展趋势Cree氮化镓基FET器件：探索技术难题较多，注重器件多性能发展20GaNGaN基基FETFET器件器件-专利概况专利概况GaNGaN基基FETFET器件器件-技术分布技术分布GaN基FET专利总量近700件，有效专利占比近62%专利保护类型均为发明专利布局热点为减小漏电流、增大击穿电压等布局热点为减小漏电流、增大击穿电压等布局空白点为提高增益、延长使用寿命等减小漏电流 21%增大击穿电压20%提高电子迁移率4%减少半导体刻蚀损伤 9%改善线性度 11%提高封装可靠性4%形成良好欧姆接触 4%提高GaN层晶体质量 10%延长使用寿命2%改善常关性能 4%降低表面捕获效应 7%降低离子注入损伤 3%提高增益 3%发明：100.00%有效专利：有效专利：430430件件有效 61.78%失效 18.68%PCT指定期满10.92%审中 7.04%PCT指定期内 1.01%未确认 0.67%GaNGaN FETFET-专利总量：专利总量：696696件件典型企业英飞凌：持续深耕功率器件市场，重点关注美国市场21专利布局专利布局 19971997年左右开始申请年左右开始申请GaNGaN激光二极管、激光二极管、GaNGaN层生长技术相关专利层生长技术相关专利 20142014年收购年收购IRIR公司，取得其公司，取得其Si Si基板基板GaNGaN功率半导体制造技术，专利量快速增长，功率半导体制造技术，专利量快速增长，且授权率较高且授权率较高 有效专利占比高达有效专利占比高达61.5%61.5%，技术创新度高，技术创新度高 重点关注美国市场，其次关注欧洲、中国布局重点关注美国市场，其次关注欧洲、中国布局型号型号源漏电压源漏电压maxmax源漏导通电阻源漏导通电阻maxmax栅极电荷栅极电荷封装类型封装类型IGT60R070D1600 V70 m5.8 nCPG-HSOF-8-3IGT40R070D1400 V70 m4.5 nCPG-HSOF-8-3IGO60R070D1600V70 m5.8 nCDSO-20-85IGOT60R070D1600V70 m5.8 nCDSO-20-87英飞凌英飞凌部分部分GaNGaN-HEMTHEMT产品目录产品目录美国49.78%德国19.25%中国16.70%欧洲专韩国 2.49%日本 2.23%中国台湾 1.53%世界知识产权组织 0.96%法国0.19%巴西 0.13%其他 0.06%有效61.50%失效20.46%审中 17.02%其他 1.02%专利总量专利总量1400+1400+19991999年在德国慕尼黑正式成立年在德国慕尼黑正式成立 前身是西门子集团的半导体部门，主要生产前身是西门子集团的半导体部门，主要生产IGBTIGBT、功率、功率MOSFETMOSFET、HEMTHEMT、DCDC-DCDC转换器、栅极驱动转换器、栅极驱动ICIC、ACAC-DCDC电源转换器等功率半导体器件，曾连续电源转换器等功率半导体器件，曾连续1010年居全年居全球功率半导体市场之首球功率半导体市场之首GaN增强模式功率晶体管英飞凌氮化镓功率模块和FET器件技术储备最多22集中产业链中游-器件模组的研究持续关注GaN基FET、IGBT等功率元器件，以及由多个功率元器件集成的功率模块（如电源转换器）研发在功率模块、GaN基FET器件上布局的专利最多布局热点：改善散热、降低功率损耗、提高工作电压布局热点：改善散热、降低功率损耗、提高工作电压布局空白点：短路保护、过压保护、静电保护等改善散热 22%提高工作电压16%减少封装尺寸11%降低集成器件产生的寄生电感和电容 12%改进双向开关特性 8%静电保护 4%过压保护 4%提高开关频率4%短路保护 1%降低功率损耗18%典型企业三安光电：国内LED龙头，在氮化镓领域有一定技术储备23 20002000年成立，总部在中国厦门，国内规模最大的年成立，总部在中国厦门，国内规模最大的LEDLED外延片、芯片企业外延片、芯片企业 20142014年，投资建设年，投资建设GaNGaN高功率半导体项目高功率半导体项目 20182018年，在福建泉州斥资年，在福建泉州斥资333333亿元投资亿元投资-族化合物半导体材料、族化合物半导体材料、LEDLED外延、外延、芯片、微波集成电路、光通讯、射频滤波器等产业芯片、微波集成电路、光通讯、射频滤波器等产业专利布局专利布局 专利量专利量1200+1200+，以国内布局为主，逐步拓展海外市场，最重视美国布局，以国内布局为主，逐步拓展海外市场，最重视美国布局 20012001年开始申请年开始申请GaNGaN-LEDLED相关专利，在此前的专利来自索尼、夏普等转让相关专利，在此前的专利来自索尼、夏普等转让 20042004-20102010年的专利增长，主要来自年的专利增长，主要来自20132013年全资收购的年全资收购的LuminusLuminus IncInc 