国产芯片新突破点!报告揭秘爆发中的第三代半导体材料

第三代半导体材料是功率半导体跃进的基石。第三代半导体材料众多战略行业可以降低50%以上的能量损失,最高可以使装备体积减小75%以上,是半导体产业进一步跃进的基石。先进半导体材料已上升至国家战略层面,2025年目标渗透率超过50%。底层材料与技术是半导体发展的基础科学,在2025中国制造中,对第三代半导体单晶衬底、光电子器件/模块等细分领域做出了目标规划。在任务目标中提到2025实现在5G通信、高效能源管理中的国产化率达到50%;在新能源汽车、消费电子中实现规模应用,在通用照明市场渗透率达到80%以上。

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本期内参来源:世纪证券

原标题:

《从新基建与消费电子看第三代半导体材料》

作者:陈建生

一、爆发中的第三代半导体材料

功率半导体下游细分领域带动需求爆发式增长,将带动第三代半导体材料应用 。功率半导体在电子行业中应用广泛,且技术相对成熟,目前是以硅片为衬底,带隙宽度较小,市场普遍认为,增长弹性不大,整体规模保持稳定。与之有差异的是,我们认为,未来功率半导体将呈现高性能,高增长,高集中度的发展趋势,从而带动第三代半导体材料应用需求,主要原因有以下几点:

1)下游新兴行业增量显著;

2)自给率仍然偏低,替代空间巨大;

3)未来集中产品碎片化将有所改善,高端产品如IGBT、MOSFET产品性能和技术壁垒同步提升,下游对高端产品的依赖度会随之增加。功率半导体市场规模较大,高性能驱使下,新型半导体衬底材料渗透率有望进一步提升。

贸易摩擦加剧与摩尔定律见顶双重背景下,底层材料提供了弯道超车的可能性 。美方对华为制裁规模未有缩小趋势,同时加剧了多方面的技术围剿,底层材料的重要性不容忽视。美方将计划限制华为使用美国技术和软件在海外设计和制造半导体的能力来保护国家安全,华为及其被列入实体清单的分支机构生产的以下产品将受出口管理条例(EAR)的约束,具体而言包括以下两个方面:

1)华为及相关公司利用美国管制清单(CCL)上的软件和技术直接生产的产品;

2)根据华为的设计规范,在美国海外的地方利用CCL清单上的半导体制造设备生产的芯片等产品,此类产品在向华为及其分支机构出货时需要申请许可证。

摩尔定律在硅时代已接近效能极限,台积电已开始2nm探索性研发,单一增加制程精度的方式不可持续。“摩尔定律”在过去的几十年中是集成电路性能增长的黄金定律。其核心内容:价格维持不变时,集成电路上可容纳的元件数目,约每隔18-24个月便会增加一倍,性能也将提升一倍。根据ITRS的观点,传统的硅晶体管微缩至6纳米已达极限。以硅材料为根基的摩尔定律即将失效。若半导体仍以摩尔定律趋势发展,则需要在底层材料中形成突破。美国、欧盟、日韩等国家和地区组织已经通过制定研发项目的方式来引导产业发展。目前主要的突破手段存在于几个方面:

1)底层材料突破,除氮化镓、砷化镓外,以碳基为材料的半导体技术也在持续突破;

2)以SIP封装为代表的高密度集成方式,一定程度上满足了性能的发展需求。

国内基站端建设投资力度扩大,国内需求将大于国外。预计2020年5G新=建基站有望达到80w座以上,其中大部分将以“宏基站为主,小基站为辅”的组网方式。在射频端高频高速的背景下,第三代半导体材料的渗透率将会大幅提升,2023年GaN RF在基站中的市场规模将达到5.2亿美元,年复合增长率达到22.8%。未来随着GaN技术进步和规模化发展,GaN PA渗透率有望不断提升,预计到2023年市场渗透率将超过85%。5G宏基站使用的PA(Power Amplifier,功率放大器)数量在2019年达到1843.2万个,2020年有望达到7372.8万个,同比增长有望达到4倍。预计今年,基于GaN工艺的基站PA占比将由去年的50%达到58%。

