目录
- 执行摘要：2025年及以后
- 市场规模及2030年预测
- 关键应用领域：电源、射频和光电子
- 主要参与者与战略合作关系（2025年更新）
- GaN外延生长工艺的技术进步
- 供应链动态与原材料采购
- 成本驱动因素与竞争性定价趋势
- 监管与行业标准（IEEE、JEDEC等）
- 新兴机会：汽车、5G和量子设备
- 未来展望：颠覆性趋势与战略建议
- 来源与参考文献
执行摘要：2025年及以后
氮化镓（GaN）外延层制造在2025年处于一个关键的十字路口，受半导体制造快速进步和高性能电源及射频电子器件需求激增的驱动。从硅基材料向宽带隙材料的全球转变正在加速，因为GaN外延层使得器件具备更高的效率、更快的开关速度和更优越的热稳定性。主要行业参与者继续扩大生产能力并多样化基板选择，反映了该领域的增长轨迹和不断变化的技术要求。
到2025年，领先制造商已加快部署先进的金属有机化学气相沉积（MOCVD）系统，这一技术是GaN外延生长的主流。ams OSRAM和氮化半导体已宣布新设施和工艺优化，针对高亮度LED和电源器件市场。基板创新同样显著，京瓷和SiC-on-GaN正在开发更大直径的晶圆（最高可达200毫米），旨在降低成本并提高量产效率。
在2025年的一个关键趋势是更广泛采用GaN-on-Si基板，原因在于其与现有硅晶圆厂的兼容性和成本效益。STMicroelectronics和Infineon Technologies均已推出基于GaN-on-Si的商业电源器件，其背后是增强层均匀性和缺陷控制的专有外延生长技术。同时，EpiGaN（一家Soitec的分部）推出了先进的原位监测解决方案，以确保外延制造过程的严格控制，这在器件几何尺寸缩小和性能规格逐渐严格的情况下尤为重要。
下一代GaN外延技术的研究和试点生产（如垂直器件架构和新型异质结构）正在加速进行，pSemi（一家村田公司）和三星电子正在投资于RF和移动应用的研发。包括日本和欧洲的公私合营合作项目预计将在层质量、缺陷减小和与CMOS平台的集成方面产生进一步突破。
展望2025年以后的未来，GaN外延层制造的前景乐观。对自动化、更大基板和集成技术的持续投资将降低成本并扩大在汽车、工业、电信和消费领域的市场覆盖。预计在未来几年中，GaN外延技术将在全球半导体生态系统中变得愈加重要，为下一波电源和射频设备的创新提供支撑。
市场规模及2030年预测
到2030年，氮化镓（GaN）外延层制造的全球市场预计将显著扩张，主要受电源电子、射频（RF）设备和光电子等领域需求旺盛的推动。在2025年，主要半导体制造商正在加大对先进金属有机化学气相沉积（MOCVD）和氢化气相外延（HVPE）系统的投资，以扩大生产并满足下一代设备的质量要求。
关键行业参与者，如ams OSRAM、氮化半导体有限公司和京瓷公司，正在扩展其GaN外延能力，以应对电动汽车、5G基础设施和快充应用中GaN电源器件的不断增长的需求。根据英飞凌科技公司的说法，由于其卓越的能源效率和紧凑性，转向GaN进行电力转换的过程正在加速，这对于消费电子和可再生能源系统至关重要。
生产能力扩展在近期公告中已显现出来。ams OSRAM已启动面向高亮度LED和微型LED显示屏的新GaN-on-silicon外延晶圆项目，预计在2025和2026年将逐步扩大产量。同样，氮化半导体有限公司继续投资于紫外LED外延技术，专注于6英寸和8英寸晶圆格式，旨在提高通量并降低成本。
预测显示，到2027年，GaN外延晶圆的需求将超过传统硅和碳化硅（SiC）基板的需求，特别是在汽车OEM和电信设备制造商采用基于GaN的解决方案的背景下。ROHM有限公司和松下公司均在扩大其GaN晶圆生产线，旨在为快速增长的汽车和工业市场提供分立器件和电源模块。
