01

国内氮化镓轨道投资价值
          1. 氮化镓轨道投资价值第三代半导体材料的特性将逐步取代部分硅基功率器件的市场份额。这一点已通过市场应用不断验证，并基本成为共识。与碳化硅相比，目前硅基氮化镓的主要缺点包括额定电压低和缺乏可靠性验证数据。此外，由于硅基氮化镓的整体输出值较低，尚未形成规模效应，因此与碳化硅相比没有成本优势。然而，硅基氮化镓制造商目前正通过外延、器件结构和驱动控制电路等方面的改进，推动产品向高耐压（目前为1200V产品）和高可靠性（目前已拥有高压器件的理想可靠性数据）方向发展。此外，氮化镓器件的售价已接近硅MOS器件，产品性能、质量和成本也在不断接近最佳平衡点。此外，与碳化硅相比，硅基氮化镓材料本身具有更高的功率效率和更低的成本。在600V至1200V电压范围内，硅基氮化镓将成为极具竞争力的技术方向。此外，随着碳化硅在汽车和光伏市场的持续应用，国内外数十亿甚至数百亿美元的投资正在涌入。人们很容易直观地感受到碳化硅的市场规模非常庞大，而用于小型充电头的氮化镓的市场规模则显得小得多。根据优乐发布的数据，到2025年，碳化硅的市场规模将达到2.5亿美元，而氮化镓的市场规模预计在2026年将达到1亿美元。乍一看，碳化硅的整体产值确实是氮化镓的数倍。    然而，对于大多数国内企业而言，碳化硅和硅基氮化镓的机会产出价值实际上是相等的：   一是考虑衬底的产出价值。成本结构不同，没有衬底环节的碳化硅公司的产出价值将大幅降低。碳化硅衬底的成本约占50%，外延晶片的成本约占20%，器件制造、封装和测试的成本约占30%。氮化镓衬底的成本基本可以忽略不计，外延成本占50%，剩余的器件产出价值占比更高。    第二点是考虑车辆规格的输出价值。市场需求不同。碳化硅侧重于汽车规格，而氮化镓侧重于消费品。根据优乐发布的数据，预计到2025年，电动汽车市场需求将占全球需求的约61%。优乐的数据还显示，消费级氮化镓约占市场需求的70%。目前，国内碳化硅生产商距离实现汽车市场的大规模应用仍有很长的路要走。  第三点是考虑MOS的输出值。 国内碳化硅企业目前主要集中在SBD市场，MOS的出货量仍然很少。根据Yole发布的数据，2022年后MOS的产值将占到一半以上。由于后期市场主要由电动汽车驱动，MOS的占比将持续增长。然而，由于碳化硅MOS本身的可靠性和工艺源问题，国内厂商仍难以自信大胆地进行大规模推广和应用。综上所述，如果国内碳化硅企业剔除衬底材料、汽车市场和非汽车MOS的产值，其潜在产值实际上与硅基氮化镓相差无几。叠加氮化镓和碳化硅30%和70%的市场增长率，从产业规模的角度来看，硅基氮化镓是一个不错的选择。肌肉人碳化硅和闪辉氮化镓分别专注于工业市场和消费市场（整体而言），此处不详细讨论它们在质量要求、市场定价和市场导入周期方面的差异。但总体而言，主要面向消费级应用的氮化镓的市场弹性会更高。此外，由于碳化硅功率的发展阶段相对成熟，国内从衬底、外延、器件制造或IDM等方面相对知名的高质量公司基本不多，留给创业者的机会窗口也相对较小。  
  2. 国内氮化镓企业的机遇和优势
  （1）“高增长+高集中度”为新进入者带来机遇根据Yole发布的数据，2020年全球氮化镓（GaN）功率器件市场规模仅为4600万美元，预计到2026年将增长至1.1亿美元。2020年至2026年，GaN功率器件市场将保持70%的年均增长率，六年内增长23倍。如此高的行业增长率直接带来了如何保障氮化镓器件供应链稳定性的问题。目前，全球两大半导体器件制造商Navitas和Pi占据了超过70%的全球市场份额。国内品牌厂商主要采用其中一家的氮化镓半导体器件解决方案。  在短期内，上游供应链高度集中，大品牌电源客户对分散供应链风险有着严格的要求；从长远来看，与目前硅基MOS CR5 65%的市场份额相比，氮化镓目前的市场集中度过高，正逐渐逼近硅基MOS的市场结构，这很可能只是时间问题。    （2）目前我国硅基氮化镓的整体国内水平比硅基氮化镓更具优势2019年，国内最大的MOS和IGBT企业华润微电子和思兰微电子分别占据了全球3%和2%的市场份额。英诺赛克目前的氮化镓出货量应该排在第三位。虽然国内还有一些氮化镓初创企业的出货量较小，但它们目前的整体技术和产业资源储备也处于世界领先地位。像英飞凌和钛的硅基氮化镓产品这样的传统领军企业仍在努力追赶。在国内硅基氮化镓产业中，虽然没有出现绝对的领先优势，但从国内企业目前的全球地位以及中国氮化镓领域的核心人才储备来看，其整体发展状况确实远优于硅基氮化镓。  综上所述，面对快速增长的市场蛋糕，国内企业有实力和能力分得一大块蛋糕。       02       “集中式+封闭式”供应链、价值和风险
          现有的供应链是“集中且封闭的”，导致市场由少数供应商主导。
  现有供应链的集中化。与硅基产品不同，氮化镓的材料和制造环节非常成熟，目前氮化镓供应链中通过批量验证的产能非常有限。国外晶圆代工厂主要包括台积电、富士通和X-Feb。国内方面，三安集成是主要企业，其他一些晶圆代工厂也在进行相关安排。总体而言，国内供应链资源非常稀缺。  现有供应链已封闭。目前，全球氮化镓晶圆代工厂的主要产能仅服务于一家公司，设计公司与产业链之间存在着紧密的联系。作为全球出货量最大的硅基氮化镓器件公司，Navitas几乎占据了台积电全部的氮化镓产能，导致其他客户难以获得产能。现有供应链的“集中+封闭”模式造成了市场高度集中。Navitas、Pi和Innosec这三家公司控制着核心产能的供应，主导着市场。品牌电源客户几乎没有其他选择。  
