從2年前被小米拿來(lái)當(dāng)做王牌賣(mài)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(wàn)戶(hù)。
事實(shí)上，說(shuō)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(lèi)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(chēng)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(kāi)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(shuō)來(lái)，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(jiàn)，碳化硅功率器件在電動(dòng)汽車(chē)身上越來(lái)越多見(jiàn)，而氮化鎵的應(yīng)用領(lǐng)域更多，先伴隨著家用電器開(kāi)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(lái)——第3代半導(dǎo)體又稱(chēng)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(lèi)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(kāi)始依次向上填充，被填滿(mǎn)的能帶稱(chēng)為滿(mǎn)帶，滿(mǎn)帶中能量最高的一條稱(chēng)為價(jià)帶。由于已經(jīng)擠滿(mǎn)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(méi)有被填滿(mǎn)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(huà)說(shuō)，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(mǎn)帶就像半導(dǎo)體內(nèi)一條擠滿(mǎn)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(chē)道。
如果溝太寬，電子沒(méi)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(lái)，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(guò)來(lái)，禁帶寬的好處有很多。比如和前面說(shuō)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(lái)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(lái)導(dǎo)通速度快、反向恢復(fù)電流小、開(kāi)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(shuō)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(guó)、歐洲、日本、中國(guó)“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(lèi)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(kāi)始通過(guò)國(guó)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(guò)85%。
GaN 外延片相關(guān)企業(yè)主要有比利時(shí)的EpiGaN、英國(guó)的 IQE、日本的 NTT-AT;GaN 器件設(shè)計(jì)廠(chǎng)商方面，美國(guó)的 EPC、MACOM、Transphom，德國(guó)的 Dialog 等為主要參與者;IDM企業(yè)中日本的住友電工與美國(guó)的 Cree 為行業(yè)龍頭，市場(chǎng)占有率均超過(guò) 30%。
相較而言，中國(guó)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(guó)家戰(zhàn)略發(fā)展產(chǎn)業(yè)。
2016年，國(guó)務(wù)院國(guó)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(guó)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(guò)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(lái)不到10億美元，未來(lái)還有很長(zhǎng)一段路要走。
中國(guó)在這方面的底氣，一是來(lái)源于全面的產(chǎn)業(yè)布局。
目前，中國(guó)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(lái)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(chē)、工業(yè)電源、機(jī)車(chē)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(guó)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(guó)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(guó)累計(jì)建成并開(kāi)通5G基站142.5萬(wàn)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(wàn)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(wàn)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(zhǎng)至24億美元，復(fù)合年均增長(zhǎng)率為18%。
更值得關(guān)注的是和電動(dòng)汽車(chē)、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(zhǎng)率將高達(dá)70%，呈爆發(fā)態(tài)勢(shì)。其中，電動(dòng)汽車(chē)相關(guān)領(lǐng)域的年復(fù)合增長(zhǎng)率更是高達(dá)185%。
在這方面，中國(guó)或成最大贏家。Canalys最新報(bào)告顯示，在2021年全球汽車(chē)市場(chǎng)不景氣，總銷(xiāo)售量?jī)H增長(zhǎng)4%的情況下，電動(dòng)汽車(chē)銷(xiāo)量卻同比增長(zhǎng)109%，至650萬(wàn)輛。中國(guó)作為最重要的推動(dòng)力量，售出320萬(wàn)輛電動(dòng)汽車(chē)，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(guó)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(chē)產(chǎn)量為399萬(wàn)輛，中國(guó)就生產(chǎn)了229萬(wàn)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(guó)家鼎力扶持。
“十三五”時(shí)期以來(lái)，國(guó)家層面的政府部門(mén)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(guó)國(guó)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(guó)家層面的支持政策外，我國(guó)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(guò)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(guò)這場(chǎng)盛宴。
據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，今年上半年，國(guó)內(nèi)氮化鎵領(lǐng)域已經(jīng)完成了9家企業(yè)超過(guò)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(zhǎng)飛光纖并購(gòu)，顯示出這一全新半導(dǎo)體材料所受的高度關(guān)注。
來(lái)源：前瞻網(wǎng)