消费电子市场规模分别受益于快充渗透率与新能源汽车电子化率的提升。假设智能手机未来三年GaN快充渗透率为1%、3%、5%,可穿戴需求度相对手机端有所降低,三年的渗透率为0.5%、1%、2%;我们预计2020年全球GaN充电器市场规模为24.41亿元,2022年有望达到87.74亿元。在新能源车型中,目前混动新能源汽车占新能源汽车总量的80%以上,电机与电控是核心元器件。GaN可用于48VDC/DC以及OBC(On Board Charger车载充电机)。据Yole的预测,2023年该领域的市场规模将达到2500万美元。新能源汽车无疑是电力电子设备市场的主要驱动力,也是不同技术路线(Si、SiC和GaN)的主要争夺市场。

二、受益于下游新兴领域快速发展

功率IC和功率分立器件占功率半导体的绝大部分。功率器件是通过控制电子设备中电压、电流、频率以及交流(AC)直流(DC)的转换,从而达到控制元器件的功能。功率半导体属于半导体的一个细分领域,是通过变换电能的交直流、电压电流频率大小从而实现对电路控制的核心器件,可以分为功率IC和功率分立器件两大类。功率IC是将控制电路和大功率器件集成在同一块芯片上控制的集成电路,主要的应用产品是电源管理,承担变换、分配、检测电压电流频率的功能,由于在电子设备系统中每个模块所需供电电压和电流各不相同,需要电源管理芯片对不同元器件所需电能情况进行转换和调节。

功率分立器件主要包括有二极管、晶体管及晶闸管,晶体管占有重要的份额,其中MOSFET(金属氧化物半导体场效晶体管)和IGBT(绝缘栅双极型晶体管)产品性能优越,控制能力及范围有出色的表现,近年来市场规模增长较快,结构占比不断提升。

▲功率半导体主要分类

从细分产品来看,功率半导体因其不同的性能,发挥作用也有所不同。二极管具有单向导电性能,即给二极管阳极和阴极加上正向电压时,二极管导通。当给阳极和阴极加上反向电压时,二极管截止。因此,二极管的导通和截止,则相当于开关的接通与断开。

晶闸管。晶闸管设计用于在高电流和高电压下工作,并且通常用于AC电流到DC电流的整流以及AC电流频率与幅值的调整。通常将晶闸管可以分为可控硅整流器(通常称为晶闸管)和栅极关断晶闸管(GTO),以上均属于高功率器件。

MOSFET属于晶体管的一种,与标准双极晶体管之间的基本区别在于源极–漏极电流由栅极电压控制,使其工作比需要高基极电流导通的双极晶体管更节能。此外,它具有快速关闭功能及允许高频率切换,由于工作环境可以承受更高的温度,特别适用于家用电器,汽车和PC电源的电源设计。

IGBT将双极晶体管的某些特性与单个器件中的MOSFET的特性结合在一起。IGBT与MOSFET有显着差异,制造起来更具挑战性。IGBT器件可以处理大电流(如双极晶体管)并受电压控制(如MOSFET),使其适用于高能量应用,如变速箱,重型机车,大型船舶螺旋桨等。

▲各功率半导体的主要特性及应用场景

全球市场规模平稳增长,国内市场需求有望保持高速增长。功率半导体作为电子设备中最基础的元器件,应用领域极其广泛。从市场规模来看,根据IHSMarkit数据,2018年全球功率半导体市场规模约为400亿美元,预计到2021年市场规模将增长至441亿美元,年复合增速为4.1%。中国是全球最大的功率半导体消费市场,未来有望保持高速发展,根据IHS Markit数据,2018年国内市场规模达到138亿美元,增速为9.5%,占全球需求比例高达35%,预计未来中国功率半导体将继续保持较高速度增长,2021年市场规模有望达到159亿美元,年复合增速达4.8%。从增量来源来看,由于下游新能源以及汽车电子化程度的提升,功率半导体的应用领域已从工业控制和消费电子拓展至光伏、风电、智能电网、变频家电、新能源汽车等诸多市场,下游新型领域市场的发展情况是功率半导体未来增量的重要保证。

