本文內容由第三代半導體聯合創新孵化中心
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目前市面上超過99%的集成電路都是以第一代元素半導體材料之一，硅(Si)、鍺(Ge)材料在20 世紀50 年代有過高光時刻，廣泛應用于低壓、低頻、中功率晶體管以及光電探測器中，但到了60 年代后期因耐高溫和抗輻射性能較差，工藝更難、成本更高逐漸被硅材料取代。
目前第三代半導體材料已逐漸滲透5G、新能源汽車、綠色照明等新興領域，被認為是半導體行業的重要發展方向。
第三代寬禁帶半導體材料(SiC、GaN 等)，因其禁帶寬度(Eg)大于或等于2.3 電子伏特(eV)而得名。第三代半導體材料具有優越的性能和能帶結構，廣泛用于射頻器件、光電器件、功率器件等制造，具有很大的發展潛力。
GaN材料的加入使手機充電器快充效率進一步提升。GaN 材料的運行速度比舊式慢速硅加快了20 倍，并且能實現高出三倍的功率。GaN 充電器具備小巧、高效、發熱低等優勢。
在新能源汽車上，傳統功率器件通常采用IGBT技術方案，但近年來隨著材料科技的發展，碳化硅（SiC）和氮化鎵（GaN）技術正成為技術熱點。目前，SiC已實現了車規級應用，GaN尚處于研發階段。SiC是600V以上高壓應用系統的最佳解決方案，GaN是600V以下的應用系統的理想選擇。
氮化鎵技術最早于1970 年被美國無線電公司用來制造LED，而后基于GaN 的LED 成為了LED 的主流。
除了LED，GaN 也逐漸被使用到了功率半導體和射頻器件上。氮化鎵器件主要包括射頻器件和電力電子器件，射頻器件產品包括功率放大器和開關器等，主要面向基站衛星、軍用雷達等市場；電力電子器件產品包括場效應晶體管等產品，主要應用于無線充電、電源開關和逆變器等市場。
GaN三個特點大幅提升效率：開關頻率高、禁斷寬度大、更低的導通電阻。開關頻率是指充電頭內部晶閘管，可控硅等電子元件，每秒可以完全導通、斷開的次數。變壓器恰好是充電器中體積最大的元器件之一，占據了內部相當大的空間。
開關的頻率高可使用體積更小的變壓器。使用氮化鎵作為變壓元件，變壓器和電容的體積減少，有助于減少充電頭的體積和重量。
禁帶寬度直接決定電子器件的耐壓和最高工作溫度，禁帶寬度越大，器件能夠承載的電壓和溫度越高，擊穿電壓也會越高，功率越高。更低的導通電阻，直接表現為導電時的發熱量。導通電阻越低，發熱量越低。
2018年ANKER將GaN帶出實驗室。2018年10月25日ANKER在美國紐約發布了一款劃時代的新品—“ANKERPowerPortAtomPD1”GaN充電器，由于其搭載了高頻高效的GaN（氮化鎵）功率器件而備受業界關注。該款產品也是首次將第三代半導體技術應用在充電設備上，從而將相關技術從實驗室帶向應用市場。
主流廠商依次跟進，高功率，小體積成最明顯優勢。小米于2020年2月發布了GaN充電器Type-C65W，能夠為小米10Pro最高提供50W的充電功率，小米10Pro搭配其使用從0充電至100%僅需45分鐘。
同時，它支持小米疾速閃充、PD3.0等快充協議，并且還支持全系iPhone快充，官方表示，使用小米GaN充電器Type-C65W為iPhone11充電，充電速度比原裝5W充電器提升約50%。
得益于新型半導體材料GaN的加持，Type-C65W的體積比小米筆記本標配的適配器減小約48%。
此外，小米Type-C65W的USB-C接口支持多個檔位的智能調節輸出電流，能為新款MacBookPro、小米筆記本等大功率設備進行最大65W充電，還能兼容大多數Type-C接口的電子設備，包括Switch等。產品搭載E-Marker芯片，最大支持5A電流。
目前，業界已推出多種快充技術方案，主要包括高通QuickCharge技術、OPPOVOOC閃充技術、聯發科PumpExpress技術、華為SuperCharge技術、vivoSUPERFlashCharge技術和USB3.1PD充電技術等。
