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越来越多的人在使用手机快充充电器的时候可能不经意间会发现氮化镓（GaN）这个专业名词，实际上，正是“氮化镓”这一第三代半导体材料的技术突破，让第三代半导体能实现更多的场景应用，例如氮化镓电子器件具有高频、高转换效率、高击穿电压等特性，让微显示、手机快充、氮化镓汽车等有了无限可能。
智慧芽旗下智慧芽创新研究中心最新发布《第三代半导体-氮化镓(GaN)技术洞察报告》（下称“报告”），从技术角度全面洞察分析了氮化镓这一产业的诞生、产业发展和未来突破。
报告显示，国内产业链基本形成，产业结构相对聚焦中游，中国企业纷纷入场。全球在氮化镓产业已申请16万多件专利，有效专利6万多件。其中，保护类型以发明专利为主，行业技术创新度比较高。报告指出，该领域中美日技术实力较强，中美日市场较热。
在报告展示的氮化镓技术的日常应用场景中， 丰田与日本名古屋大学合作开发“全氮化镓汽车”，且目前宝马也已经加入氮化镓汽车应用这一阵营 ；与此同时， 氮化镓快充走进日常生活，华为氮化镓快充充电器面市 ，拥有大功率、超级快充、轻巧便捷的特点，支持手机、平板、PC电脑等设备充电。
氮化镓产业初步形成
氮化镓（GaN）主要是指一种由人工合成的半导体材料，是第三代半导体材料的典型代表, 研制微电子器件、光电子器件的新型材料。氮化镓技术及产业链已经初步形成，相关器件快速发展。第三代半导体氮化镓产业范围 涵盖氮化镓单晶衬底、半导体器件芯片设计、制造、封测以及芯片 等主要应用场景。
氮化镓应用范围广泛，作为支撑“新基建”建设的关键核心器件，其 下游应用切中了 “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。此外，氮化镓的高效电能转换特性，能够帮助实现光伏、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 ，助力“碳达峰，碳中和”目标实现。
从产业发展来看，全球氮化镓产业规模呈现爆发式增长。据分析机构Yole研究显示，在氮化镓功率器件方面，2020年的整体市场规模为0.46亿美元，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11亿美元，复合年均增长率为70%。值得一提的是，电动汽车领域的年复合增长率高达185%。在氮化镓射频器件方面，2020年的整体市场规模为8.91亿美元，预计到2026年增长至24亿美元，复合年均增长率为18%。
从产业链看，国内氮化镓产业链已基本形成，产业结构相对聚焦中游（如图1），中国企业纷纷入场，主要代表企业分布在全国各地（如图2）。
图1 全球氮化镓产业链图谱
图2 中国氮化镓企业及代表性业务
中国在氮化镓技术上起步虽晚发力强劲
智慧芽数据显示，全球在氮化镓产业已申请16万多件专利，有效专利6万多件（如图3）。其中，保护类型以发明专利为主，行业技术创新度比较高。报告指出，该领域美日技术实力较强，中美日市场较热。
图3 全球氮化镓产业专利申请情况
从技术发展的历史演进来看，20世纪70年代初出现氮化镓相关专利申请，1994年之前尚处于探索阶段，参与企业较少；1994-2005年进入快速发展期，主要驱动力是LED照明商用化；2010年开始，日本住友、日立等对氮化镓衬底大尺寸的突破和进一步产品化，促进了相关专利量的进一步快速增长；自2014年起，专利申请量总体趋于稳步发展态势，年专利申请量基本维持在9000件以上，在这段时期，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。
从氮化镓领域全球技术布局来看，中国、美国和日本为氮化镓技术热点布局的市场。其中，美国和日本起步较早，起步于20世纪70年代初，而中国起步虽晚，但后起发力强劲（如图4）。值得注意的是，目前全球的氮化镓技术主要来源于日本。
图4 中、美、日氮化镓技术专利申请趋势图（来源：智慧芽整理）
国内外龙头企业技术洞察对比
报告显示，全球氮化镓主要创新主体的龙头主要集中于日本。氮化镓产业国外重点企业包括日本住友、美国Cree、德国英飞凌、韩国LG、三星等（如图5），中国企业代表有晶元光电、三安光电、台积电、华灿光电等（如图6）。但目前中国企业和国外企业相比，专利申请数量仍有一定差距。
图5 氮化镓领域国外企业代表（来源：智慧芽整理）
图6 氮化镓领域中国企业代表（来源：智慧芽整理）