▲全球功率半导体市场规模及增速

从应用范围角度看,任何需要电能转换、电能与信号转换地方都需要功率半导体。从应用功率大小来看,可以划分为四大应用场景

1)消费类电子产品/白色家电,功率范围10W-100W:功率半导体是消费电子产品中控制充电机制、功率输出和能效的核心元器件。在白色家电中,优化的感应技术以及变频需求,也使得功率半导体也是白色家电走向智能化的核心。

2)新能源汽车及数据通信,功率范围100W-10kW:新能源汽车的电气化占比快速提升,目前新能源汽车相比于燃油车电子零部件价值增加5倍以上,新增的功率半导体器件的性能和功率效率是电动汽车运行的关键,功率元件主要用于逆变器、电源控制系统。

功率半导体保证数据中心不间断供电以及电压稳定方面具有重要作用,主要用于整流,电池充电和DC/AC逆变。UPS是IDC的必需设备,极大程度增加了服务器系统中功率半导体元件的使用,未来氮化镓的使用和能量比例计算将继续增加数据中心中功率半导体使用的广度。

3)可再生能源及交通运输,功率范围10kW-1000kW:可再生能源发电也需要高功率半导体,因为可再生能源不规则,需要高的发电效率才能实现经济可持续发展。以每兆瓦时为基础,风电场需要比传统燃煤电站多30倍的功率半导体价值量。

使用IGBT的变速驱动器越来越多地取代工业应用中的传统电机,因为它们可以显着提高能效。功率半导体对于工厂的进一步自动化也至关重要,“工业4.0”的革命在很大程度上取决于增加的功率和传感器半导体内容,以驱动工厂的机器人技术。

4)智能电网和储能,功率范围1000kW以上:可再生能源(特别是风能和太阳能)的消纳对于智能电网的稳定性带来了巨大的挑战,电能的难以存储也为储能带来了更大的难度。有效的能量存储对于向可再生能源对总发电的更高贡献的转变至关重要,并且需要再次有效地转换电能,即功率半导体。

▲功率半导体按照输出功率分类的应用场景

功率IC与功率分立器件市场份额占比接近各半,IGBT、MOSFET在分立器件中占比较大。在全球功率半导体市场,功率IC和功率分立器件几乎平分了整个市场份额。根据Yole、IHS、Gartner数据汇总分析,2018年,功率IC和功率器件全球市场份额分别为54%和46%。其中,在功率分立器件市场中,MOSFET和IGBT占比较大,分别为17%和15%,功率二极管/整流桥占比稍低,为12%。

▲2018年全球IGBT市场格局

▲ 2018年全球MOSFET市场格局

在中国功率半导体市场,电源管理IC、MOSFET和IGBT合计占据了95%的市场份额。其中,电源管理IC市占率高达61%,占比最大,MOSFET和IGBT市场份额分别为20%和14%。得益于下游消费电子、新能源汽车、通讯行业近几年的快速发展,电源管理IC市场保持稳健增长,截止2018年,中国电源管理IC市场规模已达84.3亿美元。同时,未来伴随新能源汽车行业的快速发展,MOSFET和IGBT也将迎来广阔的成长空间。

▲2018年全球功率半导体产品结构

▲2018年国内功率半导体产品结构

中国为全球最大的消费国和进口国,随下游新兴领域发展加快,国产替代空间明显。由于功率半导体下游应用广泛,市场普遍认为行业增速弹性不大,整体规模保持稳定。与之有差异的是,我们认为,未来功率半导体将呈现高性能,高增长,高集中度的发展趋势,主要原因有以下几点:

1)下游新兴行业增量显著:下游以汽车电子为代表的新兴应用增速进一步加快,除去传统电子控制系统外,电驱、电控、电池三大件对于功率半导体的需求量爆发式增长,假设2025年新能源汽车市场规模达到150亿元,按照汽车电子化率30%测算,仅在新能源汽车中的电子元器件增量为50亿元;

2)自给率仍然偏低,替代空间巨大:国内需求增加的同时,自给率不足20%,从国内外产业链的对比来看,假设自给率达到50%,国内至少仍有50亿美元的市场空间增量;