  预计供应链将保持集中和封闭状态。   连续浓度氮化镓是一种新兴技术产品，其各方面的技术发展仍处于相对早期阶段。终端用户和设计公司对上游供应链都比较谨慎。由于成熟技术可靠，一旦完整的产业链得到验证并成熟，设计公司和电源用户将会加快在供应链中的布局。作为一项新兴技术，其整个生态系统尚不完善。目前缺乏成熟的第三方外延晶片供应商，氮化镓外延和工艺方面的人才非常稀缺，使得企业很难开放“外延+制造”的产能。此外，新的供应链的成熟需要通过出货量来稳定，收益率也需要逐步提高，而这些都需要时间。  外延晶片来自哪里？目前，“外延+制造”已深度融合，一些批量出货的代工厂拥有独立的外延生产能力。因此，目前市场上还没有独立的第三方外延晶片供应商大量出货外延晶片。因此，在考察目前正在走向成熟的氮化镓代工厂还是即将建造的IDM时，首先需要回答的问题是外延的工艺路径和验证时间。  哪里有技艺精湛的工匠？在硅衬底上制备氮化镓薄膜需要对氮化镓材料本身的缺陷有透彻的了解。这种了解需要经过长期的反复试验，导致全球具备这方面能力的核心人才短缺。目前，一些以硅基器件为主的电源制造商正在开发氮化镓业务。关键在于哪里能够找到具备氮化镓工艺背景的人才。  现场验证后进行迭代，从台积电的研发经验来看，其外延和工艺的整体研发过程伴随着产品应用中不断出现的问题，这促使研发反复迭代，并对整个供应链的稳定性造成了影响。因此，在缺乏足够的现场验证数据的情况下，无论是外延还是工艺，都远未达到成熟阶段。此外，量产带来的良率问题也亟待解决。作为工艺工程能力最强的公司，台积电从氮化镓的研究到稳定量产用了五六年时间。尽管目前整个行业的研发基础比以往有所进步，但要突破上游材料和制造环节仍然困难重重。当我们审视“成熟”的外延和工艺时，我们需要心怀敬畏，并进行验证。   持续关闭由于硅基氮化镓是半导体代工领域的新兴领域，从台积电到国内的三安集成，其氮化镓产能都刚刚起步，因此一旦有设计公司推出产品，就会占据公司的大部分产能，产能对订单的影响将产生强烈的共振效应：设计公司出货量大 → 对产能需求大 → 代工厂支持强 → 供应链有保障 → 供应链更稳定 → 客户订单需求更大 → 设计公司出货量大 → 对产能需求大……  
  投资思维 对于一家硅基氮化镓公司而言，长期稳定的上游供应链是关键。   如果你投资于出货速度最快的无晶圆厂技术，资源将以更快的速度集中，而速度变慢的风险非常高。由于各种原因，目前，国内无晶圆厂主要依赖国内代工厂，而国内代工厂的外延技术和工艺仍处于发展阶段，整体产能较小。目前，国内无晶圆厂GaN-on-Si企业的出货量仍然很小，对代工厂的产能没有太大的影响力。因此，一旦无晶圆厂企业能够脱颖而出，获得大规模订单，就能锁定产能，占据极具优势的竞争地位。而那些发展缓慢、无法获得产能的无晶圆厂企业则面临巨大的风险。    投资一家在“外延+制造”技术方面拥有深厚经验的集成器件制造商的关键在于，这项技术是否能够被制造出来。如果能够被制造出来，它将成为世界上的稀缺资源。目前，IDM（集成器件制造商）要完成氮化镓的外延生长和制造，并满足相关的良率和可靠性要求，难度极大，令人叹为观止。但一旦成功，它所带来的先发优势也将非常显著。        03       技术路线取决于技术，但也取决于生态。
氮化镓晶体管通过压电效应在两种不同带隙材料（通常为AlGaN和GaN）界面处形成的二维电子气导电。由于二维电子气仅在高电子浓度下导电，因此不存在硅MOSFET体二极管的反向恢复问题。这意味着当栅极和源极之间没有施加电压时，氮化镓晶体管的漏极和元件始终导通，即它是一种常开器件。为了解决这个问题，业界通常有两种方案：一是采用级联（Cascode）结构，通过串联MOS管来实现关断控制；二是采用单管增强型（P-GaN）结构，即在栅极上添加P型氮化镓外延层来实现关断控制。从技术角度来看，这两种技术方案各有优缺点，难以逐一比较。单管增强结构的主要缺点是栅极可靠性相对较低，耐压也较低。级联结构的主要缺点是寄生电感引起的电磁干扰问题。  可靠性。采用不同工艺路线的栅极具有不同的抗冲击裕量。P-GaN和Cascode的栅极驱动电压通常分别为7V和18V左右，栅极开启电压通常分别为6V和8V。直接的问题是，P-GaN结构的栅极抗冲击裕量仅为1-2V左右，这对可靠性提出了更大的挑战。从结构角度来看，Cascode的可靠性远高于P-GaN，更适合工业级应用。  耐压。器件耐压。由于硅管的分压作用，共源共栅结构具有相对更高的器件耐压等级。目前，P-GaN器件的耐压仍低于650V，而共源共栅结构可达1200V，能够满足大量工业级电压需求。  电磁干扰。级联晶体管（Cascode）需要将硅管和氮化镓器件密封在一起，这会带来较大的寄生电感。如果开启频率较高，电磁干扰（EMI）也会更大。此外，从工艺角度来看，级联晶体管和P型氮化镓（P-GaN）分别需要一次和两次外延生长。级联晶体管的整体工艺难度低于P型氮化镓。从驱动角度来看，级联晶体管的驱动方式与传统的硅MOSFET驱动方式完全相同，无需过多考虑栅极保护，要求相对较低。从成本角度来看，级联晶体管仅需一次外延生长，因此晶圆成本较低，但整体封装成本较高。综合考虑，由于目前P型氮化镓的整体出货量较大，其整体成本优势更为明显。  表1 GaN器件结构优缺点比较  

