中國氮化鎵（GaN）在射頻、電力電子及光電子行業(yè)中應(yīng)用規(guī)模預(yù)測[圖]

    氮化鎵（GaN）是極其穩(wěn)定的化合物，又是堅硬和高熔點材料，熔點為1700℃。GaN具有高的電離度，在三五族化合物中是最高的（0.5或0.43）。在大氣壓下，GaN晶體一般是六方纖鋅礦結(jié)構(gòu)，因為其硬度大，所以它又是一種良好的涂層保護材料。GaN具有出色的擊穿能力、更高的電子密度和電子速度以及更高的工作溫度。GaN的能隙很寬，為3.4eV，且具有低導(dǎo)通損耗、高電流密度等優(yōu)勢。

    高功率射頻技術(shù)對比

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    GaN是一種III/V直接帶隙半導(dǎo)體，通常用于微波射頻、電力電子和光電子三大領(lǐng)域。具體而言，微波射頻方向包含了5G通信、雷達預(yù)警、衛(wèi)星通訊等應(yīng)用；電力電子方向包括了智能電網(wǎng)、高速軌道交通、新能源汽車、消費電子等應(yīng)用；光電子方向包括了LED、激光器、光電探測器等應(yīng)用。

    GaN的下游應(yīng)用

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    1、射頻：5G基站、雷達—GaN射頻器件大有可為

    自20年前出現(xiàn)首批商業(yè)產(chǎn)品以來，GaN已成為射頻功率應(yīng)用中LDMOS和GaAs的重要競爭對手，其性能和可靠性不斷提高且成本不斷降低。第一批GaN-on-SiC和GaN-on-Si器件幾乎同時出現(xiàn)，但GaN-on-SiC技術(shù)更加成熟。目前在射頻GaN市場上占主導(dǎo)地位的GaN-on-SiC突破了4GLTE無線基礎(chǔ)設(shè)施市場，并有望在5G的Sub-6GHz實施方案的RRH（RemoteRadioHead）中進行部署。

    GaN在射頻市場更關(guān)注高功率、高頻率場景。由于GaN在高頻下具有較高的功率輸出和較小的面積，GaN已被射頻行業(yè)廣泛采用。隨著5G到來，GaN在Sub-6GHz宏基站和毫米波（24GHz以上）小基站中找到一席之地。GaN射頻市場將從2018年的6.45億美元增長到2024年的約20億美元，這主要受電信基礎(chǔ)設(shè)施和國防兩個方向應(yīng)用推動，衛(wèi)星通信、有線寬帶和射頻功率也做出了一定貢獻。

    智研咨詢發(fā)布的《2020-2026年中國氮化鎵(GaN)行業(yè)市場分析預(yù)測及投資機會預(yù)測報告》數(shù)據(jù)顯示：隨著新的基于GaN的有源電子掃描陣列（AESA）雷達系統(tǒng)的實施，基于GaN的軍用雷達預(yù)計將主導(dǎo)GaN軍事市場，從2018年的2.7億美元增長至2024年的9.77億美元，CAGR達23.91％，具有很大的增長潛力。GaN無線基礎(chǔ)設(shè)施的市場規(guī)模將從2018年的3.04億美元增長至2024年的7.52億美元，CAGR達16.3%。GaN有線寬帶市場規(guī)模從2018年的1550萬美元增長至2024年的6500萬美元，CAGR達26.99%。GaN射頻功率市場規(guī)模從2018年的200萬美元增長至2024年的10460萬美元，CAGR達93.38%，具有很大的成長空間。

    GaNRF器件市場規(guī)模預(yù)測

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    2018-2024GaNRF器件市場規(guī)模預(yù)測（百萬美元）

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    在基站收發(fā)器（BTS）生態(tài)系統(tǒng)中引入GaN可大幅提高前端效率，使其成為適用于高功率和低功耗應(yīng)用的新技術(shù)，GaN-on-Si有望挑戰(zhàn)基站收發(fā)器（BTS）和射頻功率市場中現(xiàn)有的LDMOS方案。為了滿足多樣化的5G要求，GaN制造商需要提供涵蓋多種頻率和功率水平的選擇。

    GaN在基站中大量使用

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    2、電力電子：GaN推動快充、汽車電子進入小體積、高效率時代

    GaN技術(shù)有望大幅改進電源管理、發(fā)電和功率輸出等應(yīng)用。2005年電力電子領(lǐng)域管理了約30％的能源，預(yù)計到2030年，這一數(shù)字將達到80%。這相當(dāng)于節(jié)約了30億千瓦時以上的電能，這些電能可支持30多萬個家庭使用一年。從智能手機充電器到數(shù)據(jù)中心，所有直接從電網(wǎng)獲得電力的設(shè)備均可受益于GaN技術(shù)，從而提高電源管理系統(tǒng)的效率和規(guī)模。

