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镓系化合物半导体的市场与应用【小金属产业大会】

来源：SMM2024-06-23 15:12

6月21日，在由山东恒邦冶炼股份有限公司与上海有色网信息科技股份有限公司（SMM）联合主办的2024SMM第十二届小金属产业大会——稀散金属论坛上，浙江康鹏半导体有限公司市场总监刘佳分享了镓系化合物半导体的市场与应用。

材料简介

自然界的物质、材料按导电能力大小可分为导体、半导体和绝缘体三大类。

半导体材料是一类具有半导体性能，导电能力介于导体与绝缘体之间，可用来制作半导体器件和集成电路的电子材料。其电学性质对光、热、电、磁等外界因素的变化十分敏感，在半导体材料中掺入少量杂质可以控制这类材料的电导率。

化合物半导体材料是由两种或两种以上元素以确定的原子配比形成的化合物，并具有确定的禁带宽度和能带结构等半导体性质称为化合物半导体材料。

镓系化合物半导体的市场与应用

2.1主要含镓化合物

砷化镓、氧化镓、氮化镓、锑化镓

2.2砷化镓

GaAs是目前应用最广泛的III- V族化合物半导体材料，属闪锌矿型晶格结构，熔点1237℃。在电子和光电子领域具有广泛应用。随着半导体工艺的不断发展，砷化镓材料的性能不断提升，目前砷化镓的制备技术已经非常成熟。

2.3生长方式介绍

传统方法：水平法(HB)、直拉法(LEC)。

主流方法：垂直法(VGF/VB/VCZ)。

2.4加工工艺

其对砷化镓的加工工艺流程进行了介绍。

2.5砷化镓的应用领域

2.6砷化镓的应用领域——光电子

砷化镓在光电子器件领域据有重要的应用价值。

例如：光电晶体管、激光器和光电二极管，常规LED主要应用于通用照明、户外大显示屏等，Mini LED、Micro LED应用于新一代显示。

2.7砷化镓的应用领域——光通信

砷化镓在光通信设备中被广泛应用，随着光纤网络的普及和数据中心的建设，对高速传输和近距离数据通信方面，具有较高的光电转换效率和较大的光电响应值。

2.8砷化镓的应用领域——太阳能

砷化镓太阳能电池片凭借高光电转换效率、高抗辐射能力、宽作业温度带等特点，成为卫星和军用装备太阳能电池阵的主要材料。伴随着“星网”和“G60 星链”在低轨卫星星座建设的加速，砷化镓太阳能电池成为卫星电源系统的核心组成部分。其次还应用在无人机和便携式太阳能电池板，需求有望得到持续拉动。目前康鹏为太阳能电池衬底片的国内主供应商。砷化镓太阳能电池不仅适用于传统的光伏发电领域，还可以应用于如电动车辆、无线通信设备和航空航天等。

2.9砷化镓的应用领域——高频功率放大器

砷化镓具有较高电阻和迁移率，是制造高频功率放大器的理想材料。应用于移动通信、卫星通信、雷达等。

随着5G技术的推广和智能手机的普及，通信设备市场需求不断增长，这将促进砷化镓产业的未来发展。

2.10砷化镓的应用领域——微波发射器

砷化镓具有较高的电子迁移率、高电阻和较低的噪声系数，可用于制造高性能的微波射频发射器。应用于天线、通信、军事、航空和气象雷达等。

2.11砷化镓的产业链构成

其对砷化镓的产业链构成进行了介绍。

2.12砷化镓的应用领域

其对砷化镓的应用领域诸如手机、雷达路由器以及卫星通讯等进行了介绍。

2.13砷化镓的应用领域——新兴领域

随着信息技术和通信技术的不断发展，物联网和人工智能的快速发展也将对砷化镓市场起到积极的推动作用，不断提高产品质量和性能。

2.14砷化镓

引Yole数据，2019年全球折合二英寸砷化镓衬底市场销量约为2000万片，预计到2025年将超3500万片，2019-2025年综合平均增长为9.72%。

2019年全球砷化镓衬底市场规模约为2亿美元，预计到2025年将达3.48亿美元，2019-2025年综合平均增长为9.67%。

2.16氮化镓

GaN是一种无机物，也是一种直接能隙的半导体材料，自1990年起常用在发光二极管中。此化合物结构类似纤锌矿，硬度很高。氮化镓的能隙较宽，可以用在高功率、高速的光电元件中。

例如：氮化镓可以用在蓝/紫光的LED、LD。其次，氮化镓具有优良的电子迁移率和电子饱和漂移速度，这使得它在射频和微波电子器件中具有出色的性能，例如：5G通信系统中的射频功率放大器。

