什么是氮化鎵？氮化鎵何以占據(jù)C位？

氮化鎵，分子式GaN，英文名稱Gallium nitride，是氮和鎵的化合物，是一種直接能隙（direct bandgap）的半導(dǎo)體，自1990年起常用在發(fā)光二極管中。此化合物結(jié)構(gòu)類似纖鋅礦，硬度很高。氮化鎵的能隙很寬，為3.4電子伏特，可以用在高功率、高速的光電元件中，例如氮化鎵可以用在紫光的激光二極管，可以在不使用非線性半導(dǎo)體泵浦固體激光器（Diode-pumped solid-state laser）的條件下，產(chǎn)生紫光（405nm）激光。

氮化鎵自出生以來南征北戰(zhàn)，無論是PK碳化硅（SiC）還是吊打砷化鎵（GaAs），作為第三代半導(dǎo)體材料的GaN優(yōu)勢凸顯。由于禁帶寬度大、導(dǎo)熱率高，GaN器件可在200℃以上的高溫下工作，能夠承載更高的能量密度，可靠性更高；其較大的禁帶寬度和絕緣破壞電場，使得器件導(dǎo)通電阻減少，有利于提升器件整體的能效；且電子飽和速度快，以及較高的載流子遷移率，可讓器件高速地工作。

同為第三代半導(dǎo)體材料，相比于SiC，GaN之所以更受寵主要是兩個(gè)因素：

（1）GaN在成本控制方面顯示出了更強(qiáng)的潛力。目前主流的GaN技術(shù)廠商都在研發(fā)以Si為襯底的GaN的器件，來替代昂貴的SiC襯底。有分析預(yù)測，到2019年GaN MOSFET的成本將與傳統(tǒng)的Si器件相當(dāng)，并且GaN技術(shù)對于供應(yīng)商來說是一個(gè)非常有吸引力的市場機(jī)會(huì)，它可以向它們的客戶提供目前半導(dǎo)體工藝材料可能無法企及的性能。

（2）再者，由于GaN器件是個(gè)平面器件，與現(xiàn)有的Si半導(dǎo)體工藝兼容性強(qiáng)，這使其更容易與其他半導(dǎo)體器件集成。

Yole Developpement功率電子暨化合物半導(dǎo)體事業(yè)單位經(jīng)理PierricGueguen認(rèn)為，碳化硅主要適用于600V以上的高功率應(yīng)用，氮化鎵則適用于200~600V中功率應(yīng)用。根據(jù)Yole的預(yù)測，到2020年氮化鎵將進(jìn)一步往600~900V發(fā)展，屆時(shí)GaN勢必會(huì)與碳化硅產(chǎn)生競爭關(guān)系。

2014年，日本名古屋大學(xué)和名城大學(xué)教授赤崎勇、名古屋大學(xué)教授天野浩和美國加州大學(xué)圣塔芭芭拉分校教授中村修二因發(fā)明藍(lán)光LED而獲的當(dāng)年的諾貝爾物理獎(jiǎng)。其中氮化鎵正是推動(dòng)了藍(lán)光LED向前發(fā)展的重要新型材料。至此，氮化鎵在確立了其在光電領(lǐng)域的重要地位。

除了LED，氮化鎵也被使用到了功率半導(dǎo)體與射頻器件上。基于氮化鎵的功率芯片正在市場站穩(wěn)腳跟。氮化鎵(GaN)功率半導(dǎo)體技術(shù)和模塊式設(shè)計(jì)的進(jìn)步，使得微波頻率的高功率連續(xù)波(CW)和脈沖放大器成為可能。

中國積極布局第三代半導(dǎo)體材料

最近幾年，我國正在大力發(fā)展集成電路產(chǎn)業(yè)，第三代半導(dǎo)體作為下一代電子產(chǎn)品的重要材料和元件，自然也受到了重點(diǎn)關(guān)注。

2015年5月，國務(wù)院印發(fā)了《中國制造2025》。其中，4次提到了以碳化硅、氮化鎵為代表的第三代半導(dǎo)體功率器件。

2016.09科技部立項(xiàng)國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃“戰(zhàn)略性先進(jìn)電子材料”重點(diǎn)專項(xiàng)---面向下一代移動(dòng)通信的GaN基射頻器件關(guān)鍵技術(shù)及系統(tǒng)應(yīng)用”， 該項(xiàng)目旨在針對5G通信需求，建立開放的工藝代工線，實(shí)現(xiàn)從高效率器件到超寬帶電路設(shè)計(jì)等系列自主可控的GaN基射頻器件和電路成套技術(shù)；建立“產(chǎn)學(xué)研用”協(xié)同創(chuàng)新產(chǎn)業(yè)鏈，實(shí)現(xiàn)GaN器件與電路在通信系統(tǒng)的應(yīng)用，推動(dòng)我國第三代半導(dǎo)體在射頻功率領(lǐng)域的可持續(xù)發(fā)展。