3)未来集中度会进一步提升,产品碎片化将有所改善:由于产品种类繁多,总体较为碎片化,但部分高端产品如IGBT、MOSFET产品性能和技术壁垒同步提升,下游对高端产品的依赖度会随之增加,细分领域集中度提升是必然趋势。

▲2018年全球功率半导体市场份额

▲2018年中国功率半导体市场份额

三、第三代半导体材料是功率半导体跃进的基石

第三代半导体材料以碳化硅、氮化镓为代表,极具性能优势。第三代半导体材料是指带隙宽度明显大于Si的宽禁带半导体材料,主要包括SiC、GaN、金刚石等,因其禁带宽度大于或等于2.3电子伏特,又被称为宽禁带半导体材料。和第一代、第二代半导体材料相比,第三代半导体材料具有高热导率、高击穿场强、高饱和电子漂移速率和高键合能等优点,可以满足现代电子技术对高温、高功率、高压、高频以及高辐射等恶劣条件的新要求。第三代半导体材料在航空、航天、光存储等领域有着重要应用前景,在宽带通讯、太阳能、汽车制造、半导体照明、智能电网等众多战略行业可以降低50%以上的能量损失,最高可以使装备体积减小75%以上,是半导体产业进一步跃进的基石。

▲三代半导体材料主要特征

半导体材料经历了三次明显的换代和发展。第一代半导体材料是Si、Ge等单质半导体材料,由于其具有出色的性能和成本优势,目前仍然是集成电路等半导体器件主要使用的材料;第二代半导体材料以GaAs和InP等材料为代表。第二代半导体材料在物理结构上具有直接带隙的特点,相对于Si材料具有光电性能佳、工作频率高、抗高温、抗辐射等优势,可以应用于光电器件和射频器件;第三代半导体材料以GaN和SiC等材料为代表。1969年实现了GaN单晶薄膜的制备。1994年中村修二研发了第一支高亮度的GaN基蓝光LED。1891年,SiC晶体被人工合成。1955年,飞利浦实验室的Lely发明SiC的升华生长法(或物理气相传输法,即PVT法),后来经过改进后的PVT法成为SiC单晶制备的主要方法。

材料分子结构导致先天性能优势。第三代半导体材料相对于Si材料具有:禁带宽度更大、电子饱和飘移速度较高等特点,制作出的半导体器件拥有光电性能优异、高速、高频、大功率、耐高温和高辐射等特征,具备应用于光电器件、微波器件和电力电子器件的先天性能优势。

▲第三代半导体与硅的特性对比

GaN衬底技术难度较大,光电子领域中较为成熟。目前,SiC衬底技术相对简单,主要制备过程大致分为两步:第一步SiC粉料在单晶炉中经过高温升华之后在单晶炉中形成SiC晶锭;第二步通过对SiC晶锭进行粗加工、切割、研磨、抛光,得到透明或半透明、无损伤层、低粗糙度的SiC晶片(即SiC衬底)。GaN衬底的生长主要采用HVPE(氢化物气相外延)法,制备技术仍有待提升,行业产量较低,导致GaN衬底的缺陷密度和价格较高,目前只有激光器等少数器件采用GaN同质衬底;GaN电力电子器件的衬底主要采用Si衬底,部分企业采用蓝宝石衬底,GaN同质衬底的器件在研发中;GaN射频器件主要是SiC高纯半绝缘衬底,少数企业采用Si做衬底;GaN光电子器件是GaN材料最成熟的领域,基于蓝宝石、SiC和Si衬底的蓝宝石LED产业已经进入成熟阶段。

高技术门槛导致第三代半导体材料市场以日美欧寡头垄占,国内企业在SiC衬底方面以4英寸为主。目前,国内已经开发出了6英寸导电性SiC衬底和高纯半绝缘SiC衬底,山东天岳公司、北京天科合达公司和河北同光晶体公司分别与山东大学、中科院物理所和中科院半导体所进行技术合作与转化,在SiC单晶衬底技术上形成自主技术体系。国内目前已实现4英寸衬底的量产;同时山东天岳、天科合达、河北同光、中科节能均已完成6英寸衬底的研发;中电科装备已成功研制出6英寸半绝缘衬底。在GaN衬底方面,国内企业已经可以小批量生产2英寸衬底,具备4英寸衬底生产能力,并开发出6英寸衬底样品。目前已实现产业化的企业包括苏州纳米所的苏州纳维科技公司和北京大学的东莞市中镓半导体科技公司,其中苏州纳维目前已推出4英寸衬底产品,并且正在开展6英寸衬底片研发。

