氮化镓（GaN）简介

氮化镓材料定义：氮化镓主要是由人工合成的一种半导体材料，禁带宽度大于2.3eV，也称为宽禁带半导体材料。

氮化镓材料为第三代半导体材料的典型代表，是研制微电子器件、光电子器件的新型材料：

• 第一代半导体硅（Si）锗（Ge）：产业链成熟、成本低，适用于低压、低频、中功率场合，是目前半导体器件和集成电路主要制造材料；

  
  

• 第二代半导体砷化镓（GaAs）磷化铟（InP）：高频性能较好，广泛应用于卫星通信、移动通信和GPS导航等领域。但资源稀缺，有毒性，对环境危害较大；

  
  

• 第三代半导体氮化镓（GaN）碳化硅（SiC）：宽禁带、高击穿电场强度和高热导率，具有可见光至紫外光的发光特性。适用于半导体照明、高压、高频、大功率领域。

氮化镓技术及产业链已初步形成，

相关器件快速发展

技术发展：

萌芽阶段1969年：日本科学家Maruska等人采用氢化物气相沉积技术在蓝宝石衬底表面沉积出了氮化镓薄膜，但质量较差。

初始阶段1986年-1994年：

• 1986年，赤崎勇和天野浩采用MOCVD法获得了高质量GaN薄膜，并于1989年在全球首次研制出了PN结蓝光LED；

  
  

• 1992年，中村修二以双异质结构代替PN结，研制出高效率GaN蓝光LED。

飞速发展阶段1998年-2007年：

• 1998年，美国Cree公司开发首个碳化硅基GaN高电子迁移率晶体管(HEMT)US6486502B1；

  
  

• LED照明商业化：LED大规模商用化、功率/射频器件快速发展。

2008年-至今：

• 2008年，美国Cree公司推出首个氮化镓射频器件；

  
  

• 2009年，EPC公司推出第一款商用增强型氮化镓（eGaN）晶体管；

  
  

• 2010年，IR公司推出商用GaN集成功率器件；

  
  

• 2014年，英飞凌收购IR公司；

  
  

• 2019年，美国Cree公司陆续出售LED相关业务，聚焦GaN射频器件和SiC电力电子器件。

氮化镓应用范围广——在功率器件、射频器件、显示领域应用广泛，支撑新基建快速发展：

• 支撑“新基建”建设的关键核心器件：氮化镓是目前能同时实现高频、高效、大功率代表性材料，下游应用切中“新基建”中5G基站、特高压、新能源充电桩、城际高铁等主要领域；

  
  

• 高效电能转换，助力“碳达峰，碳中和”目标实现：第三代半导体可助力实现光伏、风电（电能生产），直流特高压输电（电能传输），新能源汽车、工业电源、机车牵引、消费电源（电能使用）等领域的电能高效转换，推动能源绿色低碳发展。

全球氮化镓产业规模呈爆发式增长——功率器件

和射频器件将形成百亿级产业规模

2020-2026氮化镓功率器件市场规模及预测：

• 2020年GaN功率器件整体规模为0.46亿美元；

  
  

• 受消费类电子、电信及数据通信、电动汽车应用的驱动，预计到2026年增长至11亿美元；

  
  

• 复合年均增长率（CAGR）为70%。

2020-2026氮化镓射频器件市场规模及预测：

• 2020年GaN射频器件整体规模为8.91亿美元；

  
  

• 预计到2026年增长至24亿美元；

  
  

• 复合年均增长率（CAGR）为18%。

氮化镓产业政策环境——各国出台专项扶持

政策，国内政策支持持续利好

中国：

• 2004年：开始对第三代半导体材料领域的研究进行部署；

  
  

• 2013年：科技部863计划，将第三代半导体产业列为战略发展产业；

  
  

• 2016年：“十三五”计划将第三代半导体产业列为重点发展方向；启动“战略性先进电子材料”国家重点研发计划，研究方向包括第三代半导体材料与半导体照明、大功率激光材料与器件；

  
  

• 2019年：国家级战略《长江三角洲区域一体化发展规划纲要》明确要求长三角区域加快培育布局第三代半导体产业；

  
  

• 2021年：“十四五”计划明确提出发展碳化硅、氮化镓等宽禁带半导体材料。

美国：

• 2000年：制定有关GaN和SiC的开发项目；

  
  

• 2002年：启动宽禁带半导体技术计划：①实现GaN基微波器件生产；②研制GaN基单片微波集成电路；

  
  

• 2011年：美国国防高级研究计划局启动“氮化物电子下一代技术计划”，推动GaN在高频领域的应用；

  
  

• 2014年：奥巴马宣布成立“下一代电力电子技术国家制造业创新中心”，发展宽禁带半导体电力电子技术，提供7000万美元财政支持；

  
  

• 2017年：①启动电子复兴计划，投入20亿美元重点开发微系统材料、电子器件集成架构等；②启动CIRCUITS计划，投资3000万美元资助21个项目，利用宽禁带半导体实现高效、可靠的功率转换器，使用碳化硅或氮化镓来代替现有的硅材料。