展望未来，GaN外延制造行业预计将看到两位数的年复合增长率（CAGR），受持续工艺创新和向更大晶圆直径迁移的支持，这对降低每个器件的制造成本至关重要。预计基板供应商、MOCVD工具制造商和器件制造商之间的战略合作将进一步简化供应链，并加速到20230年高性能GaN组件的上市时间。
关键应用领域：电源、射频和光电子
氮化镓（GaN）外延层制造是推动关键应用领域——尤其是电源电子、射频（RF）设备和光电子发展的核心。到2025年，行业的动力来自对更高的性能、效率和可扩展性的需求，领先制造商正在投资下一代外延生长技术。
- 电源电子：对高效、高压电源器件的需求推动着GaN外延晶圆生产的快速创新。像英飞凌科技公司这样的公司正在扩大金属有机化学气相沉积（MOCVD）工艺，以生产高品质的GaN-on-silicon和GaN-on-SiC结构，目标是电动汽车到数据中心的应用。TECAN和氮化半导体有限公司同样在投资于工艺控制和一致性，以支持大规模生产，200毫米GaN-on-Si晶圆已进入试点生产线和早期商业化。
- RF设备：5G网络和卫星通信的普及加速了基于GaN外延层的高电子迁移率晶体管（HEMT）和RF功率放大器的发展。Wolfspeed, Inc.正在扩大其GaN-on-SiC晶圆的外延产能，以支持能够提供更高频率和功率密度的器件架构。ROHM半导体也在推进其GaN-on-SiC和GaN-on-silicon外延技术，用于RF前端模块，专注于低缺陷密度和高可靠性。
- 光电子：在LED、激光二极管和微型LED显示屏中，GaN外延层的采用仍然强劲。OSRAM和三安光电有限公司正在实施先进的MOCVD反应器和原位过程监测，以改善波长均匀性和降低缺陷。近期的发展包括高亮度蓝色和绿色微型LED阵列，外延工艺的改进对像素尺寸的减小和大规模转移产量至关重要。
展望未来，预计未来几年将看到人工智能和机器学习更广泛地应用于外延过程优化、较大晶圆直径的采用增加以及新型基板材料的出现。这些趋势将在满足电源、RF和光电子领域不断增长的需求方面发挥关键作用，领先供应商正在投资于产能和工艺创新，以保持竞争优势。
主要参与者与战略合作关系（2025年更新）
到2025年，氮化镓（GaN）外延层制造行业将愈发受到主要制造商的活动和旨在扩大生产能力、改善材料质量以及加快器件商业化的战略合作关系的定义。主要参与者如IQE plc、ams OSRAM、SÜNNOTECH和EpiGaN（SOITEC公司）都处于这些进展的最前沿。
- IQE plc已在英国和美国扩展其GaN外延生产能力，紧随其后的是对新的金属有机化学气相沉积（MOCVD）反应器和自动化技术的投资。公司继续与领先铸造厂和器件制造商建立合作伙伴关系，以满足不断增长的对用于射频、电源和微型LED应用的GaN-on-Si和GaN-on-SiC晶圆的需求（IQE plc）。
- ams OSRAM在光电子组件的GaN外延方面增强了其市场地位，战略联盟专注于微型LED和高亮度LED市场。2025年，公司宣布与显示和汽车OEM进一步合作，共同开发下一代基于GaN的解决方案（ams OSRAM）。
- SÜNNOTECH和EpiGaN（SOITEC）都加大了外延层生产，利用专有工艺实现均匀性和缺陷降低的提升。特别是SÜNNOTECH与亚洲器件制造商建立了新的合作伙伴关系，专注于高频率和电源电子，而EpiGaN继续与SOITEC的工程基板技术进行整合（SÜNNOTECH；EpiGaN（SOITEC公司））。
- 战略合作关系大量涌现，领先的基板供应商如京瓷公司和SICC有限公司与外延专家合作，开发用于氮化镓在碳化硅和蓝宝石基板上的生长的先进模板，旨在优化产量和性能，以满足下一代设备的需求。
展望未来，预计该行业将看到进一步整合和跨国合作，特别是随着汽车、电信和消费电子行业推动更高的生产量并追求改善的性价比。材料供应商、外延工厂和器件制造商之间日益加深的协作关系彰显了2025年及以后GaN外延层制造生态系统日益成熟和战略重要性。
GaN外延生长工艺的技术进步