先进半导体材料已上升至国家战略层面,2025年目标渗透率超过50%。底层材料与技术是半导体发展的基础科学,在2025中国制造中,分别对第三代半导体单晶衬底、光电子器件/模块、电力电子器件/模块、射频器件/模块等细分领域做出了目标规划。在任务目标中提到2025实现在5G通信、高效能源管理中的国产化率达到50%;在新能源汽车、消费电子中实现规模应用,在通用照明市场渗透率达到80%以上。

▲2025第三代半导体材料发展目标

摩尔定律在硅时代6nm已接近效能极限。“摩尔定律”在过去的几十年中是集成电路性能增长的黄金定律。其核心内容:价格维持不变时,集成电路上可容纳的元件数目,约每隔18-24个月便会增加一倍,性能也将提升一倍。根据ITRS的观点,传统的硅晶体管微缩至6纳米已达极限。以硅材料为根基的摩尔定律即将失效。若半导体仍以摩尔定律趋势发展,则需要在底层材料中形成突破。美国、欧盟、日韩等国家和地区组织已经通过制定研发项目的方式来引导产业发展。

▲摩尔定律:1971-2018年集成电路晶体管数量变化

超越摩尔定律,新材料是突破路径之一。目前市面上超过99%的集成电路都是以第一代元素半导体材料之一,硅(Si)、锗(Ge)材料在20世纪50年代有过高光时刻,广泛应用于低压、低频、中功率晶体管以及光电探测器中,但到了60年代后期因耐高温和抗辐射性能较差,工艺更难、成本更高逐渐被硅材料取代。第三代宽禁带半导体材料(SiC、GaN等),因其禁带宽度(Eg)大于或等于2.3电子伏特(eV)而得名。第三代半导体材料具有优越的性能和能带结构,广泛用于射频器件、光电器件、功率器件等制造,具有很大的发展潜力。目前第三代半导体材料已逐渐渗透5G、新能源汽车、绿色照明等新兴领域,被认为是半导体行业的重要发展方向。

美欧等经济体持续加大化合物半导体投入。2018年,美国、欧盟等国家和组织启动了超过15个研发项目。其中,美国的研发支持力度最大。2018年美国能源部(DOE)、国防先期研究计划局(DARPA)、和国家航空航天局(NASA)和电力美国(Power America)等机构纷纷制定第三代半导体相关的研究项目,支持总资金超过4亿美元,涉及光电子、射频和电力电子等方向,以期保持美国在第三代半导体领域全球领先的地位。此外,欧盟先后启动了“硅基高效毫米波欧洲系统集成平台(SERENA)”项目和“5GGaN2”项目,以抢占5G发展先机。

▲各国第三代半导体领域研发项目

四、新基建视角:5G射频端需求带动GaN爆发式增长

5G宏基站将加速GaN取代LDMOS市场份额。5G商用宏基站将以64通道的大规模阵列天线为主,单基站PA(射频功率放大器)需求量接近200个,目前基站用功率放大器主要为LDMOS(横向扩散金属氧化物半导体)技术,但是LDMOS技术适用于低频段,在高频领域存在局限性。5G基站GaN射频PA将成为主流技术,对LDMOS的市场份额有一定的挤压,GaAs器件份额变化不大。GaN能较好的适用于大规模MIMO(多输入多输出Multi InputMulti Output)通道,根据Yole的预计,2023年GaN RF在基站中的市场规模将达到5.2亿美元,年复合增长率达到22.8%。未来随着GaN技术进步和规模化发展,GaN PA渗透率有望不断提升,预计到2023年市场渗透率将超过85%。