2.18氮化镓的主要应用

1.GaN射频器件主要应用于：军用雷达、卫星通讯、5G基站等方面。

5G基站主要使用的是氮化镓功率放大器和微波射频器件。GaN材料在耐高温、耐高压及承受大电流方面具备优势，与传统通信芯片相比具备更优秀的功率效率、功率密度和宽频信号处理能力，应用在5G基站中更加合适。

5G 射频系统由于要使用到高频载波聚合以及高频带等多种新技术，整体系统复杂度大幅提高，因此使用 GaN 等新技术将大幅缩减系统功耗。为锗化硅基 MIMO 天线，其由1024 个元件构成，裸片面积为 4096 平方毫米，辐射功率为 65dBm，如果采用 GaN 材料来制作，整体元件数量将减少至 192 个，裸片面积仅为 250 平方毫米，仍能保持辐射功率不变，虽然价格有一定程度的提高，但是功耗降低了 40%，成本可以降低 80%。

2.19氮化镓的主要应用——GaN在光电子领域的应用

全球人口数持续攀升、各经济体逐步复苏下，全球电力需求持续上升，促使各国政府更严格的审查能源效率、降低整体能源消耗。其中，照明约占整体能源消耗的20-30%，面对缺电危机，LED照明成为落实节能减碳的要角之一。

这样的趋势下，LED照明无论在居家、商业或工业领域的渗透度，皆有大幅度成长，根据集邦咨询的预估，LED照明市场规模将于2026年达783.6亿美元。根据市场研究机构Yole预计，到2026年Micro LED市场规模有望达到188亿美元。随着光源技术的完善，MicroLED市场将在未来几年内迎来爆发性增长。

在全球永续发展及能源节约意识抬头的时代，基于GaN设计的LED照明将是未来照明的核心，加速永续且节能照明技术的发展。

2.20氮化镓的主要应用

GaN光电器件产品主要包括Mini-LED和Micro-LED。与传统LED相比，芯片量级更小，高清显示性能更好，可以应用于超大屏高清智能电视、消费电子显示屏，以及手机、电脑等消费电子背光应用，VR/AR等多个领域。

2.21氮化镓的主要应用——GaN在电力电子领域的主要应用

GaN高效率、低损耗与高频率的材料特性使其在消费电子充电器、电源适配器等领域具有相当的渗透潜力。

3.1快充带动GaN功率器件应用

与传统充电器相比，相同功率下的GaN充电器体积更小，质量更轻携带便利。GaN充电器充电功率大，充电速度快，可满足多台设备同时充电的场景需求，且价格相对便宜。小米、华为、努比亚等手机厂商开始入局氮化镓充电器市场，氮化镓充电器市场已经进入百花齐放的时代。

氮化镓的应用加速了快充充电器的市场发展。预计到2026年，中国氮化镓充电器市场规模将上升至50亿元。因此，GaN充电器在消费电子快充领域市场需求量大。

此外，光伏、数据中心、云计算等领域都在不同程度为GaN功率器件市场增长提供助力。例如，随着“东数西算”工程、智慧城市等建设不断推进，数据中心建设迎来提速。数据中心建设体量的增加，数据中心市场耗电量未来一段时间将持续走高。因此降低能耗、建设绿色数据中心成为发展趋势。而在数据中心的使用场景下，氮化镓凭借高效率的优势，可带来显著的节能增效并降低成本。

2.22氮化镓的主要应用

3.2新能源汽车成为GaN功率半导体市场增长驱动力

GaN功率半导体主要应用于新能源汽车的车载充电器OBC、DC-DC/DC-AC、BMS电池管理系统等。

未来，新能源汽车数量的不断增长、渗透率的提升，GaN潜在市场空间巨大，拓展新能源汽车应用市场、提高渗透率是GaN行业重要的发展趋势。

2.23氮化镓的主要应用

氮化镓“上车”之路

具体到氮化镓器件的应用领域，新能源汽车也为氮化镓带来不小的增量。预测数据显示，2028年，氮化镓功率器件在新能源汽车中的市场规模将达5.04亿美元，年复合增长率将达到110%。

2.24氮化镓的市场分析

根据Strategies Unlimited数据, 2022年全球高功率半导体激光器市场规模达21.9亿美元，到2025年有望增长至28.2亿美元。氮化镓半导体激光器在光刻存储、军事、医疗、仪器仪表、娱乐显示、以及打印均有应用。

