传统硅半导体器件因其固有限制而无法满足该等应用的需求。另一方面，作为最新一代半导体材料，氮化镓半导体器件近年来已广泛应用于各行各业，有望在功率半导体行业的持续变革中发挥关键作用。
与硅及其他半导体材料相比，氮化镓具有高频、电子迁移率高、辐射抗性强、导通电阻低、无反向恢复损耗等显著优势。氮化镓功率半导体芯片能够有效降低能量损耗，提升能源转换效率，降低系统成本，并实现更小的器件尺寸。
各种下游应用的发展趋势及当前硅材料产品的痛点为氮化镓功率半导体带来庞大增长潜力。
• 消费电子产品－升级传统消费电子产品，以提高效率及便利性。更快的充电速度、更小的器件尺寸及更轻巧的消费电子产品越来越受到客户追捧，而器件亦不断升级，以更有效地支持能耗较高的运算密集型应用。在相同成本的情况下，使用氮化镓解决方案可将USB-PD(1)充电器的体积和重量缩减约70%，或将充电功率提高约50%，从而提升充电速度。此外，在电视电源方面，氮化镓解决方案可将开关频率提高一倍，从而使变压器体积及成本减少30%。而在智能手机主板中，氮化镓解决方案能够将电路板面积减少75%，并将峰值功率器件损耗降低40%至50%。
• 电动汽车－简化器件结构及提升电动汽车的电子管理系统。随著电动汽车日益智能化及电气化，电动汽车所用电动装置中的功率半导体芯片需要更多创新发展。氮化镓解决方案具有传统硅所不具备的独特特性，可简化功率半导体的拓朴结构，有望为电动汽车产业带来巨大变革。电动汽车车载充电器(2)等对氮化镓解决方案的典型应用亦能减轻电动汽车的重量。在功率转换过程中，使用氮化镓解决方案可大幅减少能量损耗，从而使电池模块的尺寸及重量减少70%。
• 可再生能源－推行太阳能发电及储能系统以达致更安全、更经济及可持续的运作。太阳能发电及储能是解决目前能源危机的重要手段。用于光伏逆变器的氮化镓解决方案更为安全，这在屋顶、住宅分布式光伏发电中尤为重要。逆变器及功率优化器的大部分体积由电感器佔据，而应用氮化镓解决方案可减少电感器的体积。对高输出功率、小尺寸和轻巧的逆变器和功率优化器的需求正在增长，这使得氮化镓成为该场景的理想材料，以及实现效率突破的必要条件。
以氮化镓为基础的微型逆变器、优化器及功率调节器能够提升转换效率及输出功率、缩减尺寸及结构、降低系统成本以及延长使用寿命。例如，使用氮化镓解决方案可将能源利用效率提高约30%，并将太阳能发电站的面积减小约30%，同时将太阳能应用的整体系统成本降低20%。
• 数据中心－以更高效及集成的能量传输及控制芯片满足日益增长的算力需求。在人工智能及其他运算密集型应用的推动下，GPU(1)及CPU(2)正朝著更大的电流、更强的动态回应及更高的功率密度发展，进而产生更高的电力需求。高频氮化镓功率器件的应用可以有效地减少电感器的体积，为GPU周边腾出空间，从而满足高功率需求。此外，具有更高切换速度和更低能量损耗的氮化镓服务器电源能够将数据中心服务器的输出功率提高约50%，从而支持更高的算力需求，同时节省约30%的能源。
氮化镓功率半导体经历了发展初期、发展期、商业化期和从2023年开始的繁荣期等多个发展阶段。1998年至2017年，氮化镓材料的技术研发尚处于早期阶段，产品应用规模相对较小。2018年，随著氮化镓正式进入消费电子产品应用领域，氮化镓被视为开始了一定规模的商业化。于商业化期间，氮化镓技术和工艺不断得到优化，其应用场景也逐渐扩展至手机、笔记本电脑、电视等更多领域。同时，中国半导体企业积极寻求氮化镓的技术突破和应用拓展，凭藉领先的技术和工艺、产能、成本优势和市场地位实现长足的增长和发展。
2023年，全球氮化镓功率半导体的市场规模为人民币18亿元，在功率半导体市场中的渗透率为0.5%，佔全球功率半导体分立器件市场的1.4%。随著氮化镓技术越趋成熟以及下游应用范围更为广泛，2023年被视为氮化镓行业录得指数级增长的开局之年。预计到2028年，全球氮化镓功率半导体的市场规模将达人民币501亿元，佔全球功率半导体市场的份额将提升至10.1%。
