第三代半导体材料爆发！氮化镓站上最强风口

随着市场对半导体性能的要求不断提高，第三代半导体等新型化合物材料凭借其性能优势开始崭露头角，成为行业未来重要增长点。

相对于第一代（硅基）半导体，第三代半导体禁带宽度大，电导率高、热导率高。第三代半导体的禁带宽度是第一代和第二代半导体禁带宽度的近3倍，具有更强的耐高压、高功率能力。

氮化镓(GaN)和碳化硅(SiC)并称为第三代半导体材料的双雄，由于性能不同，二者的应用领域也不相同。

氮化镓、高电流密度等优势，可显著减少电力损耗和散热负载，迅速应用于变频器、稳压器、变压器、无线充电等领域，是未来最具增长潜质的化合物半导体。

与GaAs和InP等高频工艺相比，氮化镓器件输出的功率更大；与LDCMOS和SiC等功率工艺相比，氮化镓的频率特性更好。

随着行业大规模商用，GaN生产成本有望迅速下降，进一步刺激GaN器件渗透，有望成为消费电子领域下一个杀手级应用。

GaN主要应用于生产功率器件，目前氮化镓器件有三分之二应用于军工电子，如军事通讯、电子干扰、雷达等领域。

在民用领域，氮化镓主要被应用于通讯基站、功率器件等领域。氮化镓基站PA的功放效率较其他材料更高，因而能节省大量电能，且其可以几乎覆盖无线通讯的所有频段，功率密度大，能够减少基站体积和质量。

氮化镓在光电子、高温大功率器件和高频微波器件应用方面有着广阔的前景。随着5G高频通信的商业化，GaN将在电信宏基站、真空管在雷达和航空电子应用中占有更多份额。

根据Yole估计，大多数Sub 6GHz的蜂窝网络都将采用氮化镓器件，因为LDMOS无法承受如此之高的频率，而砷化镓对于高功率应用又非理想之选。

同时，由于较高的频率会降低每个基站的覆盖范围，需要安装更多的晶体管，因此市场规模将迅速扩大。

Yole预测，GaN器件收入目前占整个市场20%左右，到2025年将占到50%以上，氮化镓功率器件规模有望达到4.5亿美元。

从产业链方面来看，氮化镓分为衬底、外延片和器件环节。

尽管碳化硅被更多地作为衬底材料（相较于氮化镓），国内仍有从事氮化镓单晶生长的企业，主要有苏州纳维、东莞中镓、上海镓特和芯元基等。

从事氮化镓外延片的国内厂商主要有三安光电、赛微电子、海陆重工、晶湛半导体、江苏能华、英诺赛科等。

从事氮化镓器件的厂商主要有三安光电、闻泰 科技 、赛微电子、聚灿光电、乾照光电等。

GaN技术的难点在于晶圆制备工艺，欧美日在此方面优势明显。由于将GaN晶体熔融所需气压极高，须采用外延技术生长GaN晶体来制备晶圆。

其中日本住友电工是全球最大GaN晶圆生产商，占据了90%以上的市场份额。GaN全球产能集中于IDM厂商，逐渐向垂直分工合作模式转变。美国Qorvo、日本住友电工、中国苏州能讯等均以IDM模式运营。

近年来随着产品和市场的多样化，开始呈现设计业与制造业分工的合作模式。

尤其在GaN电力电子器件市场，由于中国台湾地区的台积电公司和世界先进公司开放了代工产能，美国Transphorm、EPC、Navitas、加拿大GaN Systems等设计企业开始涌现。

在射频器件领域，目前LDMOS（横向扩散金属氧化物半导体）、GaAs（砷化镓）、GaN（氮化镓）三者占比相差不大，但据Yoledevelopment预测，至2025年，砷化镓市场份额基本维持不变的情况下，氮化镓有望替代大部分LDMOS份额，占据射频器件市场约50%的份额。

GaAs芯片已广泛应用于手机/WiFi等消费品电子领域，GaN PA具有最高功率、增益和效率，但成本相对较高、工艺成熟度略低，目前在近距离信号传输和军工电子方面应用较多。

经过多年的发展，国内拥有昂瑞微、华为海思、紫光展锐、卓胜微、唯捷创芯等20多家射频有源器件供应商。

根据2019年底昂瑞微董事长发表的题为《全球5G射频前端发展趋势和中国公司的应对之策》的报告显示，截至报告日，国内厂家在2G/3G市场占有率高达95%；在4G方面有30%的占有率，产品以中低端为主，销售额占比仅有10%。

目前我国半导体领域为中美 科技 等领域摩擦中的卡脖子方向，是中国 科技 崛起不可回避的环节，产业链高自主、高可控仍是未来的重点方向。第三代半导体相对硅基半导体偏低投入、较小差距有望得到重点支持，并具备弯道超车的可能。