    電源開關(guān)的分類

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    GaN在未來幾年將在許多應(yīng)用中取代硅，其中，快充是第一個可以大規(guī)模生產(chǎn)的應(yīng)用。在600伏特左右的電壓下，GaN在芯片面積、電路效率和開關(guān)頻率方面的表現(xiàn)明顯好于硅，因此在壁式充電器中可以用GaN來替代硅。5G智能手機的屏幕越來越大，與之對應(yīng)的是手機續(xù)航的需求越來越高，這意味著電池容量的增加。GaN快充技術(shù)可以很好地解決大電池帶來的充電時長問題。

    GaN增加了功率和效率

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    受消費者快速充電器應(yīng)用推動，預(yù)測到2024年GaN電源市場規(guī)模將超過3.5億美元，CAGR為85％，有極大增長空間。此外，GaN還有望進入汽車及工業(yè)和電信電源應(yīng)用中。從生產(chǎn)端看，GaN功率半導(dǎo)體已開始批量出貨，但其價格仍然昂貴。制造成本是阻礙市場增長的主要障礙，因為到今天GaN仍主要使用6英寸及以下晶圓生產(chǎn)。一旦成本可降低到一定門檻，市場就會爆發(fā)。

    3、光電子：GaN低功耗、高發(fā)光效率為LED、紫外激光器助力

    1993年，Nichia公司中村修二推出了第一只高亮度GaN藍光LED，解決了自1962年LED問世以來高效藍光缺失的問題，1996年又首次在藍光LED上涂覆黃色熒光粉從而實現(xiàn)白光發(fā)射，開啟了LED白光照明的新時代。目前實現(xiàn)白光LED有三種主要方法：（1）采用藍色LED激發(fā)黃光熒光粉，實現(xiàn)二元混色白光；（2）利用紫外LED激發(fā)三基色熒光粉，由熒光粉發(fā)出的光合成白光；（3）基于三基色原理，利用紅、綠、藍三基色LED芯片合成白光。

    氮化鎵（GaN）因其材料的高頻特性是制備紫外光器件的良好材料，紫外光電芯片具備廣泛的軍民兩用前景。在軍事領(lǐng)域，典型的軍事應(yīng)用有：滅火抑爆系統(tǒng)（地面坦克裝甲車輛、艦船和飛機）、紫外制導(dǎo)、紫外告警、紫外通信、紫外搜救定位、飛機著艦（陸）導(dǎo)引、空間探測、核輻射和生物戰(zhàn)劑監(jiān)測、爆炸物檢測等。在民用領(lǐng)域，典型的應(yīng)用有：火焰探測、電暈放電檢測、醫(yī)學(xué)監(jiān)測診斷、水質(zhì)監(jiān)測、大氣監(jiān)測、刑事生物檢測等。由此可見，GaN在光電子學(xué)和微電子學(xué)領(lǐng)域有廣泛的應(yīng)用，其中GaN基紫外激光器在紫外固化、紫外殺菌等領(lǐng)域有重要的應(yīng)用價值，也是國際上的研究熱點。

    紫外激光器照到復(fù)印紙上形成的藍色光斑

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    2018年全球UVLED市場規(guī)模達2.99億美金，預(yù)計到2023年市場規(guī)模將達9.91億美金，2018-2023年CAGR達到27%。UVLED廣闊的發(fā)展前景正吸引越來越多的廠商進入。

    全球UVLED市場規(guī)模（億美金）

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    基于氮化鎵半導(dǎo)體的深紫外發(fā)光二極管（LED）是紫外消毒光源的主流發(fā)展方向，其光源體積小、效率高、壽命長，僅僅是拇指蓋大小的芯片模組，就可以發(fā)出比汞燈還要強的紫外光。由于其具備LED冷光源的全部潛在優(yōu)勢，深紫外LED是公認(rèn)的未來替代紫外汞燈的綠色節(jié)能環(huán)保產(chǎn)品。但深紫外LED技術(shù)門檻很高，目前還是處于發(fā)展階段，在光功率、光效、壽命、成本等方面還有待提升。近年來，深紫外LED的技術(shù)水平和芯片性能進步很快，在一些高端領(lǐng)域已經(jīng)得到批量應(yīng)用，未來預(yù)計會得到更加廣泛的應(yīng)用。