全球氮化镓功率半导体市场的下游应用
氮化镓为功率半导体行业中传统硅材料的替代材料，较后者有所提升，解决了硅材料在频率、功率、热管理和器件尺寸方面的限制。氮化镓的定位为提升功率器件行业的水平，促进整个产业链的进步。氮化镓功率半导体的主要下游应用如下：
• 消费电子产品 。在消费电子产品领域，氮化镓功率半导体可用于智能手机、笔记本电脑、平板电脑、台式电脑、高清电视和智能家居设备的快速充电器和适配器等产品。USB-C的广泛採用推动多端口和大功率充电器的需求激增，进一步扩大了氮化镓功率半导体的应用范围。
• 电动汽车。氮化镓功率半导体在电动汽车领域发挥著举足轻重的作用，尤其是车载充电器、DC-DC变换器、牵引逆变器、激光雷达驱动器、无线充电、手机无线充电、D类音频放大器、辅助电源应用、无刷直流电机驱动器及外部充电器等领域。氮化镓功率半导体在汽车应用领域的增长主要受其独特功能所推动，该等功能能够满足现代汽车系统的各种需求。微出行领域（包括电动自行车及电动滑板车）亦为氮化镓的市场渗透提供了潜在途径。
• 可再生能源和工业。氮化镓功率半导体在可再生能源领域的应用包括微型逆变器、DC-DC变换器及电池储能系统。氮化镓功率半导体能够提升能量转换效率，直接影响运营成本效率的提升。氮化镓功率半导体具有低静态和动态损耗、最低杂散电容及支援高频的特性。在工业领域，氮化镓功率半导体用于通用电机驱动器、伺服驱动器、工业激光雷达、不间断电源、逆变器及机器人电机驱动器。
• 数据中心。氮化镓功率半导体在数据中心领域的应用包括电源装置和中间总线变换器“( IBC”)，主要满足对更高效、更紧凑的电源解决方案的需求。受监管部门强调提高电源效率、稳定性和安全性所带动，氮化镓功率半导体的採用持续增长。此类应用不仅有助于降低数据中心的运营成本，亦能减少碳足迹，为未来数据中心的电源解决方案带来光明的前景。
• 其他。氮化镓功率半导体在其他领域的应用包括负载点(“PoL”)电源、电机驱动器、外部充电器和电池电源，其影响延伸到医疗及游戏等领域。此外，在主要电力来源仅限于光伏发电的航天应用领域，氮化镓功率半导体凭藉其高功率密度的优势从各种选择中脱类而出，并为市场带来广阔前景。
全球氮化镓功率半导体产业分析
半导体材料的分类及主要功率半导体材料之间的比较。半导体材料可分为三代。每一代材料都展现出鲜明的特点，并以不同的特色及优势在各种应用领域中发挥著举足轻重的作用。
三代半导体材料的特点及应用比较如下：
• 硅－第一代半导体。硅是开发及应用相对成熟的第一代半导体材料。技术的成熟保证了硅半导体产品的质量和一致性。此外，硅储量丰富且易于获取，使得硅基半导体器件的批量生产成本相对较低。因此，硅在逻辑、存储芯片等领域得到了广泛的应用。然而，随著硅的技术和性能逐渐达到极限，其发展面临瓶颈。受制于低频、不抗高压、散热差、功率容量不足等限制和瓶颈因素，硅难以调和功率密度与转换效率之间的矛盾，因而无法满足电动汽车、消费电子产品快速充电、电源管理及数据中心等新兴应用中普遍对高功率密度、高转换效率的需求。
• 砷化镓－第二代半导体。砷化镓为第二代半导体材料，其特点是优越的电子迁移率和饱和电子速率。砷化镓相对较窄的带隙限制了其在高功率和高温环境下的性能。窄带隙意味著在极端温度或电压下更容易被击穿，从而降低其在高功率场景中的性能。因此，第二代半导体材料无法同时满足电力革命带来的高频、高压需求。
• 碳化硅－第三代半导体。碳化硅具有耐高压的优点，但不具备高频特性。与第一代和第二代半导体材料相比，碳化硅具有更宽的带隙，适合高压和高温环境。然而，其较低的电子迁移率显示其不适用于高频应用。电子迁移率是高频器件性能的关键因素，因为其支援快速的电子传输和开关速度，对频率特性至关重要。因此，虽然碳化硅在高温和高压应用场合亦具备出色性能，惟在高频应用场合併未被视为上佳选择。