從消費電子快充市場來看，未來隨快充需求與GaN滲透率不斷提升，2022年市場規模有望達到87.74億元。隨著5G手機各類參數不斷提升，內部射頻、處理器、屏幕的耗電量在直線上升，電子產品對快充的需求日益提升。
多家廠商發布GaN快充后，目前的售價大部分用戶已經可以接受，未來滲透率有望逐步提升。假設智能手機未來三年GaN快充滲透率為1%、3%、5%，可穿戴需求度相對手機端有所降低，三年的滲透率為0.5%、1%、2%。
新能源汽車拐點已至，發展路徑復制智能手機。
新能源汽車的競爭格局已出現明顯變化。
政策端：全球節能減排，碳排放成國際談判的重要籌碼，國六排放的實行，加速新能源汽車替代傳統燃油車。
供給端：全球主流廠商規劃將未來重點發展方向放到NEV，有保有量加速提升，目前全球有超過150家車廠已有規劃EV新車上市；在自動駕駛水平方面，2019年L2+級別自動駕駛產品在部分車型中已成為標配，部分車型仍需要選裝，未來L3級別的自動駕駛有可能會在2020年后正式上市，從供給端來看，智能化水平在加速提升。
需求端：新能源汽車的邊際變化來源有兩點：車載娛樂及駕乘體驗，純電動與自動駕駛帶來的獨特駕駛體驗，車聯網的落地及人車手機生態化的構建，是娛樂化需求的來源。
汽車電子化程度上升是必然趨勢，直接帶動汽車產業鏈價值遷移。汽車電子是車體汽車電子控制裝置和車載汽車電子控制裝置的總稱。
其中控制裝置包括動力總成控制、底盤和車身電子控制等；車載電子裝置包括汽車信息系統導航系統、車載通信系統、車載網絡等。
從傳統燃油動力車型轉向電池動力的過程中，汽車電子化程度將呈現大幅提升，其中兩類需求增長最為迅速：1）以智能駕駛為長期驅動力的安全系統（ADAS），是未來實現無人駕駛的重要保障；2）以智能座艙位代表的車載電子、車載通信，是建設車聯網及物聯網的基礎需求。
汽車電子市場規?？焖侔l展，國內市場有望超千億。
隨著汽車智能化、車聯網、安全汽車和新能源汽車時代的到來，汽車電子市場規模不斷擴大，從汽車音響空調電子顯示屏等，目前已轉向助力包括安全系統、娛樂信息系統、車內網絡、動力系統等汽車其他相關部件發展上，未來汽車電子市場發展空間還將進一步增加，汽車電子將成為半導體應用的主要增長點。
根據中國汽車工業協會數據，2020年全球汽車電子產品市場的產業規模預計將達到2400億美元，其中我國汽車電子市場規模將超過1058億美元。
第三代半導體材料功率器件對于電機、電控、電池三大核心元件的效率提升具有重要意義。從燃油車和新能源車兩方面看：在國六排放要求背景下，主流車廠選擇以48V輕混作為過度時期的解決方案；在新能源車型中，目前混動新能源汽車占新能源汽車總量的80%以上，電機與電控是核心元器件。
GaN可用于48VDC/DC以及OBC(OnBoardCharger車載充電機)。據Yole的預測，2023年該領域的市場規模將達到2500萬美元。新能源汽車無疑是電力電子設備市場的主要驅動力，也是不同技術路線（Si、SiC和GaN）的主要爭奪市場。
汽車電子涉及高功率的驅動系統與低功率的控制系統，目前解決方案并不統一。
從技術上而言，GaN功率器件在48V的混合動力汽車領域將擁有較強的競爭力：SiC更適合大功率主逆變器，Si基GaN功率電子技術更適合小功率DC/DC和AC/DC轉換器。
預計到2025年，大部分的輕型車將采用48V逆變器。同時GaN功率器件也可用于車載充電器（OBC）。
目前部分企業正在設計與SiC與GaN兼容的OBC解決方案，若GaN方案的成本和技術足夠成熟，GaN在新能源汽車OBC上的使用可能性將會大大提升。
▼新能源汽車驅動系統及控制系統中主要的功率元器件拆分
未來前景看好，目前穩定性仍待提高。