到2025年，氮化镓（GaN）外延层制造经历了显著的技术进步，受电源电子、RF设备和光电子需求激增的推动。行业专注于提高材料质量、生产效率和晶圆尺寸，以满足高性能器件的要求。金属有机化学气相沉积（MOCVD）仍然是主导的生长技术，但在工艺控制和反应器设计方面的创新正在推动可扩展性和均匀性的边界。
一个显著的趋势是过渡到更大晶圆直径，特别是从4英寸转向6英寸和8英寸基板。这一转变提高了生产率并降低了每个器件的成本。例如，ams OSRAM已经在8英寸规模上加快了GaN-on-Si外延晶圆的生产，以供应汽车和消费电子行业。同样，日亚化学工业株式会社投资于新型MOCVD生产线，以优化大面积蓝宝石基板上均匀的GaN生长，目标是服务于LED和电源器件市场。
材料质量的改善显然体现在缺陷密度的降低和晶圆均匀性的提高。 像反射率测量和实时光谱椭偏仪这样的先进原位监测技术现在已成为领先MOCVD平台的标准。Veeco Instruments和AIXTRON SE报告了反应器升级，使得层厚度和掺杂的精确控制成为可能，同时最小化缺陷并在规模上确保重复性。
替代基板正在受到重视。GaN-on-SiC由于优越的热导率在高频RF和电源设备中仍然至关重要，Wolfspeed（前身为Cree）正在扩大其SiC基板和GaN外延的产能。 GaN-on-Si在低成本、高容量应用中获得了一定的发展，STMicroelectronics在其功率晶体管大规模生产线上整合GaN外延工艺。
展望未来几年，预计人工智能驱动的过程控制和数字双胞胎技术将在外延反应器的整合上进一步加强，旨在提高产量和加快开发周期。设备制造商和器件制造商之间的协作将进一步加强，推动先进GaN器件的快速原型开发和更快的商业化。随着技术的成熟，焦点将日益转向可持续发展，减少前体消耗和外延生长过程中的能源使用。
供应链动态与原材料采购
到2025年，氮化镓（GaN）外延层制造的供应链特色在于原材料采购和晶圆处理方面的不断演变。核心原材料——高纯度氮化镓、氨气和金属有机化学气相沉积（MOCVD）的前驱体——是全球采购的，但越来越强调区域安全和垂直整合。领先的晶圆制造商，如ams OSRAM和Coherent Corp.，已经加大了向后整合的投资，以稳定供应并确保高性能GaN设备所需的纯度。
在地缘政治不确定性和对战略金属的出口管制收紧的背景下，关于氮化镓的可用性的担忧仍然存在。自中国在2023年对氮化镓实施出口限制后，到2025年，北美、日本和欧洲的公司已建立了替代的精炼路线和回收项目。例如，古河电工已经扩大了其从工业废料中回收高纯度氮化镓的能力，而优美科则利用其在特种金属回收方面的专业知识来应对潜在瓶颈。
在外延方面，供应链的韧性通过本地化MOCVD工具生产和消耗品供应进一步增强。Veeco Instruments和Advanced Ion Beam Technology (AIBT)是支持地方供应链的设备制造商示例，减少对关键反应器和替换元件的长距离进口依赖。这些努力还得到了特殊气体供应商如Linde的扩展支持，他们正在靠近主要GaN制造集群建筑新的氨气和载气分销中心。
展望未来，在2025年及未来几年，GaN外延层行业将继续优先考虑双重采购策略、回收和本土生产。这一目标得到了各国政府推动半导体供应链安全的推动，提供对关键材料的本地采购激励和新建净化和回收设施的支持。前景表明，逐渐脱离单一地区依赖，实现更具韧性、响应更快以及更可持续的GaN外延层制造供应链。
成本驱动因素与竞争性定价趋势
到2025年，氮化镓（GaN）外延层制造的成本动态受到基板技术的进步、晶圆尺寸的扩大、工艺优化以及全球供应商之间的竞争格局的影响。GaN外延——通常通过金属有机化学气相沉积（MOCVD）进行——仍然是制造电源电子和RF设备中一个重要的成本组成部分，但行业趋势正在对价格施加下行压力，同时扩大产能。