• 氮化镓－第三代半导体。氮化镓在若干方面的性能比硅显著提高。其具有带隙宽、电子迁移率高、开关频率高、导通电阻低、耐高压及耐高温能力更强等综合优势。更宽的带隙使氮化镓能够在更高的电压下运作，而更高的电子迁移率可增强电流驱动能力及反应速度，显著减少了热散失并提高了功率效率。
在下游应用方面，氮化镓具有广阔的发展前景，可以满足消费电子产品、电动汽车、可再生能源和工业应用及数据中心领域对高频及高功率日益增长的需求。氮化镓亦表现出一定的局限性。与硅相比，氮化镓的工艺技术更为複杂，对温度和压力有严格的要求。氮化镓晶圆的良率低于技术成熟的硅晶圆良率。而由于氮化镓功率半导体的应用仍处于早期阶段，其工艺技术需要不断改进，以满足日益多样化的下游需求。
硅是一直沿用的传统技术，所能抵抗的频率和电压都较低。氮化镓在高频应用场景中优势显著，而碳化硅在高压场景中应用较多，但不适用于高频场景。因此，氮化镓和碳化硅是具有不同特性和应用场景的材料，而由于硅的频率瓶颈，氮化镓与硅相比在功率应用技术方面更有可能取得突破。在商业应用层面，计及整体解决方案成本，氮化镓有望在以下电源、数据中心及服务器等方面的理论应用上实现比硅更广泛的渗透率。
氮化镓功率半导体产业价值链及商业模式比较。氮化镓功率半导体行业的主要上游供应商包括原材料（主要提供基板等材料）供应商以及设备供应商。中游的氮化镓功率半导体厂商负责氮化镓功率半导体的设计、制造、封装和测试。在下游，氮化镓功率半导体适用于各种应用场景的功率器件，包括消费电子产品、电动汽车、数据中心、光伏及储能。
氮化镓功率半导体行业的IDM模式具有以下主要优势：
• 设计与制造过程协同。IDM公司深入参与设计和制造过程，既可以根据设计优化生产过程，也可以根据工艺要求及时调整设计。这种协同作用使IDM公司能够同时提高设计和生产过程的效率，并弥补了各自的局限性。对于独立无晶圆厂芯片设计公司和晶圆代工厂模式的参与者而言，芯片设计将受到晶圆代工厂代工能力和工艺可行性所限制，晶圆代工厂将无法提供一如IDM公司的高效定制解决方案。
• 产能及供应稳定性。下游客户越来越重视供应商的产能及供应稳定性，特别是考虑到该行业的週期性特徵。无晶圆厂芯片设计公司面对相对有限的晶圆代工厂选择时，尤其是当市场供不应求或全球地缘政治动盪时，其议价能力及供应会受到限制。晶圆代工厂因缺乏对设计流程的把控，其产能和产量的调整常受到无晶圆厂芯片设计公司设计需求的影响。因此，相较无晶圆厂芯片设计公司和晶圆代工厂，IDM模式业者的垂直整合结构使得氮化镓生产过程更高效、灵活，使其可迅速响应市场需求变化，从而在产能、良率及供应稳定性方面为IDM公司带来显著的竞争优势。
• 工业规模生产的成本优势。由于全球领先的晶圆代工厂主要专注于制造逻辑芯片，与IDM公司相比，用于氮化镓功率半导体的资源分配相对有限。同时，相对于依赖晶圆代工厂进行生产的无晶圆厂芯片设计公司，IDM公司可在工业规模生产中取得成本优势。
• 工艺技术持续升级。IDM公司可通过全面优化内部工艺及技术，取得竞争优势以从无晶圆厂芯片设计公司及晶圆代工厂公司中脱类而出。在设计和工艺团队的支持下，IDM公司能够改进和优化工艺和技术，并迅速回应下游客户的反馈和需求。
氮化镓功率半导体行业晶圆代工厂支持的无晶圆厂芯片设计公司模式具有以下主要优势：
• 较低的资本要求。无晶圆厂芯片设计公司能以较轻盈的资产和较低的初始投资运营，这使他们能够将有限的资源分配到多个设计阶段。因此，与IDM业者相比，无晶圆厂芯片设计公司的资本要求较低。
• 快速适应市场。无晶圆厂芯片设计公司可完全专注于半导体设计，而无需分配资源制造半导体。因此，与IDM业者相比，无晶圆厂芯片设计公司能够更迅速地因应市场需求变化转变设计方向，并瞄准具有更大增长潜力的下游市场。
