01

國內氮化鎵軌道投資價值
          1. 氮化鎵軌道投資價值第三代半導體材料的特性將逐步取代部分矽基功率元件的市場佔有率。這一點已透過市場應用不斷驗證，並基本上成為共識。與碳化矽相比，目前矽基氮化鎵的主要缺點包括額定電壓低和缺乏可靠性驗證數據。此外，由於矽基氮化鎵的整體輸出值較低，尚未形成規模效應，因此與碳化矽相比沒有成本優勢。然而，矽基氮化鎵製造商目前正透過外延、裝置結構和驅動控制電路等方面的改進，推動產品朝向高耐壓（目前為1200V產品）和高可靠性（目前已擁有高壓元件的理想可靠性數據）方向發展。此外，氮化鎵元件的售價已接近矽MOS元件，產品性能、品質和成本也持續接近最佳平衡點。此外，與碳化矽相比，矽基氮化鎵材料本身俱有更高的功率效率和更低的成本。在600V至1200V電壓範圍內，矽基氮化鎵將成為極具競爭力的技術方向。此外，隨著碳化矽在汽車和光伏市場的持續應用，國內外數十億甚至數百億美元的投資正在湧入。人們很容易直觀地感受到碳化矽的市場規模非常龐大，而用於小型充電頭的氮化鎵的市場規模則顯得小得多。根據優樂發布的數據，到2025年，碳化矽的市場規模將達到2.5億美元，而氮化鎵的市場規模預計在2026年將達到1億美元。乍一看，碳化矽的整體產值確實是氮化鎵的數倍。    然而，對大多數國內企業而言，碳化矽和矽基氮化鎵的機會產出價值實際上是相等的：   一是考慮襯底的產出價值。成本結構不同，沒有基板環節的碳化矽公司的產出價值將大幅降低。碳化矽基板的成本約佔50%，外延晶片的成本約佔20%，裝置製造、封裝和測試的成本約佔30%。氮化鎵基板的成本基本上可以忽略不計，外延成本佔50%，剩餘的裝置產出價值佔比更高。    第二點是考慮車輛規格的輸出價值。市場需求不同。碳化矽側重於汽車規格，而氮化鎵則側重於消費品。根據優樂發布的數據，預計到2025年，電動車市場需求將佔全球需求的約61%。優樂的數據也顯示，消費級氮化鎵約佔市場需求的70%。目前，國內碳化矽生產商距離實現汽車市場的大規模應用仍有很長的路要走。  第三點是考慮MOS的輸出值。 國內碳化矽企業目前主要集中在SBD市場，MOS的出貨量仍然很少。根據Yole發布的數據，2022年後MOS的產值將佔一半以上。由於後期市場主要由電動車驅動，MOS的比例將持續成長。然而，由於碳化矽MOS本身的可靠性和製程源問題，國內廠商仍難以自信大膽地進行大規模推廣和應用。綜上所述，如果國內碳化矽企業剔除基板材料、汽車市場和非汽車MOS的產值，其潛在產值實際上與矽基氮化鎵相差無幾。疊加氮化鎵和碳化矽30%和70%的市場成長率，從產業規模的角度來看，矽基氮化鎵是個不錯的選擇。肌肉人碳化矽和閃輝氮化鎵分別專注於工業市場和消費市場（整體而言），此處不詳細討論它們在品質要求、市場定價和市場導入週期方面的差異。但整體而言，主要面向消費級應用的氮化鎵的市場彈性會更高。此外，由於碳化矽功率的發展階段相對成熟，國內從基板、外延、裝置製造或IDM等方面相對知名的高品質公司基本上不多，留給創業者的機會窗口也相對較小。  
  2. 國內氮化鎵企業的機會與優勢
  （1）「高成長+高集中度」為新進入者帶來機會根據Yole發布的數據，2020年全球氮化鎵（GaN）功率元件市場規模僅4,600萬美元，預計2026年將成長至1.1億美元。 2020年至2026年，GaN功率元件市場將維持70%的年均成長率，六年內成長23倍。如此高的產業成長率直接帶來如何保障氮化鎵元件供應鏈穩定性的問題。目前，全球兩大半導體裝置製造商Navitas和Pi佔據了超過70%的全球市場。國內品牌廠商主要採用其中一家的氮化鎵半導體裝置解決方案。  在短期內，上游供應鏈高度集中，大品牌電源客戶對分散供應鏈風險有嚴格的要求；從長遠來看，與目前矽基MOS CR5 65%的市佔率相比，氮化鎵目前的市場集中度過高，正逐漸逼近矽基MOS的市場結構，這很可能只是時間問題。    （2）目前我國矽基氮化鎵的整體國內水準比矽基氮化鎵更具優勢2019年，國內最大的MOS和IGBT企業華潤微電子和思蘭微電子分別佔了全球3%和2%的市場。英諾賽克目前的氮化鎵出貨量應該排在第三位。雖然國內還有一些氮化鎵新創企業的出貨量較小，但它們目前的整體技術和產業資源儲備也處於世界領先地位。像英飛凌和鈦的矽基氮化鎵產品這樣的傳統領導者仍在努力追趕。在國內矽基氮化鎵產業中，雖然沒有出現絕對的領先優勢，但從國內企業目前的全球地位以及中國氮化鎵領域的核心人才儲備來看，其整體發展狀況確實遠優於矽基氮化鎵。  綜上所述，面對快速成長的市場蛋糕，國內企業有實力和能力分得一大塊蛋糕。       02       「集中式+封閉式」供應鏈、價值與風險
          現有的供應鏈是“集中且封閉的”，導致市場由少數供應商主導。
  現有供應鏈的集中化。與矽基產品不同，氮化鎵的材料和製造環節非常成熟，目前氮化鎵供應鏈中經過批量驗證的產能非常有限。國外晶圓代工廠主要包括台積電、富士通和X-Feb。國內方面，三安整合是主要企業，其他一些晶圓代工廠也在進行相關安排。整體而言，國內供應鏈資源非常稀缺。  現有供應鏈已封閉。目前，全球氮化鎵晶圓代工廠的主要產能僅服務一家公司，設計公司與產業鏈之間有著緊密的連結。作為全球出貨量最大的矽基氮化鎵裝置公司，Navitas幾乎佔據了台積電全部的氮化鎵產能，導致其他客戶難以獲得產能。現有供應鏈的「集中+封閉」模式造成了市場高度集中。 Navitas、Pi和Innosec這三家公司控制核心產能的供應，主導市場。品牌電源客戶幾乎沒有其他選擇。  