欧盟：

• 2000年：实施“彩虹计划”发展GaN基设备，推动户外照明和高密度存储技术发展；

  
  

• 2005年：GaN集成电路研发计划，经费4000万欧元，创建独立的GaN-HEMT供应链，提供最先进可靠的GaN晶圆制备；

  
  

• 2008年：启动GaN可靠性增长和技术转移项目，第一阶段总经为860万欧元，组织完整的GaN微波产品产业链；

  
  

• 2010年：意法半导体启动“LASTPOWER”项目，与意大利、德国等六个欧洲国家的企业、大学联合攻关SiC和GaN的关键技术；

  
  

• 2014年：启动面向电力电子应用的大尺寸SiC衬底及异质外延GaN材料项目；

  
  

• 2019年：欧盟委员会批准投资化合物半导体（主要是氮化镓、碳化硅等第三代半导体）计划，提供17.5亿欧元资金，开发用于包括5G通信，无人驾驶汽车内的应用创新组件和技术。

日本：

• 1998年：开展GaN半导体发光机理的基础研究、用于同质外延生长的大面积衬底等；

  
  

• 2002年：实施GaN半导体低功耗高频器件开发计划；

  
  

• 2008年：提出新一代节能器件技术战略与发展规划，将采用SiC、GaN等宽禁带半导体器件进一步降低功耗；

  
  

• 2013年：设立第三代功率半导体封装技术开发联盟，由大阪大学协同罗姆、三菱、松下等18家知名企业、大学；

  
  

• 2014年：在国家硬电子计划中将SiC衬底的制备与外延作为重点研究课题，投以巨资支持；

  
  

• 2016年：启动“有助于实现节能社会的新一代半导体研究开发”的GaN功率器件开发项目，为期5年，第一年的预算为10亿日元。

全球氮化镓产业图谱——国内产业链基本

形成，产业结构相对聚焦中游

中国氮化镓企业及

代表性业务

氮化镓技术创新概况——技术储备丰富，

总体趋于稳步发展态势

全球在GaN产业已申请16万多件专利，有效专利6万多件：

• 20世纪70年代初出现GaN相关专利申请；

  
  

• 1994年之前尚处于探索阶段，参与企业较少；

  
  

• 1994—2005年进入快速发展期；

  
  

• 2010年进一步短暂增长（日本住友、日立等对GaN衬底大尺寸的突破和进一步产品化）；

  
  

• 从2014年开始专利申请量总体趋于稳步发展态势（可见光LED热度减退，GaN基FET器件、功率/射频器件、MicroLED等器件热度上升）。

氮化镓技术

创新概况

中美日为氮化镓技术热点布局市场，美日起步早，中国后起发力强劲：

• 热门市场为中国、美国、日本；

  
  

• 技术主要来源于日本；

  
  

• 日本、美国起步于20世纪70年代初，中国起步晚近20年；

  
  

• 2010年之前日本处于明显领先地位，中国后起发力强劲，近几年保持持续高涨趋势。

全球氮化镓主要

创新主体

创新龙头主要集中日本，中国企业与海外龙头技术储备量差距大：

典型企业：

日本住友

氮化镓技术储备上占绝对优势，专利布局支撑商业成功：

• 1970年开始制造化合物半导体，2003年在全球率先量产氮化镓衬底；

  
  

• 2006年，在全球率先实现高性能GaNHEMT的量产；

  
  

• 全球GaN射频器件主要供应商，也是华为GaN射频器件主要供应商之一。

专利布局：

• 70年代开始申请GaN相关专利，90年代随着GaN单晶生长、蓝光LED技术的突破，专利量快速增长；

  
  

• 失效专利占比高，有效专利1600多件；

  
  

• 本土专利布局数量最多，海外市场侧重美国、中国、欧洲、韩国。

住友聚焦衬底和器件方面研究，器件方面

近几年侧重氮化镓FET器件

GaN领域技术分布：可见光LED、GaN基FET器件、激光二极管、GaN单晶生长技术专利布局较多。

技术发展趋势：

• 快速发展阶段，热点研究衬底技术、可见光LED、激光二极管技术，但近10年热度骤减；

  
  

• 近5年较关注GaN基FET器件。

住友氮化镓衬底单晶生长技术——侧重HVPE法，

重点解决衬底缺陷、尺寸等难题

布局热点：

• HVPE法和掩膜法（经典A-Deep技术）；

  
  

• 抑制衬底缺陷（位错密度缺陷、区间密度缺陷、晶体缺陷、晶体硬度等缺陷）；

  
  

• 抑制表面应力问题（衬底裂纹、偏离角不均匀、衬底翘曲）、解决掺杂问题、提高衬底尺寸。

布局空白点：

• 提拉法、氨热法；

  
  

• 生长速度均匀化、提高生长速率等。

住友氮化镓FET器件：侧重外延工艺和芯片工艺突破。

• 探索的技术较多，FET器件多样化发展；

  
  