类型	级联	其他活动
可靠性	优秀	少
寄生电感	敏感	麻木不仁
耐压	优秀	少
功率	优秀	少
工艺难度	更加困难	灾害
驾驶难度	易	灾害

        从技术角度来看，两者最大的区别在于级联结构暂时解决了工业级应用问题。由于级联结构的可靠性和耐压特性更具优势，作为级联架构代表的Transphorm公司在去年底也发布了相对理想的高压器件故障率数据。目前，级联结构在工业市场更具优势。单管增强型结构目前正通过更精确的驱动和功率解决方案来提高P-GaN结构器件的可靠性，并通过QST等衬底技术来提高耐压水平，但这项技术仍需时间逐步成熟。            然而，在工业技术路线的发展过程中，除了技术本身之外，产业生态往往也发挥着非常重要的作用。总体而言，由于Pi和Transphorm等级联结构的产业链相对封闭，而较为开放的单管增强型结构的产业生态则相对“百花齐放”。目前，国内外多家提供OEM服务的代工厂都在采用单管增强型工艺路线，下游电源管理IC厂商也大多专注于单管增强型解决方案，整个生态系统在这条技术路线上相对统一。目前，预计单管增强型产业链的技术迭代和成本优化将持续加强，并有望在中短期内成为主流技术路线。      04       应用解决方案、研发资源和机遇窗口
         