▲GaN将逐步取代LDMOS市场份额

▲2019年起5G基站将走向建设高峰

射频器件数量成倍上升成为后续主要增长动力。2018年基站领域GaN射频器件规模为1.5亿美元,占GaN射频器件市场的33%的份额。5G时代基站领域的射频器件将以GaN器件为主,随着5G通信的实施,2020年市场规模会出现明显增长。并且,为了充分利用空间资源,提高频谱效率和功率效率,大规模多输入多输出(Massive MIMO)技术应运而生,通过在基站侧安装几百上千根天线,实现大量天线同时收发数据,为此将带动功率放大器等射频模块的需求,使得GaN射频器件的规模不断增长。

▲GaN射频器件需求量

▲Massive MIMO在5G中将大量出现

含有GaN的基站PA有望实现爆发式增长。目前我国5G宏基站使用的PA(Power Amplifier,功率放大器)数量在2019年达到1843.2万个,2020年有望达到7372.8万个,同比增长有望达到4倍。预计今年,基于GaN工艺的基站PA占比将由去年的50%达到58%。在此背景下,以华为为代表的通信设备厂商加大基站PA的自研力度和采购数量,未来市场规模有望进一步扩大。对于华为巨大的基站和手机PA用量来说,依然以外购为主,而在当下贸易限制的大背景下,正在加大来自中国本土的PA供应量,国内GaN领域公司望受益。

4G时代小基站(Small Cells)已有爆发式增长,产品性能优势明显。小基站可更加有效改善室内深度覆盖、增加网络容量、提升用户感知,是网络部署的重要组成部分。4G时代,能够有效覆盖室内或者热点区域的小基站获得了快速发展。小基站借鉴了WLAN的网络架构,引入了Femtocell(飞站),分流宏蜂窝流量压力,并解决室内覆盖难的问题。随着小基站应用范围扩大,以及产品类型丰富,小基站分类包括室外Micro、室内的Pico、分布式Pico、Femtocell等,从产品形态、发射功率、覆盖范围等方面,都相比传统宏站小很多。皮站(Pico)具有低成本、易部署的综合优势。主要为企业级应用,针对室内公共场所。飞站(Femtocell)主要为家庭级应用,外表美观,具有易安装、易配置,管理傻瓜化的特点。从统计上来看,绝大多数的数据业务发生在室内或热点区域。相比宏基站,小基站可有效改善室内深度覆盖、增加网络容量、提升用户感知,因而越来越受到业界的关注。

▲ 小基站设备形态及应用场景

目前采用“宏基站为主,小基站为辅”的组网方式,是网络广深覆盖的重要途径。宏蜂窝基站一般有3个扇区,微蜂窝基站一般只有1个扇区。宏基站和小基站的区别在于,小微基站设备统一都装在电源柜里,一个柜子加天线即可实现部署,体积较小。宏基站需要单独的机房和铁塔,设备,电源柜,传输柜,空调等分开部署,体积较大。一方面,5G主要采用3.5G及以上的频段,在室外场景下覆盖范围更小,受建筑物等阻挡,信号衰减更加明显,宏基站布设成本较高。另一方面,由于宏基占用面积较大,布设难度较高,站址选择难度增大,而小基站体积小,布设简单,可以充分利用社会公共资源快速部署。5G室外场景下,小基站和宏基站配合组网,实现成本和网络性能最优将是重要的发展思路。

5G正式开启小基站市场,高功率高频段需求进一步提升GaN渗透率。目前针对4G和LTE基站市场宏基站主要采用SiLDMOS功率放大器,小基站主要采用GaAs功率放大器,但GaN功率放大器的渗透率将不断提高。然而,LDMOS功率放大器的带宽会随着频率的增加而大幅减少,仅在不超过约3.5GHz的频率范围内有效,相比之下,GaN射频器件更能有效满足高功率、高通信频段和高效率等要求。随着5G的推进,在小基站以及微基站市场,GaAs功率放大器凭借性能优势和较低的成本也有望占据部分市场。根据Yole预测,GaAs射频器件市场总额预计到2022年将达到8.576亿美元,其中。同时GaN射频器件的市场规模将从2017年3.8亿美元到2023年增长至13亿美元,GAGR超过20%,最主要的增量也是来自于基站的应用。