  預計供應鏈將保持集中和封閉狀態。   連續濃度氮化鎵是一種新興技術產品，其各方面的技術發展仍處於相對早期階段。終端用戶和設計公司對上游供應鏈都比較謹慎。由於成熟技術可靠，一旦完整的產業鏈得到驗證並成熟，設計公司和電源使用者將會加快在供應鏈中的佈局。作為一項新興技術，其整個生態系統尚不完善。目前缺乏成熟的第三方外延晶片供應商，氮化鎵外延和製程的人才非常稀缺，使得企業很難開放「外延+製造」的產能。此外，新的供應鏈的成熟需要透過出貨量來穩定，收益率也需要逐步提高，而這些都需要時間。  外延芯片來自哪裡？目前，「外延+製造」已深度融合，一些批量出貨的代工廠擁有獨立的外延生產能力。因此，目前市面上還沒有獨立的第三方外延晶片供應商大量出貨外延晶片。因此，在考察目前正在走向成熟的氮化鎵代工廠還是即將建造的IDM時，首先需要回答的問題是外延的製程路徑和驗證時間。  哪裡有技藝精湛的工匠？在矽基板上製備氮化鎵薄膜需要對氮化鎵材料本身的缺陷有透徹的了解。這種了解需要經過長期的反覆試驗，導致全球具備這方面能力的核心人才短缺。目前，一些以矽基元件為主的電源製造商正在開發氮化鎵業務。關鍵在於哪裡能夠找到具備氮化鎵製程背景的人才。  現場驗證後進行迭代，從台積電的研發經驗來看，其外延和製程的整體研發過程伴隨著產品應用中不斷出現的問題，促使研發反覆迭代，並對整個供應鏈的穩定性造成了影響。因此，在缺乏足夠的現場驗證數據的情況下，無論是外延還是工藝，都遠未達到成熟階段。此外，量產帶來的良率問題也亟待解決。作為製程工程能力最強的公司，台積電從氮化鎵的研究到穩定量產​​花了五、六年。儘管目前整個產業的研發基礎比以往有所進步，但要突破上游材料和製造環節仍困難重重。當我們檢視「成熟」的外延和工藝時，我們需要心懷敬畏，並進行驗證。   持續關閉由於矽基氮化鎵是半導體代工領域的新興領域，從台積電到國內的三安集成，其氮化鎵產能都剛剛起步，因此一旦有設計公司推出產品，就會佔據公司的大部分產能，產能對訂單的影響將產生強烈的共振效應：設計公司出貨量大 → 對產能需求大 → 代工廠支援強 → 供應鏈有保障 → 供應鏈較穩定 → 顧客訂單需求較大 → 設計公司出貨量大 → 對產能需求大…  
  投資思維 對於一家矽基氮化鎵公司而言，長期穩定的上游供應鏈是關鍵。   如果你投資於出貨速度最快的無晶圓廠技術，資源將以更快的速度集中，而速度變慢的風險非常高。由於各種原因，目前，國內無晶圓廠主要依賴國內代工廠，而國內代工廠的外延技術和製程仍處於發展階段，整體產能較小。目前，國內無晶圓廠GaN-on-Si企業的出貨量仍然很小，對代工廠的產能也沒有太大的影響力。因此，一旦無晶圓廠企業能夠脫穎而出，取得大規模訂單，就能鎖定產能，佔據極具優勢的競爭地位。而那些發展緩慢、無法取得產能的無晶圓廠企業則面臨巨大的風險。    投資一家在「外延+製造」技術方面擁有深厚經驗的整合裝置製造商的關鍵在於，這項技術是否能夠被製造出來。如果能夠被製造出來，它將成為世界上的稀缺資源。目前，IDM（整合裝置製造商）要完成氮化鎵的外延生長和製造，並滿足相關的良率和可靠性要求，難度極大，令人嘆為觀止。但一旦成功，它所帶來的先發優勢也將非常顯著。        03       技術路線取決於技術，但也取決於生態。
氮化鎵電晶體透過壓電效應在兩種不同帶隙材料（通常為AlGaN和GaN）界面處形成的二維電子氣導電。由於二維電子氣僅在高電子濃度下導電，因此不存在矽MOSFET體二極體的反向恢復問題。這意味著當閘極和源極之間沒有施加電壓時，氮化鎵電晶體的汲極和元件始終導通，即它是一種常開元件。為了解決這個問題，業界通常有兩種方案：一是採用級聯（Cascode）結構，透過串聯MOS管來實現關斷控制；二是採用單管增強型（P-GaN）結構，也就是在閘極上添加P型氮化鎵外延層來實現關斷控制。從技術角度來看，這兩種技術方案各有優缺點，難以逐一比較。單管增強結構的主要缺點是閘極可靠性相對較低，且耐壓也較低。級聯結構的主要缺點是寄生電感造成的電磁幹擾問題。  可靠性。採用不同製程路線的閘極具有不同的抗衝擊裕量。 P-GaN和Cascode的閘極驅動電壓通常分別為7V和18V左右，閘極開啟電壓通常分別為6V和8V。直接的問題是，P-GaN結構的閘極抗衝擊裕量僅為1-2V左右，對可靠性提出了更大的挑戰。從結構角度來看，Cascode的可靠性遠高於P-GaN，更適合工業級應用。  耐壓。器件耐壓。由於矽管的分壓作用，共源共柵結構具有相對較高的元件耐壓等級。目前，P-GaN元件的耐壓仍低於650V，而共源共柵結構可達1200V，能夠滿足大量工業級電壓需求。  電磁幹擾。級聯電晶體（Cascode）需要將矽管和氮化鎵裝置密封在一起，這會帶來較大的寄生電感。如果開啟頻率較高，電磁幹擾（EMI）也會更大。此外，從製程角度來看，級聯電晶體和P型氮化鎵（P-GaN）分別需要一次和兩次外延生長。級聯晶體管的整體製程難度低於P型氮化鎵。從驅動角度來看，級聯電晶體的驅動方式與傳統的矽MOSFET驅動方式完全相同，無需過多考慮閘極保護，要求相對較低。從成本角度來看，級聯電晶體僅需一次外延生長，因此晶圓成本較低，但整體封裝成本較高。綜合考慮，由於目前P型氮化鎵的整體出貨量較大，其整體成本優勢較為明顯。  表1 GaN元件結構優缺點比較  