IDTechEx Research在《激光二极管和直接二极管激光器2019-2029:技术、市场和预测》的报告中预测，到2029年，全球激光二极管和直接二极管激光器市场将达到139.85亿美元，其中激光二极管将贡献119.52亿美元。

2.25氮化镓的市场分析

2023年Yole group发布的关于射频氮化镓器件市场的研究报告显示，在电信基础设施和国防两大应用的推动下，预计到2028年，射频氮化镓市场将达到27亿美元，2022年至2028年复合年增长率为12%，其中通信基础设施应用规模将达13.95亿美元。电信领域新机遇为射频硅基氮化镓打开大门。

2.26氮化镓的主要应用

引Yole数据，预计到2027年全球GaN功率器件市场将达20亿美元。其中消费电子市场的需求将从2021年的7960万美元增长到2027年的9.647亿美元，复合年增长率为52%。

在国家“双碳”政策的支持下，近年来GaN在功率电子领域开始从消费电子电源不断向数据中心、新能源汽车等附加值领域加速渗透，预计到2028年，汽车、交通应用市场规模将增长到3.09亿美元，复合年增长率为97%；信息通信、数据中心应用规模将增长到6.18亿美元，复合年增长率为69%。

2.27氮化镓的市场分析

根据 Yole 统计数据，2018年 GaN 整体市场规模为 6.45 亿美元，其中无线通讯应用规模为 3.04 亿美元，军事应用规模为 2.7 亿美元。

未来在电信基础设施以及国防两大应用的推动下，预计到 2024 年，GaN市场规模将增长至 20.1 亿美元，年复合增长率为 21%，其中无线通讯应用规模将达到 7.52 亿美元，同比增长147.43%，射频相关应用规模从200万美元大幅增长至1.04 亿元，增长近50倍。

2.28锑化镓

GaSb是一种Ⅲ-Ⅴ族化合物半导体材料, 对它的研究远不如其他半导体材料(如GaAs等)那样深入。近些年这种材料越来越引起人们兴趣, 这主要是光纤通信技术的发展, 对新器件潜在需求而引起的。

在所有Ⅲ-Ⅴ族材料中,GaSb作为衬底材料引起了更多的注意, 利用GaSb材料超晶格的带间吸收可以制造更长波长(8-14)μm 范围的探测器。

2.29锑化镓的主要应用

锑化镓的主要应用领域

锑化镓可以应用于太阳能电池、红外检测器、激光器、LED等光电器件中。它的高载流子迁移率和高电子迁移率可以降低电阻，提高器件的性能，并增强器件的光电转换效率。

1.例如：红外探测器

应用优势：高灵敏度、宽光谱响应。

应用领域：主要用于军事侦察、夜视系统、环境监测、医疗成像等领域。制作多种用途的红外探测器件及火箭和监视系统中的红外成像器件, 用于火灾报警和环境污染检测的传感器, 监测工厂中腐蚀气体(如HCl等)和有毒气体泄漏的传感器等。

2.30锑化镓的主要应用

由于锑化镓能有效地吸收红外光，这使得它成为成像设备的理想材料，在热成像领域有重要的应用。Yole最新数据显示，新冠疫情使2020年热成像市场规模提升至超过70亿美元，达到短暂峰值，但随后在2021年出现下降，2023年恢复增长。目前市场规模约为65亿美元，预计未来5年，汽车、工业和消费市场的新应用将以接近6%的复合年增长率推动市场增长，2029年热像仪市场价值将稳步增长至91亿美元。

2.31锑化镓的主要应用

2.例如：光电子集成电路

应用优势：高速数据传输、集成能力强。（与其他半导体材料相比，GaSb可与多种III-V族材料集成，实现复杂的光电功能）。

应用领域：广泛应用于高速光纤通信、光计算、光存储等前沿技术领域。

3.例如：太阳能电池

工作原理：GaSb太阳能电池利用其独特的能带结构有效地吸收太阳光谱中的宽光谱范围，将光能转换为电能。

应用优势：

•高转换效率：GaSb太阳能电池具有较高的量子效率和转换效率，尤其在低光照条件下性能优异。

•多结构设计：GaSb材料可用于多结太阳能电池的设计，进一步提高整体转换效率。

应用领域：适用于太空航天、远程通信基站、便携式电源和可再生能源领域。

2.33氧化镓

Ga2O3是一种无机化合物，也是一种新兴的宽禁带半导体材料，具有超宽的禁带宽度（4.6-5.3eV）和超高临界击穿场强（8MV/cm），具有良好的热稳定性、击穿电压高以及可见光与红外透过率高等优点，在高温高压功率电子器件、光电器件以及气体探测器等方面有着极大的应用潜力。