由于在新能源汽車的應用中，功率需求相對較大，如在混合動力車型上，包含動力系統在內的電子元器件的成本占比已經達到50%，對器件穩定性和可靠性的要求非常高，需要較長時間的質量認證過程，在此過程中需要投入大量的研發經費；而SiC功率器件也將在如新能源汽車等領域與GaN功率器件的形成直接的競爭。
在這種情況下，GaN功率器件在新能源汽車領域的應用發展可能還需要較長時間。另外，（汽車）激光雷達、數據存儲中心、包絡追蹤等應用都是GaN功率器件新興的應用市場，基于GaN功率器件的性能優越性，未來市場預期較好，據Yole的預測，上述應用市場在未來5年的年均增速超過65%，部分廠商會已經在高端設備上采用GaN功率器件。因此GaN功率器件未來的市場發展情況除了受到現有的既定市場的影響之外，新興市場的影響力也不容忽視。
GaN材料性能突出
作為承上啟下的寬禁帶半導體材料，GaN與Si/SiC相比有突出成本優勢氮化鎵（GaN）是新一代半導體材料，具有超強的導熱效率、耐高溫和耐酸堿等特點。
作為承上啟下的新型寬禁帶半導體材料，其禁帶寬度、電子飽和遷移速度、擊穿場強和工作溫度遠遠優于Si和GaAs，擁有類似Sic性能優勢的禁寬帶材料，但具備更大的成本控制潛力。
GaN材料的應用使器件小型化、輕量化，降低了電力電子裝置的體積、重量以及制作和生產的成本，能夠更好的控制成本，大規模的產業化，實現量產。
GaN是直接能隙半導體，帶隙能量為3.4Ev，是硅的幾倍。更寬的帶隙使得GaN更適用于光電子器件。另外，GaN半導體具有1000倍于硅的電子遷移率，且更耐高溫，因此更能在高頻、高溫和高功率的環境下工作。
也就是說，與硅相比，GaN具有更節能、更快、更好的恢復特性等突出優勢，能夠同時實現高頻率和高效率。
總的來說，GaN材料擁有很大帶隙，擊穿強高達Si的10倍，可大幅降低導通電阻，并可可在高溫下工作，非常適合應用在小型快充充電電源上。
GaN充電器不僅具備了低發熱小體積的突出優勢，更在充電功率轉換上更具優勢。
在功率器件方面，GaN器件適用于多數功率器件市場，市場空間巨大
GaN功率器件包括SBD、常關型FET、級聯FET等產品，主要應用于無線充電件、電源開關、逆變器、交流器等領域。
就性能來講，GaN材料更適用于高頻率應用場景，SiC則在高壓高功率場景表現更佳。隨著技術水平的進步與成本控制，GaN材料將在中低功率取代硅基功率器件，在300V~600V電壓間發揮優勢作用。
根據Yole估計，在0~900V的低壓市場內，GaN都有較大的應用潛力。按照整體市場154億美元來看，占據68%的該部分低壓市場都是GaN的潛在市場，約有105億美元。
作為功率器件，GaN在電源設備上先行一步，在其它電子器件市場也有望加速滲透
體積、效率及成本上的優勢是GaN功率器件在消費電子產品市場上不斷突破的重要因素。
國際大型企業在移動設備探索上先于國內手機廠商，2018年，GaNIC廠商Navitas和Exagan推出了帶有集成GaN解決方案的45W快速充電電源適配器，內置GaN充電器比蘋果充電器體積減少40%。
就充電頭網的拆解數據來看，目前市面上幾款GaN充電器多數采用PI和納微的方案。PI方案是將GaN功率器件、驅動、PWM控制器都集成在一顆芯片內，設計更加簡潔、集成度較高。
納微的器件則是獨立的，采用高度集成的驅動電路和單晶片設計，最終實現產品的小型化和高效率。伴隨GaN充電器不斷普及，技術進步、產品快速放量帶來芯片的設計、制造成本快速下降，刺激市場的進一步應用。
國內GaN應用市場尚未完全打開，消費電子行業是主要應用領域
全球范圍內，氮化鎵專利申請量排名前四的國家及地區是日本、中國大陸、美國、韓國、中國臺灣，其中我國專利量占全球的23%。
雖然在專利方面國內有一定優勢，但從目前的技術發展狀況來說，仍以歐美日企業為主。
這和GaN布局早晚有一定的聯系，美國和歐洲分別于2002年和2007年啟動了氮化鎵功率半導體推動計劃，我國的GaN研究始于2013年。