全球氮化镓功率半导体市场规模
氮化镓功率半导体产品具有高频、低损耗和高性价比等特点，被广泛採用于智能设备快速充电、车规级充电应用和数据中心等多种应用场景。全球氮化镓功率半导体市场规模自2019年的人民币139.4百万元迅速增长至2023年的人民币1,759.5百万元，复合年增长率为88.5%。预计氮化镓功率半导体市场将录得指数级增长，由2024年的人民币3,227.7百万元增长至2028年的人民币50,141.9百万元，複合年增长率为98.5%。在氮化镓功率半导体市场中，消费电子产品及电动汽车预计将成为预测期间内的两大应用场景。
消费电子产品领域的全球氮化镓功率半导体市场规模由2019年的人民币85.0百万元迅速增长至2023年的人民币1,412.0百万元，複合年增长率为101.9%。受益于氮化镓功率半导体在消费电子产品领域的渗透率不断提升，以及各类消费电子器件所用氮化镓功率半导体价值增长，消费电子产品领域的氮化镓功率半导体市场规模在预测期间内具有庞大的增长潜力。用于电子产品的快速充电器及适配器仍将是氮化镓功率半导体的主要增长动力之一。
消费电子产品领域的氮化镓功率半导体市场预期将由2024年的人民币2,466.3百万元增长至2028年的人民币21,133.3百万元，複合年增长率为71.1%。就电动汽车而言，氮化镓功率半导体的市场规模由2019年的人民币0.4百万元增长至2023年的人民币69.4百万元，复合年增长率为266.0%。由于电池容量增加带来更长的汽车续航里程、价格下降、充电基础设施更为成熟便利以及消费者环保意识增强，电动汽车在汽车市场的渗透率预计将继续增长。预计到2028年，全球电动汽车销量将进一步增至50.5百万辆，2023年到2028年间的複合年增长率为29.2%。
电动汽车将成为氮化镓功率半导体的重要应用场景和需求驱动力。受益于氮化镓功率半导体在电动汽车领域的渗透率不断提升，以及各电动汽车所用氮化镓功率半导体的价值增长，预计电动汽车领域的氮化镓功率半导体市场规模将在预测期间内快速增长。其市场规模预计将由2024年的人民币245.9百万元进一步增长至2028年的人民币24,636.5百万元，复合年增长率为216.4%。可再生能源及工业领域的全球氮化镓功率半导体市场规模由2019年的人民币29.6百万元稳步增长至2023年的人民币89.0百万元，複合年增长率为31.6%。
随著全球工业、商业和家庭用户储能的渗透率不断提升，以及5G基站大幅增加，高耗能产业将成为储能电池最重要的应用领域之一。预计到2028年，全球储能电池年装机量将增长至1,302.5吉瓦时，自2023年起的复合年增长率为46.3%。氮化镓能有效满足日益增长的装机容量需求，提升各工业系统的性能。因此，预期可再生能源及工业领域的氮化镓功率半导体市场将由2024年的人民币192.9百万元进一步增长至2028年的人民币1,577.0百万元，複合年增长率为69.1%。
数据中心的全球氮化镓功率半导体市场规模由2019年的人民币8.2百万元快速增长至2023年的人民币70.0百万元，复合年增长率为70.9%。数据中心佔全球电力需求的份额逐年增长。2023年，全球数据中心佔全球电力需求的1.4%，预计到2028年将上升至9.4%。随著对更高效、更紧凑的电源解决方案的需求出现，数据中心领域的氮化镓功率半导体市场将由人民币136.2百万元进一步增长至2028年的人民币1,462.0百万元，复合年增长率为81.0%。