• 布局热点：外延工艺、芯片工艺、改善击穿电压、减小漏电流、抑制电流崩塌、改善2DEG结构；

  
  

• 布局空白点问题：改善结构缺陷、改善导通特性等。

典型企业美国Cree：技术储备支撑

氮化镓功率器件市场化

• 1991年，发布第一批商用SiC晶圆，2019年完成首批8英寸SiC晶圆样品的制备；

  
  

• 1998年，首个SiC基GaN高电子迁移率晶体管；

  
  

• 2019年，逐步剥离LED业务，专注于碳化硅电力电子器件和用于GaN射频器件；

  
  

• 2021年，正式更名为Wolfspeed。

专利布局：

• 聚焦GaN-on-SiC技术路线，从1991年开始申请GaN-LED相关专利；

  
  

• 1998年开发首个SiC基GaN-HEMT器件，专利申请迎来第一次快速增长；

  
  

• 2008年推出首个GaN射频器件，专利申请迎来第二次快速增长；

  
  

• 有效专利占比接近52%，海外市场侧重日本、欧洲、中国、韩国。

Cree可见光LED：曾是其研发热点，

但近年来热度明显衰退

GaN领域技术分布：

• 集中产业链中游-器件模组的研究；

  
  

• 发光二极管专利布局最多，其次是GaN基FET。

技术发展趋势：

• 发光二极管LED曾是其研发热点，但近年来热度明显衰退；

  
  

• 激光二极管、肖特基二极管、生长设备近几年布局为空白状态。

Cree氮化镓基FET器件：探索技术难题

较多，注重器件多性能发展

GaN基FET器件-专利概况：

• GaN基FET专利总量近700件，有效专利占比近62%；

  
  

• 专利保护类型均为发明专利。

GaN基FET器件-技术分布：

• 布局热点为减小漏电流、增大击穿电压等；

  
  

• 布局空白点为提高增益、延长使用寿命等。

典型企业英飞凌：持续深耕功率器件

市场，重点关注美国市场

• 1999年在德国慕尼黑正式成立；

  
  

• 前身是西门子集团的半导体部门，主要生产IGBT、功率MOSFET、HEMT、DC-DC转换器、栅极驱动IC、AC-DC电源转换器等功率半导体器件，曾连续10年居全球功率半导体市场之首。

专利布局：

• 1997年左右开始申请GaN激光二极管、GaN层生长技术相关专利；

  
  

• 2014年收购IR公司，取得其Si基板GaN功率半导体制造技术，专利量快速增长，且授权率较高；

  
  

• 有效专利占比高达61.5%，技术创新度高；

  
  

• 重点关注美国市场，其次关注欧洲、中国布局。

英飞凌氮化镓功率模块和FET

器件技术储备最多

GaN领域技术分布于发展趋势：

• 集中产业链中游-器件模组的研究；

  
  

• 持续关注GaN基FET、IGBT等功率元器件，以及由多个功率元器件集成的功率模块研发；

  
  

• 在功率模块、GaN基FET器件上布局的专利最多。

功率模块-技术分布：

• 布局热点：改善散热、降低功率损耗、提高工作电压；

  
  

• 布局空白点：短路保护、过压保护、静电保护等。

典型企业三安光电：国内LED龙头，

在氮化镓领域有一定技术储备

三安光电股份有限公司：

• 2000年成立，总部在中国厦门，国内规模最大的LED外延片、芯片企业；

  
  

• 2014年，投资建设GaN高功率半导体项目；

  
  

• 2018年，在福建泉州斥资333亿元投资Ⅲ-Ⅴ族化合物半导体材料、LED外延、芯片、微波集成电路、光通讯、射频滤波器等产业。

子公司：三安集成营收。

• 三安集成主要提供射频、光通讯、电力电子化合物半导体研发生产制造；

  
  

• 2021上半年营收同比增长170%。

专利布局：

• 专利量1200+，以国内布局为主，逐步拓展海外市场，最重视美国布局；

  
  

• 2001年开始申请GaN-LED相关专利，在此前的专利来自索尼、夏普等转让；

  
  

• 2004-2010年的专利增长，主要来自2013年全资收购的Luminus Inc；

  
  

• 2012年后专利申请量进一步快速增长，主要受第三代半导体功率器件的推动。

三安光电主要储备LED技术，近5年

热度稍向FET器件偏移

GaN领域技术分布与发展趋势：

• 集中产业链中游-器件模组的研究；

  
  

• 布局的器件类型主要包括可见光LED、紫外LED、Micro/Mini LED和GaN基FET；

  
  

• 2016年后，对可见光LED的专利申请量逐渐下降，并开始增加对Micro/Mini LED、GaN基FET的专利申请。

GaN衬底技术

器件降本突破口，正从小批量规模向产业商业化方向发展：

• GaN单晶衬底以2-3英寸为主，4英寸已经实现商用，6英寸样本开发；

  
  

• GaN异质外延衬底已经实现6英寸产业化，8英寸正在进行产品研发。

• 衬底选择对器件类型和性能起关键作用；

  
  