20122012年后专利申请量进一步快速增长，主要受第三代半导体功率器件的推动年后专利申请量进一步快速增长，主要受第三代半导体功率器件的推动子公司：三安集成营收子公司：三安集成营收三安集成主要提供射频、光通讯、电力电子化合物半导体研发生产制造2021上半年营收同比增长170%0.481.923.755.9510.20246810122019上半年2019下半年2020上半年2020下半年2021上半年亿元人民币数据来源：三安光电官网年报中国,56.08%美国,21.25%知识产权组织,15.21%中国台湾,3.43%韩国,1.64%日本,1.57%欧洲专利局,0.82%有效54.44%失效17.15%PCT指定期内 13.42%审中 13.12%其他 1.87%三安光电主要储备LED技术，近5年热度稍向FET器件偏移24GaNGaN领域技术分布与发展趋势领域技术分布与发展趋势集中产业链中游-器件模组的研究布局的器件类型主要包括可见光LED、紫外LED、Micro/Mini LED和GaN基FET2016年后，对可见光LED的专利申请量逐渐下降，并开始增加对Micro/Mini LED、GaN基FET的专利申请重点技术 GaN衬底技术 GaN基FET器件 Micro LED技术25GaN衬底技术 器件降本突破口器件降本突破口，正从小批量规模向产业商业化方向发展正从小批量规模向产业商业化方向发展26 GaN单晶衬底以2-3英寸为主，4英寸已经实现商用，6英寸样本开发 GaN异质外延衬底已经实现6英寸产业化，8英寸正在进行产品研发200mm 衬底选择对器件类型和性能起关键作用 衬底占据器件大部分成本，衬底为降本主要突破口 衬底成本未来下跌走势可观，推进三代半产业市场化晶体管材料晶体管材料GaNSiCSi衬底衬底GaN功率-SiC功率/射频功率-Si功率/射频-全覆盖蓝宝石功率/LED-数据来源：赛迪智库，太平洋证券整理衬底材料衬底材料已可量产的最已可量产的最大尺寸大尺寸成本成本热导率热导率(W/(W/cmkcmk)外延材料质量外延材料质量Sapphire4英寸20美元0.5好Si8英寸20美元1.49一般Sic6英寸1000美元4.9很好GaN2英寸2500美元1.3非常好晶体管选择不同衬底影响器件类型和性能氮化镓外延用不同衬底性能对比氮化镓衬底技术：技术储备丰富，日本市场最热，住友一支独秀27GaNGaN衬底技术全球专利概况衬底技术全球专利概况GaNGaN衬底技术全球主要申请人排名衬底技术全球主要申请人排名GaNGaN衬底技术全球专利申请趋势衬底技术全球专利申请趋势全球GaN衬底技术共13000多件专利，其中有效专利量4800多件，占比为35.2%审中专利占比较少，未来有效专利增长空间较小日本和美国专利分布较多，两国市场较热全球衬底技术排名靠前以日本企业居多，技术实力较强日本住友在衬底领域技术储备占绝对优势失效 49.40%有效 35.20%PCT指定期满7.57%审中 6.72%未确认 0.72%PCT指定期内0.39%专利总量：专利总量：13000+13000+日本58.21%美国18.94%中国6.85%韩国 6.84%法国 1.99%波兰 1.41%德国 1.39%英国 1.09%中国台湾 0.89%欧洲专利局 0.86%其他 1.51%0100200300400500600700800900全球美国日本欧洲中国05001000150020002500氮化镓衬底技术：HVPE法是目前较成熟的单晶生长技术28氮化镓衬底技术专利分布氮化镓衬底技术专利分布氮化镓衬底技术演进趋势氮化镓衬底技术演进趋势GaN单晶生长技术研究较多，热门的生长技术为HVPE法，也是较成熟的单晶生长技术成熟的单晶生长技术助溶剂法和氨热法研究晚于HVPE法，近10年也在持续关注单晶生长单晶生长/助熔剂法助熔剂法单晶生长单晶生长/HVPE/HVPE法法单晶生长单晶生长/氨热法氨热法加工技术加工技术/研磨抛光研磨抛光加工技术加工技术/切割和倒角切割和倒角加工技术加工技术/衬底分离衬底分离氮化镓衬底技术：逐渐向大尺寸和高晶体质量方向发展29异质衬底上形成GaN单晶多种单晶生长技术探索大尺寸和晶体质量提升US7063741B2US7063741B2（通用电气）（通用电气）反应容器加热到预定温度并向容器施加预定压力，压力以抑制该温度下III III族金属氮族金属氮化物的分解化物的分解US7303630B2US7303630B2（住友）（住友）在基板上规则布置籽晶，通过刻面法生长通过刻面法生长GaNGaN晶体晶体JP2002293696AJP2002293696A（科学技术振兴事业集团）（科学技术振兴事业集团）将镓原料混合在钠或钾原料中，在氮气加在氮气加压的气氛中反应形成压的气氛中反应形成GaNGaN晶体晶体JP1984048793B2JP1984048793B2（松下电器）（松下电器）晶体生长之前在Ga卤化物原子层中热处理衬底，获得高质量均匀高质量均匀GaNGaN晶体晶体JP2859478B2JP2859478B2（日亚化学）（日亚化学）研磨蓝宝石衬底提高GaNGaN化合物切割质量化合物切割质量JP1996222533AJP1996222533A（松下电器）（松下电器）在不施加应变的情况下形成光学上平滑的表面，将氮化镓类化合物半导体氮化镓类化合物半导体19801980年之前年之前19951995年年20052005年年JP2000040842AJP2000040842A（丰田株式会社）（丰田株式会社）在基板上设置多晶缓冲层，提高缓冲层提高缓冲层上方结晶度上方结晶度JP1988103894AJP1988103894A（日本电气）（日本电气）MOCVD法中使用N2H4，减少低减少低V/V/III