GaN基电力电子器件的研发与制造项目可行性研究报告
思瀚产业研究院    2021-12-14

1、项目基本情况

第三代半导体材料主要包括 GaN、SiC 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。宽禁带半导体具有高热导率、高击穿场强、高饱和电子漂移速率、高键合能等优点，具有极强的战略性和前瞻性，是支撑国防军备、5G 移动通信、新能源汽车、云计算等产业发展的关键基础技术，在国防安全、节能减排、智能制造、产业升级等方面具有重大战略意义。

宽禁带功率半导体是功率半导体的重要分支。功率半导体是实现电能转换和控制的核心器件，分为功率器件与功率集成电路两大类。功率器件主要有功率二极管、功率三极管、晶闸管、金属氧化物场效应晶体管（MOSFET）、绝缘栅双极型晶体管（IGBT）、SiC 功率器件、GaN 功率器件等。目前，硅基 MOSFET和 IGBT 是功率器件市场规模最大、增长最快的领域。SiC 由于在功率、热导率、稳定性等方面发展更成熟，是目前应用规模最大的宽禁带功率半导体材料。GaN的物理性质与 SiC 类似，能隙、饱和电子速度、临界击穿电场均高于 SiC，因此被产业和市场广泛关注。虽然全球 GaN 功率器件市场参与者众多，厂商的设计和工艺各有特色，但是仍未形成相对统一的技术标准，不利于大规模商用和产业化。随着智能手机供电系统遇到瓶颈，快速充电器可能成为GaN 率器件的“杀手级”应用，推动移动消费电子终端的充电器的归一化，向汽车电子、数据中心等多个应用领域扩展。

本项目产品为中低压系列硅基增强型 p 型栅 GaN 高电子迁移率晶体管（HEMT），包括 100V、200V、600/650V 三个电压等级的多种型号，主要面向智能手机、汽车电子、数据中心等市场应用，具有高开关频率、高转换效率、高耐压强度的技术特性。本项目通过器件仿真设计、工艺制程开发、测试失效分析，建立 GaN 功率器件设计和工艺 IP 库。项目建成后，将建立 GaN 功率器件从设计开发、外延生长、芯片制造到晶圆测试的完整业务链，将产品开发、制造与市场需求紧密结合，通过更快的产品迭代和稳定的良品率，以具有相当市场竞争力的性价比，快速推进 GaN 功率器件的大规模产业化。

本项目建设期三年，计划总投资额 31,641.58 万元，其中拟投入募投资金30,000.00 万元。本项目预计将帮助公司实现年均利润总额 4,247 万元。

2、项目建设的背景

（1）高效节能是社会可持续发展永恒主题，半导体产业转移带来巨大机遇

高效利用资源是人类社会发展的永恒主题，而节约资源是中国的基本国策。节约与开发并举、把节约放在首位是中国能源的发展战略。虽然当前能源价格低迷、电力与煤炭行业产能过剩，但资源和环境压力仍然是制约中国长期发展的重要瓶颈，而需求侧的节能降耗成为重要的解决之道。电力是中国优化能源结构、转变能源发展方式的中心，能够缓解能源供应和坏境保护压力，对中国可持续发展意义重大。因此，采用高性能新型功率半导体器件，提高电力电子能源转换和传输的效率，既满足了实际应用的需求，又符合经济效益和环境保护的要求，有利于全面降低工业生产活动对电力能源的损耗。

在技术迭代和产业转移的作用下，半导体产业链专业分工日益细化，产业业态发生巨大改变，为半导体企业创造了绝佳的发展机会。一方面，当前，工艺节点和成本效益不再延续摩尔定律发展，而建立在新兴多样化半导体技术基础上的超越摩尔定律，将更高性能、更高集成度、更低成本等优势结合起来，在产业和市场中变得越来越重要。另一方面，全球半导体产业正在经历第三次转移。目前，中国是全球最大的半导体市场。在国家政策、金融资本、市场需求的驱动下，全球半导体行业正在逐渐向中国大陆转移。每次转移都为追赶者创造了切入市场的机会，进而推动整个产业的革新与发展。

（2）跨国企业引领功率器件技术发展，第三代半导体材料潮起

功率半导体是实现电能转换和控制的核心器件，具有变频、变相、变压、逆变、整流、增幅、开关等用途，分为功率器件与功率集成电路两大类。功率器件主要有功率二极管、功率三极管、晶闸管、金属氧化物场效应晶体管（MOSFET）、绝缘栅双极型晶体管（IGBT）、SiC 功率器件、GaN 功率器件等。