• 衬底占据器件大部分成本，衬底为降本主要突破口；

  
  

• 衬底成本未来下跌走势可观，推进三代半产业市场化。

晶体管选择不同衬底影响器件和性能：

氮化镓外延用不同衬底性能对比：

氮化镓衬底技术：技术储备丰富，

日本市场最热，住友一支独秀

GaN衬底技术全球专利概况：

• 全球GaN衬底技术共13000多件专利，其中有效专利量4800多件，占比为35.2%；

  
  

• 审中专利占比较少，未来有效专利增长空间较小；

  
  

• 日本和美国专利分布较多，两国市场较热；

  
  

• 全球衬底技术排名靠前以日本企业居多，技术实力较强；

  
  

• 日本住友在衬底领域技术储备占绝对优势。

GaN衬底技术全球专利申请趋势：

GaN衬底技术全球主要申请人排名：

氮化镓衬底技术：HVPE法是目前

较成熟的单晶生长技术

• GaN单晶生长技术研究较多，热门的生长技术为HVPE法，也是较成熟的单晶生长技术；

  
  

• 助溶剂法和氨热法研究晚于HVPE法，近10年也在持续关注。

氮化镓衬底技术：逐渐向大尺寸和

高晶体质量方向发展

异质衬底上形成GaN单晶=>多种单晶生长技术探索=>大尺寸和晶体质量提升：

• 1980年之前：JP1984048793B2（松下电器）晶体生长之前在Ga卤化物原子层中热处理衬底，获得高质量均匀GaN晶体；

  
  

• 1990年：JP2000040842A（丰田株式会社）在基板上设置多晶缓冲层，提高缓冲层上方结晶度；JP1988103894A（日本电气）MOCVD法中使用N2H4，减少低V\\'/III族形成；

  
  

• 1995年：JP2859478B2（日亚化学）研磨蓝宝石衬底提高GaN化合物切割质量；JP1996222533A（松下电器）在不施加应变的情况下形成光学上平滑的表面，将氮化镓类化合物半导体；

  
  

• 2000年：JP2001274519A（富士胶片）在6H-SiC衬底形成AlN缓冲层后形成GaN层；JP3567826B2（日亚化学）异质衬底上设有掩膜区域和非掩膜区域，从非掩模区域选择性地生长氮化镓基化合物半导体；JP3650531B2（三菱）基础衬底表面形成掩模区域和非掩模区，生长第一层GaN覆盖掩膜层，非掩膜区域为晶体生长的起始点，形成第二层GaN以形成GaN晶体；

  
  

• 2005年：US7063741B2（通用电气）反应容器加热到预定温度并向容器施加预定压力，压力以抑制该温度下III族金属氮化物的分解；US7303630B2（住友）在基板上规则布置籽晶，通过刻面法生长GaN晶体；JP2002293696A（科学技术振兴事业集团）将镓原料混合在钠或钾原料中，在氮气加压的气氛中反应形成GaN晶体；

  
  

• 2010年：US20100003492A1（SORAA）使用组合生长法形成大面积非极性和半极性GaN衬底；加利福利亚大学使用横向外延技术在完全透明的镜面m面生长GaN薄膜，该薄膜无偏振装置生长的基板；JP2008266064A（日亚化学）通过MOCVD法在蓝宝石衬底上形成GaN缓冲层以形成半导体期间衬底；

  
  

• 2015年：US20120000415A1（SORAA）在基础衬底上防止至少两个低位错密度GaN晶体，并使该晶体生长成聚结以形成大面积GaN衬底；CN103014846A（中镓半导体）制造用于气相外延生长的同心圆环状头在大面积沉积区域提供前驱物混合气体的均匀流场；JP2013197357A（日立）在GaN衬底中加入受主型杂质提高晶体质量和电阻性；

  
  

• 2020年：CN106398544A（清华大学）使用抛光组合物抛光GaN材料，该组合物包含纯化硅溶胶抛光磨粒、腐蚀剂、氧化剂、促进剂和水，抛光磨粒为纯化硅溶胶；WO2016125890A1（三菱化学）GaN单晶具有一个主表面的镓极性平面和作为相对主表面的氮极性平面，在镓极性平面中发现至少一个方形区域；CN107687022A（苏州纳米仿真所/苏州纳维科技）用助溶剂法促进籽晶液相外延，在生长过程中添加碳添加剂，有效降低氮化镓籽晶生长前期的籽晶回溶。

氮化镓基FET器件：车规级氮化镓功率

器件市场规模进入新纪元

车规级功率器件市场占比：

• 车规级GaN功率器件市场规模不断升高；

  
  

• 在电动汽车领域，EPC和Transphorm已经通过了车规认证；

  
  

• BMW i Ventures投资GaN Systems公司，表明汽车行业越来越认可和重视GaN功率器件解决方案应用于电动汽车及混合动力汽车。

氮化镓基FET器件：蓬勃发展，技术

储备丰富，美日技术实力较强

GaN基FET器件全球专利概况：

• 美国、日本和中国为GaN基FET器件热点布局区域，其中重点为美国市场；

  
  