• 消费电子产品。于2023年，全球消费电子产品销量为2,692.0百万件，在预测期间内，消费电子产品行业将把握市场需求复甦的趋势，加上产品库存减少以及AR/VR及无人机等创新产品的推出及蓬勃发展，预期消费电子产品行业将能够保持复甦势头。预计到2028年，全球消费电子产品销量将达到3,887.5百万件，2023年至2028年期间的複合年增长率为7.6%。由于现有的市场规模庞大、应用场景广泛，消费电子产品仍然是氮化镓功率半导体重要且别具前景的应用领域。
• 电动汽车。由于电池容量增加带来更长的汽车续航里程、电动汽车成本和价格不断下降、充电基础设施更为成熟便利、智能座舱体验改善以及消费者环保意识增强，预计电动汽车在汽车总量中的渗透率将持续增长。预计到2028年，电动汽车的全球销量将由2023年的14.0百万辆进一步增加至50.5百万辆，复合年增长率为29.2%。
此外，预计中国电动汽车销量由2023年的9.5百万辆增加至2024年的12.2百万辆，增长率为29.0%，且预计于2028年进一步增加至26.2百万辆，2024年至2028年的复合年增长率为20.9%。再者，在中国电动汽车市场中，预计氮化镓功率半导体佔整体功率半导体的比例由2023年的少于1%增加至2028年约20%。电动汽车将是氮化镓功率半导体的重要应用场景和需求驱动力。
• 数据中心。在人工智能、云计算、加密货币等终端应用的强劲需求推动下，全球算力规模预计将从2023年的1,494.9EFlops增长至2028年的18,282.3EFlops，复合年增长率为65.0%。数据中心消耗大量能源，增长迅速，佔全球电力需求的份额逐年增加。2023年，全球数据中心佔全球电力需求的1.4%，预计到2028年将增至9.4%，而氮化镓功率半导体的应用将成为优化数据中心能源效率的关键技术之一。
• 可再生能源及工业。随著全球工业、商业及家庭用户储能的渗透率不断提高，以及5G基站大幅增加，电力消耗将成为储能电池最重要的部分之一。预计2028年全球储能电池年装机量将继续增加至1,302.5吉瓦时，2023年至2028年的复合年增长率为46.3%，从而推动氮化镓功率半导体市场的增长。
氮化镓功率半导体市场发展趋势
• 下游应用拓展。氮化镓功率器件在消费电子产品的广泛应用中具有巨大潜力，并逐渐渗透到包括电动汽车、数据中心、人工智能、储能及光伏等新兴领域。例如，在电动汽车车载充电应用中，氮化镓功率器件可大幅缩减尺寸，同时以出色的散热结构提高充电效率。在电动汽车变换器中，氮化镓比硅基功率器件具有更高的功率密度，可以节省能源并延长电池寿命。此外，在解决数据中心供电困境（如解决大型专用集成电路芯片供电瓶颈或在实现高功率密度供电时减少系统空间）方面，氮化镓比传统的硅基解决方案更为高效。
• IDM作为主要业务模式。氮化镓市场预期将面临更激烈的市场及技术竞争。为提高竞争力并确保稳定供应，氮化镓功率半导体企业通常结合资源和技术优势，以建立涵盖氮化镓功率半导体设计与生产的完整产业链系统。在供应方面，IDM模式有望成为氮化镓半导体产业的主导商业模式，以设计及流程整合实现协同效应，为客户提供定制解决方案，并确保扩大规模后的产能及供应。故此，近年领先的IDM功率半导体公司多次收购氮化镓功率半导体产业的参与者，以建立本身的地位。因此，IDM模式有望成为未来氮化镓产业的主导商业模式，早期佈局IDM的企业可获得先发优势及长期竞争力。
• 从6英吋过渡至8英吋。氮化镓功率半导体生产可借助硅半导体的设备，目前，8英吋硅的设备及流程较6英吋硅更为成熟及高效。因此，与6英吋氮化镓相比，8英吋氮化镓的生产更具竞争优势，此乃由于其设备兼容性及成熟度更佳，使8英吋成为预测期间氮化镓功率半导体的发展方向。此外，正如硅基半导体的发展历程，从6英吋到8英吋的产业发展趋势有助降低成本，同时提升良率。因此，从6英吋发展至8英吋的技术、工艺和产能转换将为领先的参与者提供重要的先发优势。按收入计，2023年全球氮化镓功率半导体市场中，6英吋及8英吋氮化镓的市佔率分别为66.3%及33.7%。