五、消费电子视角:高效能、小体积加速GaN消费电子中的应用

GaN三个特点大幅提升效率:开关频率高、禁断宽度大、更低的导通电阻。开关频率是指充电头内部晶闸管,可控硅等电子元件,每秒可以完全导通、断开的次数。变压器恰好是充电器中体积最大的元器件之一,占据了内部相当大的空间。开关的频率高可使用体积更小的变压器。使用氮化镓作为变压元件,变压器和电容的体积减少,有助于减少充电头的体积和重量。禁带宽度直接决定电子器件的耐压和最高工作温度,禁带宽度越大,器件能够承载的电压和温度越高,击穿电压也会越高,功率越高。更低的导通电阻,直接表现为导电时的发热量。导通电阻越低,发热量越低。

2018年ANKER将GaN带出实验室。2018年10月25日ANKER在美国纽约发布了一款划时代的新品—“ANKER Power Port Atom PD1”GaN充电器,由于其搭载了高频高效的GaN(氮化镓)功率器件而备受业界关注。该款产品也是首次将第三代半导体技术应用在充电设备上,从而将相关技术从实验室带向应用市场。

主流厂商依次跟进,高功率,小体积成最明显优势。小米于2020年2月发布了GaN充电器Type-C65W,能够为小米10Pro最高提供50W的充电功率,小米10Pro搭配其使用从充电至100%仅需45分钟。同时,它支持小米疾速闪充、PD3.0等快充协议,并且还支持全系iPhone快充,官方表示,使用小米GaN充电器Type-C65W为iPhone11充电,充电速度比原装5W充电器提升约50%。得益于新型半导体材料GaN的加持,Type-C65W的体积比小米笔记本标配的适配器减小约48%。此外,小米Type-C65W的USB-C接口支持多个档位的智能调节输出电流,能为新款MacBookPro、小米笔记本等大功率设备进行最大65W充电,还能兼容大多数Type-C接口的电子设备,包括Switch等。产品搭载E-Marker芯片,最大支持5A电流。目前,业界已推出多种快充技术方案,主要包括高通Quick Charge技术、OPPO VOOC闪充技术、联发科Pump Express技术、华为Super Charge技术、vivo SUPER Flash Charge技术和USB3.1PD充电技术等。

▲各充电方案对比

从消费电子快充市场来看,未来随快充需求与GaN渗透率不断提升,2022年市场规模有望达到87.74亿元。随着5G手机各类参数不断提升,内部射频、处理器、屏幕的耗电量在直线上升,电子产品对快充的需求日益提升。多家厂商发布GaN快充后,目前的售价大部分用户已经可以接受,未来渗透率有望逐步提升。假设智能手机未来三年GaN快充渗透率为1%、3%、5%,可穿戴需求度相对手机端有所降低,三年的渗透率为0.5%、1%、2%;我们预计2020年全球GaN充电器市场规模为24.41亿元,2022年有望达到87.74亿元。

从消费电子快充市场来看,未来随快充需求与GaN渗透率不断提升,2022年市场规模有望达到87.74亿元。随着5G手机各类参数不断提升,内部射频、处理器、屏幕的耗电量在直线上升,电子产品对快充的需求日益提升。多家厂商发布GaN快充后,目前的售价大部分用户已经可以接受,未来渗透率有望逐步提升。假设智能手机未来三年GaN快充渗透率为1%、3%、5%,可穿戴需求度相对手机端有所降低,三年的渗透率为0.5%、1%、2%;我们预计2020年全球GaN充电器市场规模为24.41亿元,2022年有望达到87.74亿元。

▲智能手机与可穿戴设备中GaN快充测算

新能源汽车拐点已至,发展路径复制智能手机。新能源汽车的竞争格局已出现明显变化,政策端:全球节能减排,碳排放成国际谈判的重要筹码,国六排放的实行,加速新能源汽车替代传统燃油车。供给端:全球主流厂商规划将未来重点发展方向放到NEV,有保有量加速提升,目前全球有超过150家车厂已有规划EV新车上市;在自动驾驶水平方面,2019年L2+级别自动驾驶产品在部分车型中已成为标配,部分车型仍需要选装,未来L3级别的自动驾驶有可能会在2020年后正式上市,从供给端来看,智能化水平在加速提升。需求端:新能源汽车的边际变化来源有两点:车载娱乐及驾乘体验,纯电动与自动驾驶带来的独特驾驶体验,车联网的落地及人车手机生态化的构建,是娱乐化需求的来源。

