patsnap：第三代半导体-氮化镓GaN技术洞察

氮化镓技术概况

⚫技术简介

⚫技术发展现状

⚫技术创新概况

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氮化镓（GaN）简介

氮化镓材料定义:

氮化镓（GaN）主要是由人工合成的一种半导体材料，禁带宽度大于2.3eV，也称为宽禁带半导体材料

➢氮化镓材料为第三代半导体材料的典型代表，是研制微电子器件、光电子器件的新型材料

禁带宽度（eV)

第三代半导体

氮化镓（GaN）

碳化硅（SiC）

2.3第二代半导体

砷化镓（GaAs）

宽禁带、高击穿电场强度和

1.4第一代半导体磷化铟（InP）高热导率，具有可见光至紫

硅（Si）外光的发光特性。适用于半

锗（Ge）导体照明、高压、高频、大

1.12高频性能较好，广泛应用功率领域

于卫星通信、移动通信和

GPS导航等领域。但资源

产业链成熟、成本低，适用稀缺，有毒性，对环境危

于低压、低频、中功率场合，害较大

是目前半导体器件和集成电

路主要制造材料

3

氮化镓(GaN)技术及产业链已初步形成，相关器件快速发展

LED大规模商用化、

萌芽阶段初始阶段飞速发展阶段

功率/射频器件快速发展

1969年1986年-1994年1998年-2007年

2008年-至今

技

术

日本科学家Maruska等1、1986年，赤崎勇和天野1、1998年，美国Cree公1、2008年，美国Cree公司1、2014年，英飞凌收购

发人采用氢化物气相沉浩采用MOCVD法获得了司开发首个碳化硅基GaN推出首个氮化镓射频器件IR公司

积技术在蓝宝石衬底高质量GaN薄膜，并于高电子迁移率晶体管

展2、2009年，EPC公司推出2、2019年，美国Cree公

表面沉积出了氮化镓1989年在全球首次研制出(HEMT)US6486502B1

第一款商用增强型氮化镓司陆续出售LED相关业务，

薄膜，但质量较差了PN结蓝光LED

2、LED照明商业化（eGaN）晶体管聚焦GaN射频器件和SiC

电力电子器件

2、1992年，中村修二以

3、2010年，IR公司推出商

双异质结构代替PN结，研

用GaN集成功率器件

制出高效率GaN蓝光LED

氮化镓单晶衬底器件芯片设计+制造+封测芯片的应用场景

产

业发光二极管LED氮化镓基FET氮化镓肖特显示汽车手机军工雷达

范p-电极基二极管

p-GaN

畴发光层

n-电极

n-GaN快充智能电网5G基站紫外杀菌

衬底

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氮化镓(GaN)应用范围广

——在功率器件、射频器件、显示领域应用广泛，支撑新基建快速发展

➢支撑“新基建”建设的关键核心器件：氮化镓是目前能同时实现高频、高效、大功率代表性材料，下游应用切中“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

➢高效电能转换，助力“碳达峰，碳中和”目标实现：第三代半导体可助力实现光伏、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，推动能源绿色低碳发展

