越來越多的人在使用手機快充充電器的時候可能不經意間會發現氮化鎵（GaN）這個專業名詞，實際上，正是“氮化鎵”這一第三代半導體材料的技術突破，讓第三代半導體能實現更多的場景應用，例如氮化鎵電子器件具有高頻、高轉換效率、高擊穿電壓等特性，讓微顯示、手機快充、氮化鎵汽車等有了無限可能。
12月28日，智慧芽旗下智慧芽創新研究中心最新發布《第三代半導體-氮化鎵技術洞察報告》（以下簡稱“報告”），從技術角度全面洞察分析了氮化鎵這一產業的誕生、產業發展和未來突破。
氮化鎵產業初步形成
氮化鎵（GaN）主要是指一種由人工合成的半導體材料，是第三代半導體材料的典型代表, 研制微電子器件、光電子器件的新型材料。氮化鎵技術及產業鏈已經初步形成，相關器件快速發展。第三代半導體氮化鎵產業范圍涵蓋氮化鎵單晶襯底、半導體器件芯片設計、制造、封測以及芯片等主要應用場景。
氮化鎵應用范圍廣泛，作為支撐“新基建”建設的關鍵核心器件，其下游應用切中了 “新基建”中5G基站、特高壓、新能源充電樁、城際高鐵等主要領域。此外，氮化鎵的高效電能轉換特性，能夠幫助實現光伏、風電（電能生產），直流特高壓輸電（電能傳輸），新能源汽車、新能源汽車、工業電源、機車牽引、消費電源（電能使用）等領域的電能高效轉換，助力“碳達峰，碳中和”目標實現。
從產業發展來看，全球氮化鎵產業規模呈現爆發式增長。據分析機構Yole研究顯示，在氮化鎵功率器件方面，2020年的整體市場規模為0.46億美元，受消費類電子、電信及數據通信、電動汽車應用的驅動，預計到2026年增長至11億美元，復合年均增長率為70%。值得一提的是，電動汽車領域的年復合增長率高達185%。在氮化鎵射頻器件方面，2020年的整體市場規模為8.91億美元，預計到2026年增長至24億美元，復合年均增長率為18%。
從產業鏈看，國內氮化鎵產業鏈已基本形成，產業結構相對聚焦中游（如圖1），中國企業紛紛入場，主要代表企業分布在全國各地（如圖2）。
圖1，圖片來源：《第三代半導體-氮化鎵技術洞察報告》
圖2，圖片來源：《第三代半導體-氮化鎵技術洞察報告》
中國在氮化鎵技術上起步雖晚發力強勁
智慧芽數據顯示，全球在氮化鎵產業已申請16萬多件專利，有效專利6萬多件（如圖3）。其中，保護類型以發明專利為主，行業技術創新度比較高。報告指出，該領域美日技術實力較強，中美日市場較熱。
圖3，圖片來源：《第三代半導體-氮化鎵技術洞察報告》
從技術發展的歷史演進來看，20世紀70年代初出現氮化鎵相關專利申請，1994年之前尚處于探索階段，參與企業較少；1994-2005年進入快速發展期，主要驅動力是LED照明商用化；2010年開始，日本住友、日立等對氮化鎵襯底大尺寸的突破和進一步產品化，促進了相關專利量的進一步快速增長；自2014年起，專利申請量總體趨于穩步發展態勢，年專利申請量基本維持在9000件以上，在這段時期，可見光LED熱度減退，GaN基FET器件、功率/射頻器件、MicroLED等器件熱度上升。
從氮化鎵領域全球技術布局來看，中國、美國和日本為氮化鎵技術熱點布局的市場。其中，美國和日本起步較早，起步于20世紀70年代初，而中國起步雖晚，但后起發力強勁（如圖4）。值得注意的是，目前全球的氮化鎵技術主要來源于日本。
圖4，圖片來源：《第三代半導體-氮化鎵技術洞察報告》
國內外龍頭企業技術洞察對比
報告顯示，全球氮化鎵主要創新主體的龍頭主要集中于日本。氮化鎵產業國外重點企業包括日本住友、美國Cree、德國英飛凌、韓國LG、三星等（如圖5），中國企業代表有，晶元光電、三安光電、臺積電、華燦光電等（如圖6）。但目前中國企業和國外企業相比，專利申請數量仍有一定差距。
圖5，圖片來源：《第三代半導體-氮化鎵技術洞察報告》
圖6，圖片來源：《第三代半導體-氮化鎵技術洞察報告》
在這些企業中，日本住友全球率先量產氮化鎵襯底，是全球氮化鎵射頻器件主要供應商，同時也是華為GaN射頻器件主要供應商之一。住友聚焦于襯底和器件方面的研究，其中，器件方面近幾年側重于氮化鎵FET器件。該公司的氮化鎵襯底單晶生長技術側重HVPE法，重點解決襯底缺陷、尺寸等難題。此外，住友在氮化鎵FET器件上，側重外延工藝和芯片工藝突破。
圖片來源：《第三代半導體-氮化鎵技術洞察報告》
美國Cree依靠其技術儲備支撐氮化鎵功率器件的市場化。2019年，Cree逐步剝離LED業務，專注于碳化硅電力電子器件和用于GaN射頻器件，并于2021年正式更名為Wolfspeed（原Cree旗下的功率&射頻部門）。在技術分布上，發光二極管LED和GaN基FET器件兩大方向是Cree重要的專利布局領域。其中，前者的研發熱度在近幾年明顯衰退，而Cree在后者的細分領域中則探索了較多的技術難題，注重器件多性能發展。
圖片來源：《第三代半導體-氮化鎵技術洞察報告》
德國英飛凌持續深耕功率器件領域，且重點關注美國市場。其前身作為西門子集團的半導體部門，英飛凌主要生產IGBT、功率MOSFET、HEMT、DC-DC轉換器、柵極驅動IC、AC-DC電源轉換器等功率半導體器件，曾連續10年居全球功率半導體市場之首。在氮化鎵領域，英飛凌的技術分布于集中產業鏈中游——器件模組，持續關注GaN基FET、IGBT等功率元器件，以及由多個功率元器件集成的功率模塊（如電源轉換器）的研發。總體而言，英飛凌在功率模塊、GaN基FET器件上布局的專利最多。
圖片來源：《第三代半導體-氮化鎵技術洞察報告》
國內LED龍頭“三安光電”在氮化鎵領域有一定技術儲備。三安光電是目前國內規模最大的LED外延片、芯片企業。2014年，該公司投資建設氮化鎵高功率半導體項目；2018年，在福建泉州斥資333億元投資Ⅲ-Ⅴ族化合物半導體材料、LED外延、芯片、微波集成電路、光通訊、射頻濾波器等產業。在氮化鎵領域，三安光電同樣集中于產業鏈中游——器件模組的研究。其布局的器件類型主要包括可見光LED、紫外LED、Micro/Mini LED和GaN基FET。2016年后，三安光電對可見光LED的專利申請量逐漸下降，并開始增加對Micro/Mini LED、GaN基FET的專利申請。
圖片來源：《第三代半導體-氮化鎵技術洞察報告》
此外，智慧芽推出的氮化鎵（GaN）專利情報監控分析成果已落地形成IT平臺系統，可實現日常更新、監控和查閱，確保分析結果持續為行業研發創新和知識產權情報管理發揮價值。