類型	瀑布	其他活動
可靠性	優秀	下
寄生電感	敏感	麻木不仁
耐壓	優秀	下
功率	優秀	下
過程難度	更加困難	災害
駕駛難度	容易	災害

        從技術角度來看，兩者最大的差異在於級聯結構暫時解決了工業級應用問題。由於級聯結構的可靠性和耐壓特性更具優勢，作為級聯架構代表的Transphorm公司在去年底也發布了相對理想的高壓元件故障率資料。目前，級聯結構在工業市場更具優勢。單管增強型結構目前正透過更精確的驅動和功率解決方案來提高P-GaN結構裝置的可靠性，並透過QST等基板技術來提高耐壓水平，但這項技術仍需時間逐步成熟。            然而，在工業技術路線的發展過程中，除了技術本身之外，產業生態往往也扮演著非常重要的角色。整體而言，由於Pi和Transphorm等級聯結構的產業鏈相對封閉，而較開放的單管增強結構的產業生態則相對「百花齊放」。目前，國內外多家提供OEM服務的代工廠都在採用單管增強型製程路線，下游電源管理IC廠商也多專注於單管增強型解決方案，整個生態系在這條技術路線上相對統一。目前，預計單管增強型產業鏈的技術迭代和成本優化將持續加強，並有望在中短期內成為主流技術路線。      04       應用解決方案、研發資源與機會窗口
         