2018年7月，國內(nèi)首個(gè)《第三代半導(dǎo)體電力電子技術(shù)路線圖》正式發(fā)布。路線圖主要從襯底/外延/器件、封裝/模塊、SiC應(yīng)用、GaN應(yīng)用等四個(gè)方面展開論述，提出了中國發(fā)展第三代半導(dǎo)體電力電子技術(shù)的路徑建議和對未來產(chǎn)業(yè)發(fā)展的預(yù)測。

到目前為止，國內(nèi)已有四條4/6英寸SiC生產(chǎn)/中試線和三條GaN生產(chǎn)/中試線相繼投入使用，并在建多個(gè)與第三代半導(dǎo)體相關(guān)的研發(fā)中試平臺(tái)。

在GaN襯底方面，國內(nèi)已經(jīng)小批量生產(chǎn)2英寸襯底，具備4英寸襯底生產(chǎn)能力，并開發(fā)出6英寸襯底樣品。國內(nèi)可提供相關(guān)產(chǎn)品的企業(yè)有：納維科技、中鎵半導(dǎo)體。

那么國內(nèi)都有哪些氮化鎵的供應(yīng)商？

根據(jù)RESEARCH AND MARKETS發(fā)布的“氮化鎵半導(dǎo)體器件市場2023年全球預(yù)測”稱，氮化鎵器件市場預(yù)計(jì)將從2016年的165億美元，增長至2023年的224.7億美元，年復(fù)合增長率為4.51%。GaN產(chǎn)業(yè)鏈包括上游的材料（襯底和外延）、中游的器件和模組、下游的系統(tǒng)和應(yīng)用。在國內(nèi)GaN逐步擴(kuò)大的市場帶動(dòng)下，上、中、下游各環(huán)節(jié)均開始出現(xiàn)大批廠商。

GaN襯底供應(yīng)商

1 納維科技

2 東莞中鎵

GaN外延供應(yīng)商

3 蘇州晶湛

4 聚能晶源

5 世紀(jì)金光

GaN射頻器件供應(yīng)商

6 中晶半導(dǎo)體

7 英諾賽科

8 三安集成

9 蘇州能訊

GaN電子電力器件供應(yīng)商

10 江蘇能華

11 江蘇華功

12 大連芯冠

13 蘇州捷芯威

GaN功率器件供應(yīng)商

14 華潤微電子

15 杭州士蘭微

GaN光電供應(yīng)商

16 三安光電

17 中蕊光電

18 聚芯光電

19 晶能光電

GaN代工供應(yīng)商

20 海威華芯

氮化鎵的難度比外界想象的大很多，國內(nèi)氮化鎵材料的發(fā)展難題主要有以下幾點(diǎn)：

一是在技術(shù)上，寬禁帶功率半導(dǎo)體面臨的技術(shù)難題很多，如襯底材料的完整性、外延層及歐姆接觸的質(zhì)量、工藝穩(wěn)定性、器件可靠性以及成本控制等，寬禁帶功率半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)化的難度比外界想象的要大很多。

二是在生態(tài)環(huán)境假設(shè)上。5G移動(dòng)通信、電動(dòng)汽車等是寬禁帶半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)最具有爆發(fā)性增長潛力的應(yīng)用領(lǐng)域，國內(nèi)在產(chǎn)業(yè)生態(tài)的成熟度上與國外的差距還比較明顯，落后程度更甚于技術(shù)層面的落后程度。產(chǎn)業(yè)鏈上下游協(xié)同不足，尚未解決材料“能用-可用-好用”發(fā)展過程中的問題和障礙。

雖然目前我國在一些GaN領(lǐng)域取得了關(guān)鍵性突破，但是與國際領(lǐng)先水平相比，我國在第三代半導(dǎo)體襯底、外延材料、器件的整體技術(shù)水平落后3年左右。在GaN領(lǐng)域缺少原始創(chuàng)新的專利，仍需要積極引進(jìn)國外優(yōu)秀技術(shù)人才，多方面借鑒國外發(fā)展經(jīng)驗(yàn)，逐步提升國內(nèi)技術(shù)水平。

GaN作為新一代半導(dǎo)體材料，對于芯片和器件的制備，半導(dǎo)體行業(yè)特點(diǎn)突出，是否具備高良率，是否具備商業(yè)化價(jià)值是衡量企業(yè)的另一關(guān)鍵要素。國內(nèi)要想發(fā)展GaN，就要依靠自主研發(fā)，實(shí)現(xiàn)技術(shù)突破。當(dāng)前我國第3代半導(dǎo)體材料研發(fā)與國外差距不大，如果通過產(chǎn)業(yè)鏈協(xié)同創(chuàng)新，完全有可能實(shí)現(xiàn)彎道超車，打破半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)受制于人的被動(dòng)局面。