▲不同自动驾驶级别所对应的智能程度

汽车电子化程度上升是必然趋势,直接带动汽车产业链价值迁移。汽车电子是车体汽车电子控制装置和车载汽车电子控制装置的总称。其中控制装置包括动力总成控制、底盘和车身电子控制等;车载电子装置包括汽车信息系统导航系统、车载通信系统、车载网络等。从传统燃油动力车型转向电池动力的过程中,汽车电子化程度将呈现大幅提升,其中两类需求增长最为迅速:1)以智能驾驶为长期驱动力的安全系统(ADAS),是未来实现无人驾驶的重要保障;2)以智能座舱位代表的车载电子、车载通信,是建设车联网及物联网的基础需求。

▲汽车电子占整车成本未来趋近50%

▲新能源汽车是电子化的重要标志

汽车电子市场规模快速发展,国内市场有望超千亿。随着汽车智能化、车联网、安全汽车和新能源汽车时代的到来,汽车电子市场规模不断扩大,从汽车音响空调电子显示屏等,目前已转向助力包括安全系统、娱乐信息系统、车内网络、动力系统等汽车其他相关部件发展上,未来汽车电子市场发展空间还将进一步增加,汽车电子将成为半导体应用的主要增长点。根据中国汽车工业协会数据,2020年全球汽车电子产品市场的产业规模预计将达到2400亿美元,其中我国汽车电子市场规模将超过1058亿美元。

▲全球与国内汽车电子市场规模(亿美元)

第三代半导体材料功率器件对于电机、电控、电池三大核心元件的效率提升具有重要意义。从燃油车和新能源车两方面看:在国六排放要求背景下,主流车厂选择以48V轻混作为过度时期的解决方案;在新能源车型中,目前混动新能源汽车占新能源汽车总量的80%以上,电机与电控是核心元器件。GaN可用于48VDC/DC以及OBC(On Board Charger车载充电机)。据Yole的预测,2023年该领域的市场规模将达到2500万美元。新能源汽车无疑是电力电子设备市场的主要驱动力,也是不同技术路线(Si、SiC和GaN)的主要争夺市场。

汽车电子涉及高功率的驱动系统与低功率的控制系统,目前解决方案并不统一。从技术上而言,GaN功率器件在48V的混合动力汽车领域将拥有较强的竞争力:SiC更适合大功率主逆变器,Si基GaN功率电子技术更适合小功率DC/DC和AC/DC转换器。预计到2025年,大部分的轻型车将采用48V逆变器。同时GaN功率器件也可用于车载充电器(OBC)。目前部分企业正在设计与SiC与GaN兼容的OBC解决方案,若GaN方案的成本和技术足够成熟,GaN在新能源汽车OBC上的使用可能性将会大大提升。

未来前景看好,目前稳定性仍待提高。由于在新能源汽车的应用中,功率需求相对较大,如在混合动力车型上,包含动力系统在内的电子元器件的成本占比已经达到50%,对器件稳定性和可靠性的要求非常高,需要较长时间的质量认证过程,在此过程中需要投入大量的研发经费;而SiC功率器件也将在如新能源汽车等领域与GaN功率器件的形成直接的竞争。在这种情况下,GaN功率器件在新能源汽车领域的应用发展可能还需要较长时间。另外,(汽车)激光雷达、数据存储中心、包络追踪等应用都是GaN功率器件新兴的应用市场,基于GaN功率器件的性能优越性,未来市场预期较好,据Yole的预测,上述应用市场在未来5年的年均增速超过65%,部分厂商会已经在高端设备上采用GaN功率器件。因此GaN功率器件未来的市场发展情况除了受到现有的既定市场的影响之外,新兴市场的影响力也不容忽视。

智东西认为, 5G对高功率射频的需求,手机和笔电对高效轻小快充的需求将在2020-2021年爆发,疫情对深紫外UVC的需求将在2020年短期内集中爆发。中长期来看,三类需求面对的都是GaN器件的蓝海市场,具有可观的增长空间。