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        全球及中国第三代半导体材料行业未来发展规模及应用领域分析:5G建设推动GaN射频高速增长[图]

            一、发展过程及产业链

            第三代半导体材料主要包括SiC、GaN、金刚石等,因其禁带宽度≥2.3电子伏特(eV),又被称为宽禁带半导体材料。在第三代半导体材料中,目前发展较为成熟的是碳化硅(SiC)和氮化镓(GaN),这两种材料是当下规模化商用最主要的选择。

            与第一代和第二代半导体材料相比,第三代半导体材料具有更宽的禁带宽度、更高的击穿电场、更高的热导率、更高的电子饱和速率及更高的抗辐射能力,更适合于制作高温、高频、大功率及抗辐射器件,可广泛应用在高压、高频、高温以及高可靠性等领域,包括射频通信、雷达、卫星、电源管理、汽车电子、工业电力电子等。

        第三代半导体材料的发展过程及主要应用

        资料来源:智研咨询整理

            GaN和SiC芯片的产业链与硅芯片类似,主要分为晶圆衬底、外延、设计、制造和封装等环节。

        中国GaN芯片的产业链

        资料来源:智研咨询整理

        中国SiC器件产业链

        资料来源:智研咨询整理

            GaN器件主要包括射频器件、电力电子功率器件、以及光电器件三类。GaN的商业化应用始于LED照明和激光器,其更多是基于GaN的直接带隙特性和光谱特性,相关产业已经发展的非常成熟。射频器件和功率器件是发挥GaN宽禁带半导体特性的主要应用领域。SiC主要应用于功率器件。SiC能大大降低功率转换中的开关损耗,因此具有更好的能源转换效率,更容易实现模块的小型化,更耐高温。

        GaN、SiC的主要产品和应用

        资料来源:智研咨询整理

            二、行业发展规模及应用领域分析

            智研咨询发布的《2021-2027年中国第三代半导体材料行业市场运营格局及未来前景展望报告》显示:射频器件是无线通讯设备的基础性零部件,在无线通讯中负责电磁信号和数字信号的转换和接收与发送,GaN射频器件在功率密度上的优势使得芯片体积大为缩小;5G基站会用到多发多收天线阵列方案,GaN射频器件对于整个天线系统的功耗和尺寸都有巨大的改进;在高功率,高频率射频应用中,获得更高的带宽、更快的传输速率,以及更低的系统功耗。
        根据相关数据,到2024年,预计全球GaN射频市场规模将达20亿美元,其中国防军工领域仍为最大细分领域,无线基础设施领域将达到7.5亿美元。

        2018-2024年全球GaN射频市场规模(单位:亿美元)

        资料来源:Yole、智研咨询整理

        2018-2024年全球GaN射频市场规模分布(单位:亿美元)

        资料来源:Yole、智研咨询整理

            功率器件与前述射频功率芯片有所区分。根据GaN和SiC所适用电压的不同,两者功率器件的应用领域也有所不同。GaN功率器件主要应用领域:消费电子、数据中心电力系统、光伏逆变器、DC-DC转换器、POL转换器,以及电机驱动和D类大功率音频放大器等。SiC功率器件主要应用领域:智能电网、轨道交通、新能源汽车、光伏、风电。新能源汽车等应用的快速发展推动了GaN和SiC功率市场高速发展,预计2023年全球GaN功率器件市场规模将达到4.3亿美元;2024年全球SiC功率器件市场规模将达到19.3亿美元,其中新能源汽车应用占比将达49%。

        2018-2023年全球GaN功率市场规模

        资料来源:Yole、睿兽、智研咨询整理

        2018-2024年全球SiC功率市场规模

        资料来源:Yole、睿兽、智研咨询整理

        2018-2024年全球SiC功率市场规模分布

        资料来源:Yole、睿兽、智研咨询整理

            在国内大半导体产业增长乏力的大背景下,我国第三代半导体产业实现逆势增长。据统计,2020年我国SiC、GaN电子电力和GaN微波射频产值合计达到105.5亿元,同比增长69.61%,其中:SiC、GaN电力电子产值44.7亿元,GaN微波射频产值60.8亿元。

        2016-2020年中国SiC、GaN电子电力和GaN微波射频产值情况

        资料来源:CASA、智研咨询整理

        2016-2020年中国SiC、GaN电子电力和GaN微波射频产值情况

        资料来源:CASA、智研咨询整理

            目前,GaN主要应用在射频及快充领域。SiC重点应用于新能源汽车和充电桩领域。我国作为全球最大的新能源汽车市场,第三代半导体器件在新能源汽车充电桩领域的渗透快于整车市场,占比达38%;消费类电源(PFC)占22%;光伏逆变器占了15%;工业及商业电源、不间断电源UPS、快充电源、工业电机分别占6%、3%、3%、1%。

        2020年中国SiC、GaN电力电子器件下游应用领域分布

        (注:电网、风力发电市场占比不足1%,未在图中显示)
        资料来源:第三代半导体产业技术创新战略联盟、智研咨询整理

            国防军事与航天应用是我国GaN微波射频器件的主要应用领域,2020年市场规模占整个GaN射频器件市场的53%;其次是无线基础设施,下游市场占比为36%。

        2020年中国GaN射频器件下游应用领域分布

        资料来源:第三代半导体产业技术创新战略联盟、智研咨询整理 

        本文采编:CY315

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        标签: 半导体材料

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