- 基板和晶圆尺寸演变：从2英寸和4英寸到6英寸和8英寸GaN-on-Si或GaN-on-SiC晶圆的过渡是主要的成本驱动因素。更大的晶圆能够提高规模经济，减少每个器件的外延成本。像IQE plc和Episil Technologies Inc.这样的领先供应商已经扩大了其6英寸和启动8英寸GaN外延晶圆生产线，面向RF和电源应用，以响应客户对更低的每芯片成本和更高通量的需求。
- 工艺优化和通量：MOCVD反应器的效率、前驱体的利用以及自动化对于保持成本竞争力至关重要。像美国超导公司和Ammono S.A.这样的公司投资于工艺控制和先进反应器设计，以提高均匀性并最小化浪费，进一步降低每个晶圆的成本。
- 原材料和供应链因素：高纯度前驱体（如三甲基氮化镓、氨气）和基板材料（硅、SiC、蓝宝石）的成本对全球供需动态仍然敏感。住友电气工业株式会社和三菱电机株式会社已加大垂直整合力度，以稳定材料成本和供应可靠性，帮助抵御市场波动。
- 定价趋势与竞争格局：随着亚洲、欧洲和北美产能的增加，GaN外延晶圆的竞争定价加剧。市场领导者提供基于晶圆直径、层复杂性和订单量的分层定价。例如，安森美半导体和Cree, Inc.（现为Wolfspeed）已经宣布了新的合同和价格调整，以响应客户量的增加，标志着标准GaN外延产品正在不断向商品化转变。
展望2025年及之后的未来，随着来自汽车、数据中心和5G领域的需求加速，预计通过继续扩大晶圆尺寸、提高反应器生产率和更紧密的供应商-客户合作，进一步降低成本。这些因素预计将巩固GaN作为下一代电源和RF电子设备的成本效益平台的地位。
监管与行业标准（IEEE、JEDEC等）
氮化镓（GaN）外延层制造的监管和行业标准格局正在快速演变，随着该技术在电源电子、RF和光电应用中实现更广泛的采用。到2025年，行业的关注点在于确保器件的可靠性、制造一致性和互操作性，这对于GaN进入主流和安全关键领域（如汽车和电信基础设施）至关重要。
领先的标准化机构，包括IEEE和JEDEC，正在积极建立针对GaN材料和器件的全面指导方针。IEEE已经发布了文档，如IEEE 1653.6，涉及针对宽带隙半导体（包括GaN）的测试和可靠性评估，正在进行工作组更新协议，以反映预计在未来几年中出现的新外延生长方法和器件几何形状。
截至2025年，JEDEC正在积极完善其JC-70委员会标准，专注于宽带隙（WBG）电力电子转换半导体。JC-70.2子组特别关注GaN和SiC的可靠性和测试方法。近期更新包括改进的外延晶圆质量、表面缺陷密度和电气参数均匀性的指导方针——这些参数对于高产量的GaN层的量产至关重要。
除了国际标准机构外，工业联盟和财团也在塑造未来方向。例如，半导体工业协会（SIA）和SEMI基金会正在与制造商合作，制定外延生长、计量和供应链可追溯性的最佳实践。这些努力在像英飞凌科技和NXP半导体等制造商扩大GaN晶圆生产时尤为重要，因为这要求在国际晶圆厂之间达成统一的质量和测试基准。
展望未来，预计未来几年将进一步统一外延缺陷密度、晶圆翘曲/变形和污染控制方面的标准。这是响应器件电压等级的提高和向200毫米GaN-on-silicon基板转变所必需的，这要求更严格的过程控制和标准化的认证方法。跨行业的倡议，如SIA的环境、健康和安全政策努力，也在推动针对GaN外延加工的环境、健康和安全指导方针的发展。
随着GaN外延层制造的成熟，监管标准与行业驱动的规格之间的相互作用将对于实现可靠、可扩展和在全球竞争中的制造生态系统在2020年代末至关重要。
新兴机会：汽车、5G和量子设备
氮化镓（GaN）外延层的制造在2025年面临重大的技术和商业进步，主要受汽车电子、5G通信和量子设备等新兴机会的推动。电动汽车的转型及先进驾驶辅助系统（ADAS）的普及正在为高效、高功率的GaN设备创造强劲需求。领先制造商如英飞凌科技公司和ROHM有限公司正在扩张GaN外延能力，并完善金属有机化学气相沉积（MOCVD）工艺，以实现更低的缺陷密度和更高的均匀性，这是保证汽车级可靠性的重要条件。