从全球范围来看，美国、欧洲和日本功率器件处于世界领先地位，拥有一批具有全球影响力的厂商，如 TI、Linear、Infineon、ST、Toshiba、Renesas 等。中国台湾发展迅速后来居上，与欧美厂商的差距进一步缩小。中国功率器件的产品结构、技术水平和创新能力与国外存在较大的差距，部分高端技术产品仍大量依赖进口。

目前，MOSFET 和 IGBT 是硅功率器件市场中增长最快产品。由于真空管等传统硅功率器件无法满足电源系统对阻断电压、开关频率等技术要求，MOSFET和 IGBT 逐步取代了传统硅功率器件，并在硅物理特性的基础上进一步提升电气性能。MOSFET 和 IGBT 都是电压控制型器件。MOSFET 开关速度快、损耗小，不易受“热失控”的影响，但不能做大功率应用。IGBT 在高压大功率应用领域优势明显，但在 600V 以下与 MOSFET 相比在性能和成本上都不具备竞争力。

电子设备需要更加强大灵活的算力和多元弹性的功能，在越来越多的高速、低延时、高能量的应用中，硅正在达到材料本身的物理极限。自硅工艺问世以来，硅晶体管尺寸不断缩小，硅器件的性能和集成度遵循着摩尔定律向前发展。随着MOS 源和栅极沟道的缩短，量子隧穿效应不能再被忽略，导致硅平面工艺甚至硅器件到达物理极限。尽管超结型 MOSFET 通过改进掺杂工艺，进一步提高了MOSFET 的性能，但提升非常有限。

在现有器件结构、晶圆材料和工艺制程的限制下，半导体技术遇到瓶颈时，工业界通常会引入新材料来突破局限。第三代半导体材料（宽禁带半导体材料）主要包括 GaN、SiC、金刚石等，具有高热导率、高击穿场强、高饱和电子漂移速率、高键合能等优点，可用于高电压、大功率、高转换效率等场景，满足电力系统对电力电子器件耐高压、低功耗的需求，是电力电子领域突破硅物理极限的希望。作为硅器件的替代品，SiC、GaN 器件的市场化受到硅器件成本的挑战。在衬底、外延快速发展的情况下，SiC、GaN 的性能指标远超硅器件，从而在一些重要的能源领域逐步取代硅器件，展现出巨大的市场潜力。

（3）快速充电器可能成为 GaN 器件“杀手级”应用

GaN 在未来几年将在许多应用中取代硅，其中，快充是第一个可以大规模生产的应用。在 600 伏特左右的电压下，GaN 在芯片面积、电路效率和开关频率方面的表现明显好于硅，因此在壁式充电器中可以用 GaN 来替代硅。5G 智能手机的屏幕越来越大，与之对应的是手机续航的需求越来越高，这意味着电池容量的增加。GaN 快充技术可以很好地解决大电池带来的充电时长问题。

2019 年 GaN 功率器件开始进入主流消费电子市场。在 GaN 功率器件用于独立出售的充电器配件之后，2019 年 11 月 OPPO 宣布 Reno 65W 快速充电器采用GaN HEMT 器件，这是 GaN 功率器件首次进入智能手机原厂的物料单。2020 年2 月，小米发布采用 Navitas GaN 功率器件的 65W 充电器。2020 年 CES 参展的GaN 充电器已经多达 66 款，涵盖了 18W、30W、65W 和 100W 等多个功率。GaN 功率器件不仅可以通过提高开关频率缩小充电器电路体积，由于良好的温度特性，能够进一步减少甚至省略散热片，从而让大功率快速充电器的体积得到显著降低。Oppo、小米之后，未来几年内，会有更多手机品牌将 GaN 功率器件用于快速充电器，特别是在 100W 以上。

3、项目建设的必要性

（1）国家政策鼓励发展宽禁带半导体产业

国家高度重视宽禁带半导体的研究与开发，很早对 SiC、GaN 等宽禁带半导体领域的研究进行部署，启动了一系列重大研究项目和产业政策的支持。在国家已经出台的《产业关键共性技术发展指南（2017 年）》《“十三五”先进制造技术领域科技创新专项规划》《汽车产业中长期发展规划》《战略性新兴产业重点产品和服务指导目录》《“十三五”节能环保产业发展规划》《“十三五”国家信息化规划》《信息通信行业发展规划（2016-2020 年）》《“十三五”国家战略性新兴产业发展规划》《产业技术创新能力发展规划（2016-2020 年）》《中国制造 2025》《国家集成电路产业发展推进纲要》中，以 GaN 等为代表的宽禁带半导体的材料、研发、制造、设备、应用均被列入发展重点，得到国家产业政策的大力扶持。