• 从2000年之后开始快速发展，2010年之后高速发展；

  
  

• 主要龙头仍是日本企业较多，美国CREE、英特尔也占一定优势；

  
  

• 国内台积电和西安电子科技大学有一定的技术储备。

GaN基FET器件全球专利主要申请人排名：

氮化镓基FET器件：向

多单元模块化发展

GaN材料在FET器件上的探索=>衬底的选择和2DEG结构的改进=>垂直型、异质结鳍片结构多种新型器件结构=>多单元器件组合形成多单元模块：

• 1951年：DE970420C（西门子）设想将化合物GaN应用在整流器、晶体管、光电电池器件中；

  
  

• 1980年：US4065781A（西屋电气）在晶体管的源极和漏极之间形成晶体管沟道的半导体层接触层，该基础层材料为GaN材料，以降低漏电流；

  
  

• 1990年：JP1985092663A（松下电器）；在由氮化铝或铝和镓的合金的氮化物制成的绝缘层，在该绝缘层上形成源电极、栅电极和漏电极；JP1987061363A（日立）提出可以使用GaN层用作栅电极；

  
  

• 1995年：US5192987A（国际整流器公司）将GaN/AlxGa1-xN异质结中的2DEG结构,通过低压金属有机化学气相沉积将这些结构沉积在基底蓝宝石上，形成高电子迁移率晶体管；US5915164A（飞利浦）衬底上形成P型GaN并使用氮化铝（AlN）作为栅极电介质的半绝缘材料，从而在晶体管结构中实现更大的源极和漏极电压值；三族氮化物的电子特征应用于高功率微波的射频器件HEMT结构，在SiC基板上设置氮化；

  
  

• 2000年：US6316793B1（CREE公司）三族氮化物的电子特征应用于高功率微波的射频器件HEMT结构，在SiC基板上设置氮化铝缓冲层；US6447604B1（CREE公司）提出III-V族氮化物用于HEMT晶体管的同质外延生长外延层；JP1998335637A（索尼公司）在蓝宝石衬底上外延GaN层，用于制造形成AlGaN/GaNHEMT；

  
  

• 2005年：US20020167023A1（CREE公司）HEMT器件中，在GaN相对层的AlxGa1-xN之间设置一层AlyGa1-yN层，来形成2DEG结构；JP2002359256A（富士通柱式会社）在HEMT器件中在载流子供应层（AlxGa1-xN）上设置GaN保护层，提高器件的击穿电压；东芝GaN异质结构场效应晶体管HFET，电子流入漏电极从源电极通过在AlGaN/GaN异质结构界面中形成2DEG通道；

  
  

• 2021年：US20090104738A1（CREE）提出一种SiC衬底的具有通孔的HEMT器件该通孔与外延层的最上表面上的器件金属接触；US7915643B2；HFET器件中，GaN的缓冲层上设置栅电极，形成镓面和氮化物面器件都形成为增强模式器件；US20090085065A1（加利福尼亚大学董事会）使用Ga面生长技术制造新颖的E型N面结构，在N面上制造HEMT器件；

  
  

• 2013年：US20120305987A1（英飞凌）在常规的HEMT的主体中形成一个沟槽，源极区和漏极区被布置在沟槽中，该沟道具有沿着沟槽的侧壁的横向电流流动方向，来改善硅衬底不利影响；US20130277680A1（恩智浦）在HEMT器件的钝化层中形成T型栅电极，提高在射频器件中的击穿电压；JP2014022701A（住友电气）提出垂直型二维电子气的高迁移率功率器件，电流在半导体层的厚度方向上流动的沟道层；US20120086049A1（SAMSUNG）在形成2DEG的通道层上的阻挡层与栅电极之间再设置两个阻挡层的E模式HEMT器件，可以提高耐压；

  
  

• 2017年：US9337278B1（QORVO）在HEMT器件上具有与阻挡层耦合的镓面氮化镓沟道CN105720097A（中国科学院半导体研究所）在HEMT器件的钝化层上制备延申至势垒层的凹槽，在凹槽内有二次外延生长的p型层，降低击穿电压；US9048303B1（英飞凌）异质结鳍片结构的III族氮化物基增强模式晶体管；CN108400159A（三安光电）提出一种具有多量子阱高阻缓冲层的HEMT外延结构。

Micro LED：应用场景广泛涵盖微显示

和数字终端领域，未来可期

显示屏发展方向：轻薄化、小型化、低功耗、高亮度。

• MicroLED显示技术优势：自发光，低功耗，高亮度，超高分辨率，小尺寸，高色彩饱和度；

  
  

• 高反应速度的MicroLED是如今非常热门的新一代的显示概念，将成为LED未来的发展方向。

Yole分析公司预测：

• 可穿戴设备以及超大屏显示将于2021年进入市场，预计2022年市场规模将达到80亿元；

  
  

