從2年前被小米拿來當(dāng)做王牌賣點(diǎn)大肆宣傳的“新貴”，到現(xiàn)在幾乎成為新產(chǎn)品的標(biāo)配，氮化鎵在短時(shí)間內(nèi)普及到了千家萬戶。

事實(shí)上，說氮化鎵材料是“新貴”不太貼切，早在30年前，這種材料就已經(jīng)被用在半導(dǎo)體上。

1、搭橋鋪路

導(dǎo)體行業(yè)發(fā)展近百年，已經(jīng)經(jīng)歷了3代半導(dǎo)體晶圓材料的革新。第1代半導(dǎo)體是鍺和硅;第2代半導(dǎo)體以砷化鎵、磷化銦為代表;氮化鎵則屬于第3代半導(dǎo)體材料，與其同類的還有碳化硅、氧化鋅、氧化鋁、金剛石等。

其中，氮化鎵和碳化硅是目前研究最為火熱的第3代半導(dǎo)體材料，被稱為第3代半導(dǎo)體的“雙子星”。

在氮化鎵和碳化硅中，碳化硅熱導(dǎo)率較高，使得其在高功率應(yīng)用中占據(jù)統(tǒng)治地位;由于氮化鎵具有更高的電子遷移率，具有更高的開關(guān)速度，在高頻率應(yīng)用領(lǐng)域，氮化鎵具備優(yōu)勢(shì)。

一般說來，電壓300-600V的環(huán)境下，氮化鎵有優(yōu)勢(shì);在600V以上的環(huán)境下，碳化硅有優(yōu)勢(shì)。

所以現(xiàn)在可以看見，碳化硅功率器件在電動(dòng)汽車身上越來越多見，而氮化鎵的應(yīng)用領(lǐng)域更多，先伴隨著家用電器開枝散葉。

那么，比起第1代和第2代半導(dǎo)體，第3代半導(dǎo)體的進(jìn)步在哪里呢?

從名字就能看出來——第3代半導(dǎo)體又稱作“寬禁帶半導(dǎo)體”，其核心優(yōu)勢(shì)就在“寬禁帶”上。

先簡(jiǎn)單科普一下“禁帶”的概念。

初中化學(xué)內(nèi)容：一個(gè)物體能否導(dǎo)電以及導(dǎo)電能力強(qiáng)不強(qiáng)，取決于其能否產(chǎn)生自由流動(dòng)的電子以及產(chǎn)生自由電子的能力。金屬類元素的原子核對(duì)外層電子的束縛能力較弱，因此表現(xiàn)為良導(dǎo)體;非金屬元素原子核對(duì)于外層電子束縛能力強(qiáng)，因此外層電子不能自由流動(dòng)，成為了絕緣體。

而半導(dǎo)體在二者之間——它本身不導(dǎo)電，但是在一定的狀況下，比如摻進(jìn)雜質(zhì)后，就可以導(dǎo)電。

在固體中，原子外的電子會(huì)分成不同能級(jí)，當(dāng)原子間相互作用導(dǎo)致能級(jí)移動(dòng)時(shí)，就產(chǎn)生了一組差別很小的能級(jí)，也就是能帶。其中，電子從最低能級(jí)開始依次向上填充，被填滿的能帶稱為滿帶，滿帶中能量最高的一條稱為價(jià)帶。由于已經(jīng)擠滿了電子，可以認(rèn)為價(jià)帶中的電子是不導(dǎo)電的

從價(jià)帶繼續(xù)往上，就是沒有被填滿的能帶，由于這個(gè)能帶幾乎是空的，所以電子可以自由移動(dòng)，這個(gè)能帶就是導(dǎo)帶。在導(dǎo)帶和價(jià)帶之間的就是禁帶。換句話說，禁帶就是電子從價(jià)帶“突破”到導(dǎo)帶所需的能量。

簡(jiǎn)單打個(gè)比方，滿帶就像半導(dǎo)體內(nèi)一條擠滿電子的公路A，導(dǎo)帶則是旁邊是一條空蕩蕩的公路B，禁帶是公路A和公路B之間的溝，價(jià)帶則是公路A上最靠近公路B的車道。

如果溝太寬，電子沒辦法從公路A跳到公路B上去，交通便陷入徹底癱瘓，這就是絕緣體;如果溝很窄，電子很容易走上公路B，交通就會(huì)立刻順暢起來，這就是金屬。半導(dǎo)體就是在公路A和公路B之間搭了一座升降橋，實(shí)現(xiàn)電子可控地移動(dòng)。

從這里我們可以知道，半導(dǎo)體的禁帶不能太窄，否則只需很小的能量就能讓所有電子自由移動(dòng)。半導(dǎo)體就變成了導(dǎo)體，上面的電流不再可控。