2014 年 6 月，国务院发布《国家集成电路产业发展推进纲要》，提出大力发展模拟及数模混合电路、高压电路、射频电路等特色专用工艺生产线，以工艺能力提升带动设计水平提升，以生产线建设带动关键装备和材料配套发展。2015年 5 月，国务院发布《中国制造 2025》，提出突破大功率电力电子器件等关键元器件和材料的制造及应用技术，形成产业化能力。2016 年 11 月，国务院发布《“十三五”国家战略性新兴产业发展规划》，提升核心基础硬件攻击能力，加紧布局后摩尔定律时代芯片相关领域，推动电力电子等领域关键技术的研发和产业化。2016 年 12 月，国务院发布《“十三五”节能环保产业发展规划》，提出加强绝缘栅极型功率管等核心元器件的研发，加快特大功率高压变频、无功补偿控制系统等核心技术的应用。2017 年 4 月，科技部发布《“十三五”先进制造技术领域科技创新专项规划》，提出针对碳化硅（SiC）、氮化镓（GaN）等为代表的宽禁带半导体技术的需求，开展大尺寸宽禁带半导体材料制备、器件制造、性能检测等关键装备与工艺研究。

（2）全球功率半导体市场稳步增长，GaN 功率器件市场空间广阔

① 全球功率半导体市场稳步增长，中国是全球最大功率半导体市场

近年来，功率半导体的应用领域已从工业控制和消费电子拓展至新能源、轨道交通、智能电网、变频家电等诸多市场，全球市场规模呈现稳健增长态势。根据 IHS 数据，2018 年全球功率半导体市场规模为 391 亿美元，预计到 2021 年市场规模将增长至 441 亿美元，年化增速为 4.1%。中国是全球最大的功率半导体消费市场。根据 IHS 数据，2018 年中国功率半导体市场规模达到 138 亿美元，增速为 9.5%，占全球市场比例高达 35%。根据 IHS 预测，到 2021 年中国功率半导体市场规模将达到 159 亿美元，年复合增长率为 4.8%。中国高端、大功率功率器件长期依赖进口，现在国内已经有了很大的突破，有很多正在半导体功率器件上深耕的国产厂商，如比亚迪、士兰微、吉林华微、华润微、中环股份等。

② 产品材料以硅基为主，SiC 为辅，GaN 方兴未艾

全球半导体电力电子市场在经历了几年的平稳增长后，开始连续高速增长。硅基 IGBT 和 MOSFET 市场将继续增长，但部分市场将转向 SiC 器件，特别是电动汽车 EV/HEV 模块。由于硅材料具有天然的成本优势，SiC 材料到 2024 年仍将仅占不到 10%的市场份额。另外，相比较于分立器件，未来几年，功率模块的市场份额有望增加。

SiC 是对传统硅器件的突破。自 SiC 功率器件首次商业化以来，汽车电源应用一直推动着功率 SiC 器件市场的发展。SiC 自 2018 年特斯拉在其主逆变器中采用 SiC 功率器件开始而引人注目。随后，采埃孚、博世和雷诺等都宣布在其部分产品中采用碳化硅技术。SiC 更适用于 50 千瓦以上更大功率的应用场景，如汽车、轨道交通等，对于成本并不敏感。从 20 千瓦到 50 千瓦之间，SiC 和 GaN都可以扮演重要角色，而 20 千瓦以下则主要是 GaN 的市场。根据 Yole 预测，到 2024 年，全球 SiC 功率器件市场规模将超过 20 亿美元，汽车应用领域将占据市场份额的 50%以上。

③ GaN 快充应用取得实质性进展，GaN 功率器件市场高速拓展

GaN 功率器件市场在 2019 年取得了一系列突破性进展，标志着 GaN 功率器件在智能手机中的应用开始进入实质性量产阶段。由于 GaN 充电器具有体积小、发热低、功率高、支持 PD 协议的特点，GaN 充电器有望在未来统一笔记本电脑和手机的充电器市场。根据 Yole 数据，2018 年全球 GaN 功率器件市场规模为0.19 亿美元，尚处于应用产品发展初期，但未来市场空间有望持续拓展，根据Yole 预测，2019 年全球 GaN 功率器件市场增长率为 134%，预计 2024 年市场价值将超过 3.5 亿美元，2018-2024 年的年复合增长率将达到 85%。

随着消费电子的充电器向智能手机归一化，GaN 功率器件逐步从消费电子向汽车电子、数据中心等各个应用领域扩展。2020 年 2 月，华为发布新一代MatePad Pro 平板电脑，搭载麒麟 990 5G 芯片，支持 5G 网络。此外，平板电脑支持 40W 有线快充和 27W 无线快充，是全球首款双向无线充电平板。无线充电从手机逐步向平板电脑渗透，产品应用日趋多样化。在智能手机应用的带动下，GaN 功率器件产业将得到加快发展，边际效益的递增显著优化器件成本和可靠性，便于向汽车电子、数据中心等各个应用领域的扩展，从而替代硅基 MOSFET的部分中高端应用。