盡管當前發展程度不高，但是我國是全球最大的半導體照明產業生產地、全球規模最大的5G移動通信、全球增速最快的新能源汽車、智能手機和軍工領域對功率半導體需求增速，這些應用的發展都離不開第三代半導體材料和器件的支撐。
因此我國GaN市場潛力巨大。2018年國內市場總規模在1.2億人民幣左右。
其中激光雷達市場規模約為0.27億元人民幣，無線電源、光伏逆變器等領域也在加速滲透，當前下游應用領域的市場格局與國際市場情況類似。
據Yole統計數據，2017年全球氮化鎵襯底市場需求約為7.4萬片，未來5年里維持高速增長，復合增長率高達34%，到2022年將增長數倍至32萬片。假設每片襯底的價格為20000元，則2022年氮化鎵市場規模將達64億元。當前行業集中度較高，CR3高達85%。住友電工、三菱化學及Sciocs三家日本企業是絕對的行業龍頭，其他廠商仍處于小規模量產或研發階段。
公司是我國現代飛機機載設備維修規模最大、維修設備最全、用戶覆蓋面最廣的航空維修企業。
子公司海威華芯在中國率先提供六英吋砷化鎵（GaAs）集成電路的純晶圓代工（Foundry）服務。
在第三代半導體（氮化鎵GaN）領域擁有國際領先、國內一流的技術。在全球氮化鎵芯片專利技術屬于一流梯隊，公司專利總共249項，其中過半數是發明專利。
目前已建成國內首條6吋化合物半導體商用生產線，解決了中國化合物半導體產業鏈中制造環節的瓶頸，實現了核心高端芯片自主可控及國產化替代。
公司目前已完成包括砷化鎵、氮化鎵、碳化硅及磷化銦在內的6項工藝產品的開發，可支持制造功率放大器、混頻器、低噪音放大器、開關、光電探測器、激光器、電力電子等產品，業務涵蓋航空、航天、衛星、消費電子等領域，產品廣泛應用于5G移動通信、AI人工智能、雷達、汽車電子、電力電子、光纖通訊、3D感知、新能源、國防等領域。截止目前公司部分產品已實現量產，服務客戶數和訂單持續增加。
三安光電全資子公司廈門市三安集成電路主要提供化合物半導體晶圓代工服務，工藝能力涵蓋微波射頻、電力電子、光通訊和濾波器四大產品領域，主要應用于5G、大數據、云計算、物聯網、電動汽車、智能移動終端、通訊基站、導航等領域。
公司電力電子業務已推出高可靠性，高功率密度的碳化硅功率二極管及MOSFET及硅基氮化鎵功率器件，產品主要應用于新能源汽車，充電樁，光伏逆變器等電源市場；光通訊業務已具備生產DFB、VCSEL、PDAPD等數通產品的能力，產品主要應用于光纖到戶，5G通信基站傳輸，數據中心以及消費類終端的3D感知探測等應用市場；濾波器業務產線設備已到位并進入全面安裝調試階段，預計今年產線全面組建完成投產。
目前，整體銷售規模較小，但與國內知名終端應用廠商都有業務對接，未來市場前景可期。
公司2005年成立之初即開始研發IGBT模塊，十幾年專注于深耕IGBT賽道，目前IGBT模塊產品已超過600多種，電壓等級涵蓋100V～3300V。
公司不僅在IGBT模塊有深厚積累，還實現上游部分芯片的技術突破，2019年上半年公司芯片自給率已達到52.71%。
據IHS數據2017年公司是國內唯一進入世界前十的IGBT模塊供應商，全球排名第10位，中國排名第1位。在公司在IGBT領域技術優勢和先發優勢將奠定公司長期行業龍頭地位。
公司上市后募投新項目進行中，新能源汽車用IGBT模塊擴產項目：項目預計投資2.5億元，建設地點在上海道之（公司汽車用IGBT模塊生產基地），形成年產120萬個新能源汽車用IGBT模塊的生產能力。全面達產后項目預計年實現銷售4.2億元，年均可實現利潤6404萬元。IPM模塊項目：計劃投資2.2億元，形成年產700萬個IPM模塊的生產能力。全面達產后項目預計實現銷售3.15億元，年均可實現利潤4967萬元。
公司在IPM領域相關技術儲備已較為成熟，大力擴產將推動公司獲得更多的市場份額，提升公司在行業里領導地位。
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