更關(guān)鍵的是，這種情況是不可逆的，所有電子成為自由電子后，化學(xué)鍵就破裂了，材料本身發(fā)生了變性。一旦化學(xué)鍵破裂，就會(huì)和環(huán)境中的其他原子，例如氧，形成新的化學(xué)鍵，就不再是晶體了。

反過來，禁帶寬的好處有很多。比如和前面說的相反，禁帶越寬，意味著這個(gè)材料本身越難成為導(dǎo)體，可以承受的電壓也就越高，用它制作半導(dǎo)體器件也就能承受更高的功率和溫度。

進(jìn)而，相對(duì)于原來的硅器件，同樣電壓等級(jí)下，寬禁帶半導(dǎo)體的die(從晶圓上切割下的芯片)可以做得更小，從而讓干擾半導(dǎo)體元件性能的寄生參數(shù)更小，發(fā)熱更小。寄生參數(shù)小則帶來導(dǎo)通速度快、反向恢復(fù)電流小、開關(guān)損耗小、承受溫度高等優(yōu)勢(shì)。

指標(biāo)上可以看出，第3代半導(dǎo)體幾乎全面領(lǐng)先硅和砷化鎵：

2、年增70%的產(chǎn)業(yè)

雖說已經(jīng)出現(xiàn)30多年，但早前，氮化鎵的應(yīng)用主要集中在半導(dǎo)體照明行業(yè)，而最被看好，也是當(dāng)前討論最熱烈的，是其在電力電子領(lǐng)域的前景。

在這方面，目前處于美國、歐洲、日本、中國“四足鼎立”狀態(tài)。

氮化鎵產(chǎn)業(yè)鏈和傳統(tǒng)半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)類似，包括原材料→器件制造→應(yīng)用三大環(huán)節(jié)，器件又可以細(xì)分成IC設(shè)計(jì)→芯片制造→芯片封裝3個(gè)小環(huán)節(jié)。

美日歐從2000年就開始通過國家級(jí)創(chuàng)新中心、聯(lián)合研發(fā)等形式，搶占第三代半導(dǎo)體技術(shù)的戰(zhàn)略制高點(diǎn)。

目前，日本在襯底方面處于絕對(duì)領(lǐng)先態(tài)勢(shì)。住友電工、三菱化學(xué)、住友化學(xué)等，三家日商合計(jì)市場(chǎng)份額超過85%。

GaN 外延片相關(guān)企業(yè)主要有比利時(shí)的EpiGaN、英國的 IQE、日本的 NTT-AT;GaN 器件設(shè)計(jì)廠商方面，美國的 EPC、MACOM、Transphom，德國的 Dialog 等為主要參與者;IDM企業(yè)中日本的住友電工與美國的 Cree 為行業(yè)龍頭，市場(chǎng)占有率均超過 30%。

相較而言，中國第三代半導(dǎo)體興起的時(shí)間較短。在緩慢孵化數(shù)年后，2013年，科技部863計(jì)劃才首次將第三代半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)列為國家戰(zhàn)略發(fā)展產(chǎn)業(yè)。

2016年，國務(wù)院國家新產(chǎn)業(yè)發(fā)展小組將第三半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)列為發(fā)展重點(diǎn)。這時(shí)候，中國才進(jìn)入“第三代半導(dǎo)體發(fā)展元年”。

但是，這個(gè)產(chǎn)業(yè)實(shí)在太新了，新到還談不上先進(jìn)落后。

Yole研究顯示，到2020年，氮化鎵功率器件的整體市場(chǎng)規(guī)模只不過是0.46億美元，射頻器件市場(chǎng)規(guī)模也是8.91億美元，加起來不到10億美元，未來還有很長一段路要走。

中國在這方面的底氣，一是來源于全面的產(chǎn)業(yè)布局。

目前，中國企業(yè)已經(jīng)全面覆蓋了這些環(huán)節(jié)，比如在射頻領(lǐng)域，GaN襯底生產(chǎn)有維微科技、科恒晶體、鎵鋁光電等公司;外延片涉足企業(yè)有晶湛半導(dǎo)體、聚能晶源、英諾賽科等;蘇州能訊、四川益豐電子、中科院蘇州納米所等公司則同時(shí)涉足多環(huán)節(jié)，力圖形成全產(chǎn)業(yè)鏈公司。

二是來源于下游應(yīng)用市場(chǎng)在本土的前景。

氮化鎵應(yīng)用范圍廣泛，作為支撐“新基建”建設(shè)的關(guān)鍵核心器件，其下游應(yīng)用切中了 “新基建”中5G基站、特高壓、新能源充電樁、城際高鐵等主要領(lǐng)域。