氮化鎵是一種新興技術。目前，整體解決方案的設計和應用仍主要由氮化鎵裝置製造商主導。一些電源管理IC製造商也逐漸湧現，以驅動晶片和控制晶片為核心，形成相應的解決方案。  表2 GaN主要參與者類型  

類別		代表企業	結構
GaN主導	氮化鎵	英諾賽克	氮化鎵
		甘系統	氮化鎵
	GaN + 驅動器控制	Pi	可控驅動氮化鎵封裝
		納維塔斯	驅動氮化鎵單晶片
電源管理引線	驅動+控制	NXP	有限責任公司控制
		安森美半導體	直接驅動和 LLC 控制
	GaN + 驅動器控制	東科	驅動氮化鎵以控制封裝
		比一味	驅動器+GaN

氮化鎵裝置公司和電源管理晶片公司各有優勢。氮化鎵裝置公司的主要優勢在於：掌握稀缺的氮化鎵裝置供應鏈資源；對氮化鎵裝置有更深入的了解；在推出相關解決方案方面具有先發優勢。電源管理晶片公司的主要優勢在於：具備驅動和控制IC的設計能力；擁有豐富的電源解決方案設計經驗；具備ACDC封裝技術能力和封裝供應鏈資源；擁有原有的電源客戶管道。
要打造理想的氮化鎵解決方案，矽基氮化鎵公司不僅要製造出優質的功率元件，而且驅動和控制積體電路技術以及電源解決方案也非常重要。矽基氮化鎵它是一家電力公司，早期也是一家電力供應公司。與矽基解決方案相比，氮化鎵解決方案需要解決諸多問題，例如氮化鎵裝置的閘極耐壓、高頻可靠性以及電磁幹擾（EMI）問題；其次，它需要在傳統拓撲結構中充分發揮氮化鎵裝置高效小尺寸的優勢並實現其性能。因此，整體解決方案需要：1. 充分理解氮化鎵元件的特性；2. 具備強大的解決方案層面設計最佳化能力。這兩者需要相互理解（需要非常深入地理解），並在研發層面上相互協作迭代（需要具備研發整合能力），才能最終獲得良好的電源解決方案。透過在氮化鎵元件、驅動電路和控制電路的研究和開發方面進行全面合作，我們可以提供良好的解決方案。我們看到，Pi和Navitas都在專注於內部解決上述問題，國內矽基氮化鎵企業也在建構自身的研發生態系統以及電源管理IC企業的研發現狀系統。國內GaN-on-Si企業如何實現功率元件和功率IC的研發合作，以及它們是否擁有強大的電源解決方案團隊儲備、技術經驗和深度研發合作夥伴，都是值得關注的重點。此外，目前的主流解決方案包括Pi、Navitas和Innosec。這三家公司的晶片整合度正在逐步降低。其中，Pi採用控制器、驅動器和GaN裝置的封裝，Navitas採用驅動器和氮化鎵器件的單晶片集成，Innosec採用氮化鎵單管，這直接帶來了三種不同的解決方案。目前，主流電源供應商的解決方案主要集中在以上三種類型。因此，接受主流方案的阻力相對較小。差異化解決方案則需要自主建構系統。      05       題外話與結論

目前存在一些這樣的觀點：第一，氮化鎵路線不獲利；第二，氮化鎵的技術門檻低，國內在建產能也很多。從經濟角度來看，隨著整體產值的成長，各企業的良率和產能利用率都能達到更高的水準。作為一個不完全競爭的市場，這條路線在中短期內可能比矽基能源更有獲利潛力。關於產能，目前媒體通報了許多矽基氮化鎵產能專案。如果您有興趣，可以逐一調查。實際有效產能有多少？也可以評估一下未來兩三年內預計有多少產能能夠投入使用。這裡我就不贅述了。  矽基氮化鎵（GaN-on-silicon）是一個新興領域。目前，從裝置到解決方案的開發以及建立穩定且經濟的上游供應鏈都非常困難。具備相關技術能力的公司和團隊也十分稀少。  

只要能夠很好地解決上述問題，它將成為一家罕見的不受商業模式、企業背景、晶圓尺寸以及外延和裝置技術路線限制的矽基氮化鎵公司。

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