数据来源：苏州晶湛半导体

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全球氮化镓（GaN）产业规模呈爆发式增长

——功率器件和射频器件将形成百亿级产业规模

2020-2026氮化镓功率器件市场规模及预测2020-2026氮化镓射频器件市场规模及预测

数据来源：Yole

数据来源：Yole

•2020年GaN功率器件整体规模为0.46亿美元

•2020年GaN射频器件整体规模为8.91亿美元

•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

•预计到2026年增长至24亿美元

2026年增长至11亿美元

•复合年均增长率（CAGR）为18%

•复合年均增长率（CAGR）为70%

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氮化镓（GaN）产业政策环境

——各国出台专项扶持政策，国内政策支持持续利好

2004年2013年2016年2019年2021年

中国

国家级战略《长江三角洲

开始对第三代半导体科技部863计划，将第①“十三五”计划将第三代半导体产业列为重点“十四五”计划明确提出发展碳化

区域一体化发展规划纲要》

材料领域的研究进行三代半导体产业列为战发展方向硅、氮化镓等宽禁带半导体材

明确要求长三角区域加快

部署略发展产业②启动“战略性先进电子材料”国家重点研发计料

划，研究方向包括第三代半导体材料与半导体培育布局第三代半导体产

照明、大功率激光材料与器件业

2000年2002年2011年2014年2017年

美国

制定有关GaN和SiC的开①启动电子复兴计划，投入20亿美元重点开发微系统材料、

启动宽禁带半导体技术计划：美国国防高级研究计划局启奥巴马宣布成立“下一代电力电

发项目动“氮化物电子下一代技术计电子器件集成架构等

①实现GaN基微波器件生产子技术国家制造业创新中心”，

划”，推动GaN在高频领域的②启动CIRCUITS计划，投资3000万美元资助21个项目，

②研制GaN基单片微波集成电路发展宽禁带半导体电力电子技

利用宽禁带半导体实现高效、可靠的功率转换器，使用碳

应用术，提供7000万美元财政支持

化硅或氮化镓来代替现有的硅材料

2010年2014年2019年

欧盟2000年2005年2008年

GaN集成电路研发计划，启动GaN可靠性增长和意法半导体启动“LAST

实施“彩虹计划”发展欧盟委员会批准投资化合物半导体（主要是

经费4000万欧元，创建独技术转移项目，第一阶段POWER”项目，与意大利、启动面向电力电子应用

GaN基设备，推动氮化镓、碳化硅等第三代半导体）计划，提

立的GaN-HEMT供应链，总经为860万欧元，组织德国等六个欧洲国家的企业、的大尺寸SiC衬底及异

户外照明和高密度存供17.5亿欧元资金，开发用于包括5G通信，

提供最先进可靠的GaN晶完整的GaN微波产品产大学联合攻关SiC和GaN的质外延GaN材料项目

储技术发展无人驾驶汽车内的应用创新组件和技术

圆制备业链关键技术

日本1998年2002年2008年2013年2014年2016年

提出新一代节能器件技术战略设立第三代功率半导体封装技在国家硬电子计划中将启动“有助于实现节能社会的新一代

开展GaN半导体发光机实施GaN半导体低

与发展规划，将采用SiC、GaN术开发联盟，由大阪大学协同SiC衬底的制备与外延半导体研究开发”的GaN功率器件

理的基础研究、用于同质功耗高频器件开发计

等宽禁带半导体器件进一步降罗姆、三菱、松下等18家知名作为重点研究课题，投开发项目，为期5年，第一年的预算

外延生长的大面积衬底等划

低功耗企业、大学以巨资支持为10亿日元

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全球氮化镓（GaN）产业图谱

——国内产业链基本形成，产业结构相对聚焦中游

国外企业国内企业

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中国氮化镓（GaN）企业及代表性业务

苏州纳维GaN衬底

东科半导体GaN功率器件

晶湛半导体GaN外延

安徽省执珩半导体GaN外延

能讯半导体GaN射频器件

芯谷微GaN射频器件

苏州捷芯威GaN功率器件

镓特半导体GaN衬底

英诺赛科GaN器件

上海市江苏省

芯元基半导GaN外延/器

GaN器件能华微电子

体件

中电科55所GaN射频器件

华灿光电GaN-LED器件

聚灿光电GaN-LED器件

浙江省闻泰科技GaN器件

苏州汉骅GaN外延

杭州士兰GaN-LED器件

苏州量芯微GaN功率器件

河北省中电科13所GaN射频器件

聚能创芯GaN器件东莞中镓GaN衬底

山东省聚能晶源GaN外延广东省英诺赛科GaN器件

中鸿新晶GaN外延/器件中晶半导体GaN外延/器件

三安光电GaN器件海威华芯GaN器件

福建省乾照光电GaN-LED器件四川省益丰电子GaN射频器件

士兰明镓GaN-LED器件氮矽科技GaN功率器件

数据来源：CASAResearch9

氮化镓（GaN）技术创新概况

——技术储备丰富，总体趋于稳步发展态势

有效专利量：6万+

专利总量：16万+•全球在GaN产业已申请16万多件专利，有效

PCT指定期内：0.84%实用新型：2.96%外观设计：0.04%

未确认：0.99%

PCT指定期满：7.25%专利6万多件

审中：13.06%有效：38.91%

•20世纪70年代初出现GaN相关专利申请

•1994年之前尚处于探索阶段，参与企业较少