在电信领域，5G的全球推广继续推动GaN-on-SiC和GaN-on-Si外延晶圆的采用，因为其优越的功率密度和频率性能。像Wolfspeed, Inc.这样的公司已宣布计划增加150毫米和200毫米GaN外延晶圆的生产，这些晶圆针对下一代5G基站和相控阵天线进行了定制。在2025年，重点是扩大晶圆直径和提高产量，多个行业参与者正在投资于先进的原位监测和自动化技术，以提高通量和生产可重复性。
量子设备的发展为GaN外延层创新提供了一个新前沿。随着研究人员寻求具有卓越电子迁移率和低噪声特性的材料，像imec这样的公司正与半导体供应商合作，开发超高纯度、低缺陷的GaN层，以用于量子计算和精密传感器应用。GaN与硅和新兴基板的结合正在积极研究，预计在未来几年将启动试点生产线，以支持量子硬件的原型。
展望未来，汽车电气化、5G基础设施扩展和量子技术研究的汇聚预计将进一步推动对GaN外延制造的投资。行业财团如半导体工业协会正在倡导供应链的韧性和公私合作，以确保获取高质量的GaN外延晶圆。随着资本支出增加和工艺技术的发展，从2025年开始，预计将见证产能的扩展和性能指标的突破，巩固GaN外延在这些高速增长领域的角色。
未来展望：颠覆性趋势与战略建议
氮化镓（GaN）外延层制造的市场在2025年及随后的几年有望迎来转型增长和颠覆，推动力量来自于对电源电子、RF设备和下一代光电子的需求日益增加。一个显著的趋势是广泛转向更大直径的基板——从150毫米转变为200毫米晶圆——以提高通量并降低每个单位的成本。像ams OSRAM和Ferrotec等企业正在处于前沿，投资于扩大金属有机化学气相沉积（MOCVD）和氢化气相外延（HVPE）技术，以满足这些新的技术需求。
与此同时，原生GaN基板的发展正在加快，这些基板承诺较之传统蓝宝石或碳化硅基底将减少缺陷密度并改善器件性能。IQE plc和Soitec正在投资于专有的制造路线——如工程基板和准块层生长工艺——以促进大规模商业化。这一演变预计将为高频率、高功率和汽车应用解锁新的效率。
从战略上讲，利益相关者的一个关键建议是加大与设备供应商的研发联盟。例如，Veeco Instruments Inc.正与领先的铸造厂紧密合作，优化MOCVD反应器的设计，专门针对厚GaN层和缺陷减小。类似地，像Akercheminc这样的供应商也在推进前驱体化学以改善材料质量和工艺的重复性。
从生态系统的角度看，朝着可持续发展和能源高效加工的努力正在加强。制造商正在投资于闭环气体回收和先进的原位监测，其中包括牛津仪器的相关倡议。考虑到日益严格的监管审查以及建立更绿色的半导体供应链的必要性，这一现象愈发重要。
总之，未来几年将以扩大至更大晶圆、原生基板技术的进步、供应链的战略合作以及对可持续性的更强关注为特征。那些主动参与这些颠覆性趋势的利益相关者——通过投资创新和战略合作——将更有能力在不断扩大的GaN外延层市场中获取优势。
来源与参考文献
- ams OSRAM
- STMicroelectronics
- Infineon Technologies
- EpiGaN
- Soitec
- pSemi
- Samsung Electronics
- 氮化半导体有限公司
- ROHM Co., Ltd.
- Wolfspeed, Inc.
- OSRAM
- IQE plc
- 日亚化学工业株式会社
- Veeco Instruments
- AIXTRON SE
- 古河电工
- 优美科
- Linde
- 美国超导公司
- 住友电气工业株式会社
- 三菱电机株式会社
- IEEE
- JEDEC
- 半导体工业协会（SIA）
- NXP Semiconductors
- Wolfspeed, Inc.
- imec
- Ferrotec
- 牛津仪器