• 2025年产业链成熟后，达到3.3亿台的出货量。

Micro LED：高速发展，中国

技术储备全球领先

Micro/Mini LED全球专利概况：

• 近5年为Micro/Mini LED技术的高速发展期；

  
  

• 中国专利申请趋势与全球总体一致，并且近5年发展迅猛全球领先；

  
  

• 海外Facebook和苹果公司分别位列第一、第二，国内京东方、歌尔股份、三安光电等也都名列前茅。

Micro/Mini LED全球专利申请趋势：

Micro/Mini LED全球专利主要申请人排名：

Micro LED：持续突破

巨量转移技术

技术演进重点：巨量转移技术。

• 苹果公司：载体基板和接收基板上的导电层将MicroLED层转移到接收基板；

  
  

• 歌尔公司：通过激光照射剥离原始基板；

  
  

• LG：提出无需转移技术，将Micro LED和驱动其的晶体管形成在基板同一平面；

  
  

• 华灿光电：通过磁力作用完成转移；

  
  

• 英特尔：石墨烯用作释放层，将MicroLED从硅基板转移到玻璃基板；

  
  

• 苹果：光束寻址释放巨量转移技术；

  
  

• 三星：向目标基板辐射激光，利用激光完成不同颜色MicroLED转移。

丰田布局汽车全氮化镓

电控系统

联合开发：丰田与日本名古屋大学合作开发“全氮化镓汽车”。名古屋大学教授天野浩团队开发全氮化镓汽车并在2019东京车展展出。

全车氮化镓应用亮点：

• 牵引逆变器：氮化镓将效率提高了20％，提升了电动汽车一次充电的续航里程；

  
  

• DC-DC变换器：氮化镓器件可将系统尺寸减小75％；

  
  

• 车载充电器：使用GaN器件，尺寸减少到原来的五分之一，充电效率可以增加到98%（Si基93%）。

投资开发：丰田宝马相继合作GaN Systems公司。

• 丰田汽车间接投资了GaN Systems公司，推动氮化镓用于电动汽车；

  
  

• 2019年宝马就汽车级氮化镓功率晶体管签署产能协议，合作金额1亿美元。

丰田、名古屋大学持续

布局氮化镓技术

• 2010-09-21：CN102034860B。GaNHEMT及功率转换器：在第一沟道层上选择性再生长第二沟道层，能后减少沟道层与后续载流子供给层界面处的杂质，降低导通态电阻；

  
  

• 2017-02-15：JP6626021B2。GaN晶体管用于车辆中的逆变器，由AlxGa(1-x)N（x>0）组成的势垒区与漂移区和源电极都接触，从而改善GaN基板的散热；

  
  

• 2017-12-12：JP2019106783A。用于电动车辆的DC-DC降压转换器，其中的升压转换器电路包括由GaNHEMT制成的反向导通开关元件，实现高转换效率；

  
  

• 2017-08-04：JP2019033108A。GaN二极管的P型和N型半导体层形成台面结构，外周覆盖的保护膜层含有选自Ga、Y、La、Ce等中的元素和氧元素。防止反向击穿电压降低，可用于电源转换器或逆变器；

  
  

• 2017-12-11：JP2019106417A。GaN半导体层上依次设置第一绝缘层、第二绝缘层，两者界面处第一绝缘层的氧单位表面密度σ1>第二绝缘层的σ2，能够实现GaN晶体管的常关，用于电源转换器或逆变器；

  
  

• 2018-05：CN111133133A。GaN晶体的HVPE生长装置：将排气管配置在晶片保持面的下方，能够使反应容器内的气体向晶片的下侧排气，因而能够抑制粉尘附着在晶片表面。有利于使GaN以长条结晶生长，从而降低成本；

  
  

• 2018-08：JP2020025056A。P型GaN层的制备，将II族原子（Mg）离子注入到具有1×107cm-2以下的线位错密度的III族氮化物半导体层中，并共注入氮离子；JP2020077828A：GaN开关元件的制造方法，在GaN基n型漂移层上外延生长p型体层；在p型体层表面形成沟槽；在沟槽底部注入杂质形成n型底层，在沟槽中形成栅绝缘膜和栅极；n型底层周围的体层构成电场缓和层。降低了形成p型电场缓和层的难度，电场缓和层使开关器件具有高击穿电压；

  
  

• 2018-11：JP2020025056A。栅极绝缘膜包括第一绝缘膜和第二绝缘膜，第一绝缘膜与氮化物半导体接触，并与氮化物半导体具有相同晶体结构，第二绝缘膜位于第一绝缘膜之上，且晶体结构不同。减少栅极绝缘膜的缺陷，提高栅极阈值电压的可重复性。

GaN Systems重点布局

汽车领域的应用

• 2016-04-06：US9660639B2。为了将GaN电源开关引入汽车市场，需要提供具有高电流和电压的常关GaN晶体管。GaN开关装置包括：多个横向GaN功率晶体管，分布式驱动器包括多个驱动元件，每个驱动元件包括一对串联的上拉驱动晶体管和下拉驱动晶体管，每个驱动元件驱动一个相应的GaN功率晶体管；