图 全球 GaN 功率器件市场规模  百万美元

4、项目建设的可行性

（1）GaN 功率器件的投资布局符合公司专注于化合物半导体领域的长期发展战略

公司是全球领先的 LED 芯片制造商，在Ⅲ-Ⅴ族化合物半导体材料生长和光电子芯片制备方面，积累了丰富的技术开发、产业化和市场经验，是国内 LED最大的供应商之一。公司拥有全新反应腔设计的 MOCVD 设备，以及步进式曝光机、PECVD、快速退火炉、金属蒸镀机、离子刻蚀机等 GaN 核心工艺设备。公司拥有众多科学家和资深工程师，在 GaN 外延生长和芯片工艺上具有丰富理论基础和实践经验，为本项目的实施提供了人才保障。

本项目的建设能进一步完善公司化合物半导体战略布局，符合公司专注于高端半导体器件、做大做强产业链的长期战略布局。

（2）公司拥有坚实的技术基础，保障募投项目的顺利实施

公司依据多年丰富的 GaN 基 LED 外延芯片研发、生产经验，积极展开了在大尺寸硅衬底上的 GaN 材料的生长研究，在 Si 衬底预处理、高铝组分 AlGaN缓冲层设计和生长以及 GaN 厚膜生长方面取得了较好的结果，并在 GaN 器件所需的高二维电子气浓度的 AlGaN/GaN 异质结外延方面积累了丰富的经验，同时公司在 AlGaN/GaN HEMT 器件的设计，以及在刻蚀、电极蒸镀等单项工艺上等方面形成了良好的工艺基础。对所取得的成果积极进行申请专利，对技术创新进行保护。

公司立足现有 GaN 研发和制造基础和客户基础，聚焦智能手机、汽车、L数据中心等领域对 GaN 功率器件的市场需求，为客户提供高性价比的 GaN 功率器件产品及应用支持，向化合物半导体的多元化产品领域拓展。公司积极与北京大学、华南理工大学、中科院微电子所、中科院半导体所等国知名高校及科研院所，就 GaN 功率器件技术和应用开展合作，迅速提升 GaN 功率器件制造技术能力。目前，公司计划与 IMEC、SHARP、Fuji Electric 等掌握核心专利但在 GaN领域不是很活跃的厂商合作，获取 GaN 功率器件的核心设计和工艺专利授权。公司积极推行业务国际化策略，与日本、台湾地区等化合物设计厂商建立互利互惠的合作关系，逐步向中国终端厂商和海外市场渗透。

综上所述，公司具备实施本项目的坚实技术基础，保障本项目的顺利实施。

5、项目建设内容、主要产品

（1）项目建设内容

本项目建设内容为中低压 GaN 功率器件的开发和量产。本项目主要采用自主建设的方式，建设期为三年，计划分三年进行投入。

（2）项目主要产品

本项目将实现中低压 GaN 功率器件产品化和产业化，建立 GaN 功率器件从设计开发、外延生长、芯片制造到晶圆测试的完整业务链。本项目开发按照从低压到高压、从低能量密度到高能量密度的次序分阶段有计划进行，开发的 GaN功率器件包括 100V、200V、600/650V 三个电压等级。本项目量产按照调试贯通、风险试产、规模量产的次序分阶段有计划进行。量产以 Si 晶圆为衬底材料，采用 0.25um 工艺制程，制造中低压 GaN 功率器件，主要有 WLCSP 和 QFN 两种封装形式。项目建成后，实现年产 1.33 万片 6 英寸晶圆（折合 4 英寸 3 万片）的生产规模。

6、项目投资计划

本项目计划总投资 31,641.58 万元。工程费用为 25,141.58 万元，占总投资的79.46%，其中场地装修 1,000.00 万元，生产设备购置及安装 21,861.36 万元，公共工程 2,280.22 万元；工程化试制费用 2,000.00 万元，占总投资的 6.32%；IP 知识产权费 2,000.00 万元，占总投资的 6.32%；基本预备费 500.00 万元，铺底流动资金为 2,000 万元，共占总投资的 7.90%。

7、项目备案事项

截至本预案出具日，本项目的可行性研究报告已编制完毕，相关立项备案已经完成。

8、项目效益评价

本项目预计年均利润总额 4,247 万元，内部收益率（税后）等主要指标如下：

由此可见，本项目经济效益良好且具有一定的抗风险能力，因此，该项目具有经济可行性。此报告为正式可研报告摘取部分，个性化定制请咨询思瀚产业研究院。