III族形成族形成JP2001274519AJP2001274519A（富士胶片）（富士胶片）在6H-SiC衬底形成AlN缓冲层后形成形成GaNGaN层层JP3567826B2JP3567826B2（日亚化学）（日亚化学）异质衬底上设有掩膜区域和非掩膜区域掩膜区域和非掩膜区域，从非掩模区域选择性地生长氮化镓基化从非掩模区域选择性地生长氮化镓基化合物半导体合物半导体JP3650531B2JP3650531B2（三菱）（三菱）基础衬底表面形成掩模区域和非掩模区，生长第一层第一层GaNGaN覆盖掩膜层覆盖掩膜层，非掩膜区非掩膜区域为晶体生长的起始点域为晶体生长的起始点，形成第二层形成第二层GaNGaN以形成以形成GaNGaN晶体晶体19901990年年20002000年年20152015年年US20120000415A1US20120000415A1（SORAASORAA）在基础衬底上防止至少两个低位错密度GaNGaN晶体，并使该晶体生长成聚结以形晶体，并使该晶体生长成聚结以形成大面积成大面积GaNGaN衬底衬底CN103014846ACN103014846A（中镓半导体）（中镓半导体）制造用于气相外延生长的同心圆环状头在大面积沉积区域提供前驱物混合气体的均匀流场JP2013197357AJP2013197357A（日立）（日立）在GaN衬底中加入受主型杂质提高晶体提高晶体质量和电阻性质量和电阻性20102010年年US20100003492A1US20100003492A1（SORAASORAA）使用组合生长法形成大面积非极性大面积非极性和半极性半极性GaNGaN衬底衬底US20070184637A1US20070184637A1（加利福利亚大学）（加利福利亚大学）使用横向外延技术横向外延技术在完全透明的镜面mm面生长面生长GaNGaN薄膜薄膜，该薄膜无偏振装置生长的基板JP2008266064AJP2008266064A（日亚化学）日亚化学）通过MOCVD法在蓝宝石衬底上形成蓝宝石衬底上形成GaNGaN缓冲层以形成缓冲层以形成半导体期间衬底半导体期间衬底20202020年年CN106398544ACN106398544A（清华大学）（清华大学）使用抛光组合物抛光GaN材料，该组合物包含纯化硅溶胶抛光磨粒、腐蚀剂、氧化剂、促进剂和水，抛光磨粒为纯化硅溶胶WO2016125890A1WO2016125890A1（三菱化学）（三菱化学）GaN单晶具有一个主表面的镓极性平面和作为相对主表面的氮极性平面，在镓极性平面中发现至少一个方形区域CN107687022ACN107687022A（苏州纳米仿真所（苏州纳米仿真所/苏州纳维科技）苏州纳维科技）用助溶剂法促进籽晶液相外延，在生长过程中添加碳添在生长过程中添加碳添加剂加剂，有效降低氮化镓籽晶生长前期的籽晶回溶有效降低氮化镓籽晶生长前期的籽晶回溶氮化镓基FET器件：车规级氮化镓功率器件市场规模进入新纪元30车规级功率器件市场占比车规级功率器件市场占比数据来源：Yole车规级GaN功率器件市场规模不断升高在电动汽车领域电动汽车领域，EPC和Transphorm已经通过了车规认证通过了车规认证BMW i Ventures投资GaN Systems公司，表明汽车行业越来越认可和重视认可和重视GaNGaN功率器件解决方案应用于电动汽车功率器件解决方案应用于电动汽车及混合动力汽车（EV/HEV）氮化镓基FET器件：蓬勃发展，技术储备丰富，美日技术实力较强31GaNGaN基基FETFET器件全球专利概况器件全球专利概况GaNGaN基基FETFET器件全球专利主要申请人排名器件全球专利主要申请人排名美国、日本和中国为GaN基FET器件热点布局区域，其中重点为美国市场从2000年之后开始快速发展，20102010年之后高速发展年之后高速发展主要龙头仍是日本企业较多日本企业较多，美国CREE、英特尔也占一定优势国内台积电和西安电子科技大学西安电子科技大学有一定的技术储备有效 45.61%失效 29.39%审中 16.48%PCT指定期满 7.55%PCT指定期内 0.76%未确认 0.20%专利总量：专利总量：2 2万万+美国31.07%日本22.23%中国21.04%世界知识产权组织8.32%中国台湾5.35%欧洲专利局 5.12%韩国 2.61%德国 2.21%法国 0.40%澳大利亚 0.36%其他 1.30%020040060080010001200数量020040060080010001