此外，氮化鎵的高效電能轉(zhuǎn)換特性，能夠幫助實(shí)現(xiàn)光伏、風(fēng)電(電能生產(chǎn))，直流特高壓輸電(電能傳輸)，新能源汽車、工業(yè)電源、機(jī)車牽引、消費(fèi)電源(電能使用)等領(lǐng)域的電能高效轉(zhuǎn)換，助力“碳達(dá)峰，碳中和”目標(biāo)實(shí)現(xiàn)。

上述這些，全都是國內(nèi)正在高速發(fā)展的產(chǎn)業(yè)，且在不少領(lǐng)域擁有體量或技術(shù)優(yōu)勢(shì)，其勢(shì)必會(huì)倒逼國內(nèi)氮化鎵產(chǎn)業(yè)的進(jìn)步。

在其他方面，截至2021年底，我國累計(jì)建成并開通5G基站142.5萬個(gè)，占全球60%以上。前瞻產(chǎn)業(yè)研究院預(yù)計(jì)，到2025年，預(yù)計(jì)累計(jì)建設(shè)的5G基站數(shù)目約在500萬站，到2030年，預(yù)計(jì)5G宏基站和小基站新建數(shù)量合計(jì)可達(dá)1000萬站。

在這方面，Yole預(yù)計(jì)，氮化鎵射頻器件的市場(chǎng)規(guī)模預(yù)計(jì)能在2026年增長至24億美元，復(fù)合年均增長率為18%。

更值得關(guān)注的是和電動(dòng)汽車、工業(yè)應(yīng)用相關(guān)的功率應(yīng)用方向。

據(jù)Yole預(yù)計(jì)，到2026年，氮化鎵功率器件市場(chǎng)規(guī)模的復(fù)合年均增長率將高達(dá)70%，呈爆發(fā)態(tài)勢(shì)。其中，電動(dòng)汽車相關(guān)領(lǐng)域的年復(fù)合增長率更是高達(dá)185%。

在這方面，中國或成最大贏家。Canalys最新報(bào)告顯示，在2021年全球汽車市場(chǎng)不景氣，總銷售量?jī)H增長4%的情況下，電動(dòng)汽車銷量卻同比增長109%，至650萬輛。中國作為最重要的推動(dòng)力量，售出320萬輛電動(dòng)汽車，占其中的一半。

如果看產(chǎn)量，勢(shì)頭更強(qiáng)。日本經(jīng)濟(jì)新聞根據(jù)英國調(diào)查公司LMC Automotive數(shù)據(jù)推算的結(jié)果顯示，2021年全球純電動(dòng)汽車產(chǎn)量為399萬輛，中國就生產(chǎn)了229萬輛，占到整體的57.4%。

3、香餑餑

對(duì)于以氮化鎵為代表的第三代半導(dǎo)體發(fā)展，國家鼎力扶持。

“十三五”時(shí)期以來，國家層面的政府部門發(fā)布了多項(xiàng)關(guān)于半導(dǎo)體行業(yè)、半導(dǎo)體材料行業(yè)的支持、引導(dǎo)政策，這些鼓勵(lì)政策涉及減免企業(yè)稅負(fù)、加大資金支持力度、建立產(chǎn)業(yè)研發(fā)技術(shù)體系等等。

在2021年的《中華人民共和國國民經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展第十四個(gè)五年規(guī)劃和2035年遠(yuǎn)景目標(biāo)綱要》中，“碳化硅、氮化鎵等寬禁帶半導(dǎo)體發(fā)展”又被列為項(xiàng)目之一。

除了國家層面的支持政策外，我國地方各級(jí)政府也進(jìn)一步支持氮化鎵產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，支持的方面包括集群培育、科研獎(jiǎng)勵(lì)、人才培育以及項(xiàng)目招商等，各地通過政策將實(shí)質(zhì)性的人、財(cái)、物資源注入，推動(dòng)著各地產(chǎn)業(yè)集聚加速。

資本當(dāng)然不會(huì)錯(cuò)過這場(chǎng)盛宴。

據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，今年上半年，國內(nèi)氮化鎵領(lǐng)域已經(jīng)完成了9家企業(yè)超過50億融資，當(dāng)中英諾賽科2月的D輪融資規(guī)模達(dá)到30億人民幣。同樣主業(yè)為第三代半導(dǎo)體的啟迪半導(dǎo)體以14.3億元被上市公司長飛光纖并購，顯示出這一全新半導(dǎo)體材料所受的高度關(guān)注。

來源：前瞻網(wǎng)