  
  

• 2016-04-14：US9525413B2。增强模式GaN功率开关具有单片集成的GaN驱动器，功率开关包括一GaN晶体管D3，驱动器包括一上拉E模式GaN晶体管D1、一下拉E模式GaN晶体管D2，D1打开时传输驱动电压到D3的栅极，D2打开时通过内部source-sense连接将D3的栅极钳位在VSS。提高GaN功率开关的抗噪声能力，防止误导通；

  
  

• 2016-04-18：US10290623B2。GaN功率晶体管的栅极输入保护和ESD保护电路，包括两个串联的GaN保护晶体管P1、P2，P1、P2的栅极均与其源极相连，P1的漏极与功率晶体管的栅极相连，P2的源极与功率晶体管的源极相连，多个保护晶体管堆叠的设置提高了激活保护电路所需的ESD尖峰的负电压幅度；

  
  

• 2019-12-06：US20200185302A1。包含GaN HEMT开关的功率模块，模块的导热底板支撑开关器件的基板，基板包括多个电源总线区域和控制接触区域，电源端子从电源总线向外壳顶盖延伸，其从底板延伸的高度为h1，控制端子从控制接触区域向上延伸，其从底板延伸的高度为h2，h2

  
  

• 2019-01-18：US10778114B2。适用于电动汽车的NPC逆变器，包括高侧开关和低侧开关，在直流母线端子+Vdc和-Vdc之间以半桥配置连接，中间路径开关包括GaN HEMT连接在0V与交流端子Vac之间，还包括NPC支路，当启动NPC支路时，逆变器作为三电平T型逆变器以第一工作模式运行；禁用NPC支路时，逆变器以两电平逆变器的形式在第二工作模式下运行；

  
  

• 2020-02-27：US20210111533A1。脉冲激光驱动器包括：第一和第二高电流功率晶体管Q1和Q2，在LC谐振回路中以高侧和低侧电流开关布置，LC谐振回路连接到激光电源回路，充电时，Q1、Q2打开,当接近峰值谐振电流时，Q2关闭，产生激光脉冲，Q1、Q2为GaNFET。提供了高电流、快速的激光驱动器，当应用到汽车的雷达系统，能够提高道路安全性、实现自动驾驶。

氮化镓快充走进

日常生活

华为氮化镓快充面市：

• 大功率、超级快充、轻巧便捷优势；

  
  

• 支持手机、平板、PC电脑、蓝牙耳机、手表手环等设备充电。

华为近几年持续布局氮化镓

快充相关技术

• 2016-07-07：在三相谐振DC-DC转换器系统中，开关电路和整流电路中的开关采用GaN晶体管以提高效率；

  
  

• 2018-09-25：CN109193601B。一种P型GaN增强型功率器件的ESD保护电路，包括并联的负向ESD保护模块和正向ESD保护模块，其中，负向ESD保护模块包括第一电阻、充电电容、第一场效应管和第二场效应管；正向ESD保护模块包括第四场效应管。该专利也进行了PCT申请，并进入US、EP等国家和地区；

  
  

• 2019-03-07：在充电器或适配器的芯片中，采用耐高压的氮化镓电路作为高侧驱动器件，与低侧硅基电路连接，这样控制器的脉冲信号就可以通过氮化镓电路传递到硅基电路。该专利也进行了PCT申请；

  
  

• 2019-07-29：CN112310208A。一种用于功率开关的增强型氮化镓基晶体管，源极和漏极之间设置有掺杂帽层，栅极设置在掺杂帽层表面；掺杂帽层具有至少一个掺杂区域，且掺杂区域的上表面与栅极的下表面相接触，该设置能够降低栅极漏电；

  
  

• 2020-03-04：GaN功率开关器件的驱动电路，包括驱动信号产生电路、串联的电阻和电容、箝位电路，其中，串联的电阻和电容与驱动信号产生电路、功率开关器件耦合，用于根据驱动信号控制功率开关器件导通和关断；箝位电路与功率开关器件耦合，用于控制功率开关器件的栅极电压不大于栅极耐压。通过较少的器件实现对功率开关器件的驱动，并提高开关器件的可靠性；

  
  

• 2020-04-20：WO2021175085A1。电源类产品中的氮化镓基晶体管，栅极包括形成在AlGaN势垒层上的P-GaN盖层，以及形成在P-GaN盖层上的第一栅极金属和第二栅极金属，第一栅极金属与P-GaN盖层之间形成肖特基接触，第二栅极金属与P-GaN盖层之间形成欧姆接触。混合栅极结构，能够减小栅极漏电，从而降低驱动功耗；

  
  

• 2021-04-22：在GaN功率晶体管的AlGaN电子供应层上形成条状的P-GaN层，在P-GaN层上形成漏极金属，漏极金属包括多个交替分布的第一结构区间和第二结构区间，第一结构区间在P-GaN层上方，第二结构区间形成在P-GaN层和其两侧的AlGaN层上。能够在保证P-GaN空穴注入效率的同时，减小器件本征导通电阻增大的风险，抑制电流崩塌。