氮化镓是一种新兴技术。目前，整体解决方案的设计和应用仍主要由氮化镓器件制造商主导。一些电源管理IC制造商也逐渐涌现，以驱动芯片和控制芯片为核心，形成相应的解决方案。  表2 GaN主要参与者类型  

类别		代表企业	结构体
GaN主导	氮化镓	英诺赛克	氮化镓
		GAN系统	氮化镓
	GaN + 驱动器控制	Pi	可控驱动氮化镓封装
		纳维	驱动氮化镓单芯片
电源管理引线	驱动+控制	恩智浦半导体	有限责任公司控制
		ON Semiconductor	直接驱动和 LLC 控制
	GaN + 驱动器控制	东科	驱动氮化镓以控制封装
		比一味	驱动器+GaN

氮化镓器件公司和电源管理芯片公司各有优势。氮化镓器件公司的主要优势在于：掌握稀缺的氮化镓器件供应链资源；对氮化镓器件有更深入的了解；在推出相关解决方案方面具有先发优势。电源管理芯片公司的主要优势在于：具备驱动和控制IC的设计能力；拥有丰富的电源解决方案设计经验；具备ACDC封装技术能力和封装供应链资源；拥有原有的电源客户渠道。
要打造理想的氮化镓解决方案，硅基氮化镓公司不仅要制造出优质的功率器件，而且驱动和控制集成电路技术以及电源解决方案也非常重要。硅基氮化镓它是一家电力公司，早期也是一家电力供应公司。与硅基解决方案相比，氮化镓解决方案需要解决诸多问题，例如氮化镓器件的栅极耐压、高频可靠性以及电磁干扰（EMI）问题；其次，它需要在传统拓扑结构中充分发挥氮化镓器件高效小尺寸的优势并实现其性能。因此，整体解决方案需要：1. 充分理解氮化镓器件的特性；2. 具备强大的解决方案层面设计优化能力。这两者需要相互理解（需要非常深入地理解），并在研发层面相互协作迭代（需要具备研发整合能力），才能最终获得良好的电源解决方案。通过在氮化镓器件、驱动电路和控制电路的研究和开发方面进行全面合作，我们可以提供良好的解决方案。我们看到，Pi和Navitas都在专注于内部解决上述问题，国内硅基氮化镓企业也在构建自身的研发生态系统以及电源管理IC企业的研发生态系统。国内GaN-on-Si企业如何实现功率器件和功率IC的研发合作，以及它们是否拥有强大的电源解决方案团队储备、技术经验和深度研发合作伙伴，都是值得关注的重点。此外，目前的主流解决方案包括Pi、Navitas和Innosec。这三家公司的芯片集成度正在逐步降低。其中，Pi采用控制器、驱动器和GaN器件的封装，Navitas采用驱动器和氮化镓器件的单芯片集成，Innosec采用氮化镓单管，这直接带来了三种不同的解决方案。目前，主流电源厂商的解决方案主要集中在以上三种类型。因此，接受主流方案的阻力相对较小。差异化解决方案则需要自主构建系统。      05       题外话和结论

目前存在一些这样的观点：第一，氮化镓路线不盈利；第二，氮化镓的技术门槛低，国内在建产能也很多。从经济角度来看，随着整体产值的增长，各企业的良率和产能利用率都能达到更高的水平。作为一个不完全竞争的市场，这条路线在中短期内可能比硅基能源更有盈利潜力。关于产能，目前媒体报道了很多硅基氮化镓产能项目。如果您感兴趣，可以逐一调查。实际有效产能有多少？也可以评估一下未来两三年内预计有多少产能能够投入使用。这里我就不赘述了。  硅基氮化镓（GaN-on-silicon）是一个新兴领域。目前，从器件到解决方案的开发以及建立稳定且经济的上游供应链都非常困难。具备相关技术能力的公司和团队也十分稀少。  

只要能够很好地解决上述问题，它将成为一家罕见的不受商业模式、企业背景、晶圆尺寸以及外延和器件技术路线限制的硅基氮化镓公司。

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