发明：97.00%•1994—2005年进入快速发展期（LED照明商

失效：38.93%

用化）

•2010年进一步短暂增长（日本住友、日立等

对GaN衬底大尺寸的突破和进一步产品化）

•从2014年开始专利申请量总体趋于稳步发展

态势（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）

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氮化镓（GaN）技术创新概况

——中美日为氮化镓技术热点布局市场，美日起步早，中国后起发力强劲

中、美、日三国氮化镓（GaN）技术专利申请趋势图

日本,35117

美国,37121

专4000

利

区中国美国日本

3500

域韩国,17168

分

布

图WIPO,133193000

中国,42277

欧洲专利局,包含台湾地区

76462500

德国,5046澳大利亚,805

以色列,1319

2000

法国,1.16%欧洲专利局,1.28%英国,0.75%

德国,3.23%其他,1.63%

世界知识产权1500

美国,22.95%

技组织,1.31%

中国台湾,3.44%

术1000

来

源韩国,14.20%

国500

分

布0

中国,14.54%

图1972197419761978198019821984198619881990199219941996199820002002200420062008201020122014201620182020

日本,35.50%

•日本、美国起步于20世纪70年代初，中国起步晚近20年

•热门市场为中国、美国、日本

•2010年之前日本处于明显领先地位，中国后起发力强劲，近几年保持持续高

•技术主要来源于日本

涨趋势11

典型企业聚焦

⚫日本住友

⚫美国Cree

⚫德国英飞凌

⚫中国三安光电

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全球氮化镓主要创新主体

——创新龙头主要集中日本，中国企业与海外龙头技术储备量差距大

LG

住友株式会社

重点三星电子株式会社

日亚化学工业株式会社

国外企业代表全三菱株式会社

球PANASONIC

重东芝株式会社

住友日本CREE公司

点夏普株式会社

Cree（科锐）美国专丰田合成株式会社

利首尔伟奥世有限公司

英飞凌德国晶元光电股份有限公司

申奥斯兰姆奥普托半导体

LG韩国请索尼公司

人罗姆股份有限公司

三星韩国株式会社半导体能源研究所

英飞凌科技有限公司

日亚化学日本英特尔公司

富士康

三菱日本三安光电有限公司

松下日本010002000300040005000600070008000

东芝日本

晶元光电

夏普日本

三安光电

国台积电

中国企业代表内

重华灿光电

中国科学院半导体研究所

晶元光电（中国台湾）点

专荣创能源科技股份有限公司

三安光电利西安电子科技大学

中国科学院微电子研究所

台积电（中国台湾）申

请鸿海精密工业股份有限公司

华灿光电人财团法人工业技术研究院

荣创能源科技（中国台湾）0100020003000

鸿海精密工业（中国台湾）数据来源：智慧芽专利数据库，2021年3月31日；专利数量以公开文本件数统计。13

典型企业：日本住友

——氮化镓技术储备上占绝对优势，专利布局支撑商业成功

专利布局

•70年代开始申请GaN相关专利，90年代随着GaN单晶生长、蓝

•1970年开始制造化合物半导体，2003年在全球率先量产氮化镓（GaN）衬底

光LED技术的突破，专利量快速增长

•2006年，在全球率先实现高性能GaNHEMT的量产

•失效专利占比高，有效专利1600多件

•全球GaN射频器件主要供应商，也是华为GaN射频器件主要供应商之一

•本土专利布局数量最多，海外市场侧重美国、中国、欧洲、韩国

住

友

氮

化

镓

衬

底

产

品

住友电工部分GaN-HEMT产品目录专利总量6000+加拿大0.94%中国香港0.74%

PCT指定期内德国1.73%

审中5.54%其他1.55%

0.33%

型号频率（GHz）输出功率（W）应用未确认0.21%韩国5.75%

日本

SGK5867-30A5.85-6.7530卫星

PCT指定期满40.39%

SGK6472-60A6.4-7.260卫星欧洲专利

7.01%

SGK1314-60A13.75-14.560卫星局6.15%

中国台湾

SG26F30S-DDC-2.730基站

6.96%

SGFCF10S-DDC-3.710基站失效

世界知识

SGN1214-220H-R1.2-1.4220雷达60.03%美国

有效产权组织

18.13%14

SGN2729-600H-R2.7-2.9600雷达26.89%7.87%

中国9.79%

住友聚焦衬底和器件方面研究，器件方面近几年侧重氮化镓FET器件

GaN领域技术分布技术发展趋势

⚫快速发展阶段，热点研究衬底技术、可见光LED、激光二极管技术，但近10

⚫可见光LED、GaN基FET器件、激光二极管、GaN年热度骤减

单晶生长技术专利布局较多⚫近5年较关注GaN基FET器件

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住友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

GaN单晶生长技术—专利布局热点与空白点

生长速度

均匀化

布局热点

提高产量➢