氮化镓领域近10年

专利诉讼高发

诉讼概况：近10年，氮化镓诉讼频率明显升高。近十年正是氮化镓领域的诉讼高峰期，该领域参与者面临日益严峻的专利风险挑战，专利风险管理愈加重要。

雷区识别：美国为诉讼高风险地区，诉讼主体以美国企业居多，日本日亚、韩国首尔半导体也较为活跃。

• 美国为该领域高风险区域，76%诉讼案件发生在美国，其次诉讼风险区域为在日本和中国；

  
  

• 高诉讼主体以美国和日韩企业居多。

热点专利诉讼事件：日亚

化学VS丰田

案件背景：

• 1993年：日亚化学申请JP19933129313专利；

  
  

• 名称：氮化镓基化合物半导体发光器件；

  
  

• 主题：氮化镓系化合物半导体发光元件，可以减小氮化镓化合物半导体发光元件的尺寸，并尽可能多地取出小尺寸发光元件发出的光，以提高发光效率。

案件追踪：

• 1998年，日亚化学专利授权，授权专利公开号为JP2748818B2，同年日亚向丰田发起侵权诉讼；

  
  

• 2000年，日亚胜诉，判决丰田合成不能制造，使用和销售日亚化学的的专利中所申请的氮化镓发光二极管并承担诉讼费用；

  
  

• 2000年，日亚再次向丰田发起诉讼；

  
  

• 2002年，日亚化学诉讼请求被驳回，并由原告日亚化学承担诉讼费用。

热点专利诉讼事件：日亚

化学Vs首尔半导体

案件背景：

• 2002年：日亚化学申请US10/201600专利；

  
  

• 名称：半导体发光器件；

  
  

• 主题：在基板的表面部分上可以形成至少一个凹陷或突出部分，用于散射或衍射在发光区域中产生的光，凹陷或突出部分具有防止在半导体层中发生晶体缺陷的功能，器件能稳定地确保较高的外部量子效率。

案件追踪：

• 2005年，日亚化学专利授权，授权专利公开号为US6870191B2；

  
  

• 2008年，日亚化学向首尔半导体发起专利侵权诉讼，涉诉产品为白色LED等GaN类发光元件产品；

  
  

• 2009年，法院驳回。

高诉讼主体—美国Bluestone

 Innovations

案件背景：

• 1998年：美国施乐公司申请的专利US6163557A；

  
  

• 名称：在台面上制备III-V族氮化物；

  
  

• 主题：一种在台面上制备III-V族氮化物半导体膜的方法及结构，得到的GaN/AlGaN膜具有减少的裂缝和改善的光电特性。该专利于2000年12月19日被授予专利权；

  
  

• 2010年：施乐公司将其转让给Bluestone Innovations公司，后者围绕该专利提起29起诉讼。

案件追踪：

• 2013年，Bluestone Innovations VS LG：LG涉诉产品为47lw6500 LED背光电视产品，后续案件无公开信息，双方可能已经和解；

  
  

• 2017年，Bluestone Innovations VS CREE：CREE涉诉产品为SA19 60W灯泡-带外延薄膜的LED灯泡，最终双方达成和解，撤销了关于Cree公司的诉讼；

  
  

• 2017年，Bluestone Innovations VS通用电气：通用电气涉诉产品ppsb19-sw27A19-LED外延薄膜灯泡产品，2018年，Bluestone Innovations LLC自愿撤诉并不要任何赔偿。

专利数据相关：

• 采集范围：使用智慧芽专利数据库进行检索，搜集氮化镓全行业专利数据，包含全球范围的相关申请；

  
  

• 统计方式：一件重要的专利往往在不止一个国家被申请，进行专利统计时，例如申请人在不同国家、地区或组织所提出的专利申请的分布情况，将同族专利申请分开进行统计，并将一件申请的多个公开文本合并计为1件专利，所得到的结果对应于申请的件数。

分析图表相关：

• 时间范围：本白皮书采用的专利文献数据主要来自于智慧芽专利检索分析数据库，数据截至2021年3月31日各官方知识产权局已公开的专利文献，除部分含年份趋势图，其他数据均为历史累积数据；

  
  

• 其他说明：由于一般情况下，专利申请在初步审查合格后，满18个月后予以公布，因此截止到本报告的检索日期，2020-2021年的部分申请还未公开，其与实际的专利申请趋势会略有出入。

氮化镓专利

情报监控

分析成果已落地形成IT平台系统，可实现日常更新、监控和查阅，确保分析结果持续为行业研发创新和知识产权情报管理发挥价值。

氮化镓专利

情报监控

分职责的任务管理，任务分配：根据内容人员职责，分配工作内容。

氮化镓专利

情报监控

• 进度管控：有效管理工作质量与进度，提升工作效率；

  
  

• 分小组跟踪提醒，实现对最新情报的实时跟踪。

参考资料来自：智慧芽证券、驭势资本研究所