在这些企业中，日本住友全球率先量产氮化镓衬底，是全球氮化镓射频器件主要供应商，同时也是华为GaN射频器件主要供应商之一。住友聚焦于衬底和器件方面的研究，其中，器件方面近几年侧重于氮化镓FET器件。该公司的氮化镓衬底单晶生长技术侧重HVPE法，重点解决衬底缺陷、尺寸等难题。此外，住友在氮化镓FET器件上，侧重外延工艺和芯片工艺突破。
美国Cree依靠其技术储备支撑氮化镓功率器件的市场化。2019年，Cree逐步剥离LED业务，专注于碳化硅电力电子器件和用于GaN射频器件，并于2021年正式更名为Wolfspeed（原Cree旗下的功率&射频部门）。在技术分布上，发光二极管LED和GaN基FET器件两大方向是Cree重要的专利布局领域。其中，前者的研发热度在近几年明显衰退，而Cree在后者的细分领域中则探索了较多的技术难题，注重器件多性能发展。
德国英飞凌持续深耕功率器件领域，且重点关注美国市场。其前身作为西门子集团的半导体部门，英飞凌主要生产IGBT、功率MOSFET、HEMT、DC-DC转换器、栅极驱动IC、AC-DC电源转换器等功率半导体器件，曾连续10年居全球功率半导体市场之首。在氮化镓领域，英飞凌的技术分布于集中产业链中游——器件模组，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）的研发。总体而言，英飞凌在功率模块、GaN基FET器件上布局的专利最多。
国内LED龙头“三安光电”在氮化镓领域有一定技术储备。三安光电是目前国内规模最大的LED外延片、芯片企业。2014年，该公司投资建设氮化镓高功率半导体项目；2018年，在福建泉州斥资333亿元投资Ⅲ-Ⅴ族化合物半导体材料、LED外延、芯片、微波集成电路、光通讯、射频滤波器等产业。在氮化镓领域，三安光电同样集中于产业链中游——器件模组的研究。其布局的器件类型主要包括可见光LED、紫外LED、Micro/Mini LED和GaN基FET。2016年后，三安光电对可见光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。
氮化镓三大重点技术解析
首先， GaN 衬底技术是器件降本的突破口 ，当前正从小批量规模向产业商业化方向发展，同时向大尺寸和高晶体质量方向发展。GaN单晶衬底以2-3英寸为主，4英寸已实现商用，6英寸已实现样本开发；GaN异质外延衬底则已实现6英寸产业化，8英寸正在进行产品研发。
全球GaN衬底技术共有13000多件专利，其中有效专利量4800多件，占比为35.2%。其中，审中专利占比较少，可见未来有效专利增长空间较小。此外，日本和美国两大市场分布的专利较多。全球衬底技术排名靠前的专利申请人以日本企业居多，整体技术实力较强，且日本住友在衬底领域技术储备占有绝对优势。
第二，在氮化镓基FET器件技术的应用中， 车规级氮化镓功率器件市场规模进入新纪元，其 市场规模不断升高 。 在电动汽车领域，目前EPC和Transphorm已经通过了车规认证。与此同时，BMW i Ventures对GaN Systems公司的投资，表明了汽车行业越来越认可和重视GaN功率器件解决方案应用于电动汽车及混合动力汽车（EV/HEV）。
整体上，氮化镓基FET器件正在向多单元模块化发展。在这一领域中，美国、日本和中国为GaN基FET器件热点布局的市场，其中重点为美国市场。自2000年起，该技术领域开始快速发展，且到2010年后，发展速度进一步加快。头部企业中，日本企业仍占据大多数，且美国Cree和英特尔也占有一定的优势。
第三， Micro LE D应用场景广泛涵盖微显示和数字终端领域，未来可期 。 可穿戴设备以及超大屏显示将于2021年进入市场。据分析机构Yole预测，至2025年产业链成熟后，或将达到3.3亿台的出货量。
Micro LED显示技术的优势是自发光、低功耗、高亮度、超高分辨率、小尺寸和高色彩饱和度，十分符合显示屏领域轻薄化、小型化、低功耗、高亮度的发展方向。因此，高反应速度的Micro LED是现今非常热门的新一代显示概念，将成为LED未来的发展方向。
在Micro LED领域，巨量转移技术是该领域发展的重点。Micro/Mini LED技术在近5年处于高速发展期，中国专利申请趋势与全球总体一致，并且近5年的发展势头迅猛，全球领先。在这一技术的全球主要专利申请人中，Facebook和苹果公司分别位列第一、第二，国内企业如京东方、歌尔股份、三安光电等也都名列前茅。
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