氮化镓（GAN)是什么？氮化镓（GAN）是第三代半导体材料的典型代表，在T=300K时为，是半导体照明中发光二极管的核心组成部份。氮化镓是一种人造材料，自然形成氮化镓的条件极为苛刻，需要2000多度的高温和近万个大气压的条件才能用金属镓和氮气合成为氮化镓 ，在自然界是不可能实现的。大家都知道，第一代半导体材料是硅，主要解决数据运算、存储的问题；第二代半导体是以砷化镓为代表，它被应用到于光纤通讯，主要解决数据传输的问题；第三代半导体则就是以氮化镓为代表，它在电和光的转化方面性能突出，在微波信号传 输方面的效率更高，所以可以被广泛应用到照明、显示、通讯等各大领域。1998年，美国科学家研制出了首个氮化镓晶体管。氮化镓（GAN)的性能特点高性能：主要包括高输出功率、高功率密度、高工作带宽、高效率、体积小、重量轻等。目前第一代和第二代半导体材料在输出功率方面已经达到了极限，而GaN半导体由于在热稳定性能方面的优势，很容易就实现高工作脉宽和高工作比，将天线单 元级的发射功率提高10倍。高可靠性：功率器件的寿命与其温度密切相关，温结越高，寿命越低。GaN材料具有高温结和高热传导率等特性，极大的提高了器件在不同温度下的适应性和可靠性。GaN器件可以用在650°C以上的军用装备中。低成本：GaN半导体的应用，能够有效改善发射天线的设计，减少发射组件的数目和放大器的级数等，有效降低成本。目前GaN已经开始取代GaAs作为新型雷达和干扰机的T/R（收/发）模块电子器件材料。美军下一代的AMDR（固态有源相控阵雷达） 便采用了GaN半导体。氮化镓禁带宽度大、击穿电压高、热导率大、电子饱和漂移速度高、抗辐射能力强和良好的化学稳定性等优越性质，使得它成为迄今理论上电光、光电转换效率最高的材料体系，并可以成为制备宽波谱、高功率、高效率的微电 子、电力电子、光电子等器件的关键基础材料。GaN较宽的禁带宽度(3.4eV) 及蓝宝石等材料作衬底，散热性能好，有利于器件在大功率条件下工作。随着对Ⅲ族氮化物材料和器件研究与开发工作的不断深入，GaInN超高度蓝光、绿光LED技术已经实现商品化，现在世界各大公司和研究机构都纷纷 投入巨资加入到开发蓝光LED的竞争行列。氮化镓的应用氮化镓作为半导体发光二极管应用于LED照明也已经在中国发展得风起云涌。目前市场上大规模应用于LED照明的氮化镓芯片距离氮化镓真正的“神奇能量”还相距甚远。GaN半导体可以使得汽车、消费电子、电网、高铁等产业系统所使用的各类电机、 逆变器、AC/DC转换器等变得更加节能、高效。GaN用在大功率器件中可以降低自身功耗的同时提高系统其它部件的能效，节能20%-90%。氮化镓的未来发展GaN宽禁带电力电子器件代表着电力电子器件领域发展方向，材料和工艺都存在许多问题有待解决，即使这些问题都得到解决，它们的价格肯定还是比硅基贵。预计到2019年，硅基GaN的价格可能下降到可与硅材料相比拟的水平。由于它们的优异特 性可能主要用于中高端应用，与硅全控器件不可能全部取代硅半控器件一样，SiC和GaN宽禁带电力电子器件在将来也不太可能全面取代硅功率MOSFET、IGBT和GTO(包括IGCT)。SiC电力电子器件将主要用于1200V以上的高压工业应用领域；GaN电力电 子器件将主要用于900V以下的消费电子、计算机/服务器电源应用领域。GaN作为第三代半导体材料，其性质决定了将更适合4G乃至未来5G等技术的应用。从现在的市场状况来看，GaAs仍然是手机终端PA和LNA等的主流，而LDMOS则处于基站RF的霸主地位。但是，伴随着Si材料和GaAs材料在性能上逐步达到极限，我们预计 GaN半导体将会越来越多的应用在无线通信领域中。

第三代半导体是以碳化硅(SiC) 、氮化镓(GaN) 为主的半导体材料，与第一代、第二代半导体材料（SI、CaAs）不同，第三代半导体材料具有高频、高效、高功率、耐高压、抗辐射等诸多优势特性，在5G、新能源汽车、消费电子、新一代显示、航空航天等领域有重要应用。目前主要应用在5G、新能源车、充电桩、光伏、轨道交通等领域的核心部件上，而以上领域都是国家重点发展的方向。

在第一代和第二代半导体材料的发展上，我国由于起步时间远远落后，导致在材料供应上受制于人。但在第三代半导体材料领域，国内厂商起步与国外厂商相差不多，且渗透率较低，国产替代空间巨大，在“十四五”等国家政策的密集推动下，国内厂商有望实现技术弯道超车。

第一代半导体材料以硅（Si）、锗（Ge）为代表，该类材料产业链较为成熟，技术储备完善且制作成本较低，目前主要应用于大规模集成电路中；

第二代半导体材料以砷化镓（GaAs）和磷化铟（InP）为代表，在物理结构上具备直接带隙的特点，相对于 Si 材料具有光电性能佳、工作频率高，抗高温、抗辐射等优势，适用于制作高速高频、大功率及发光电子器件，是制作高性能微波、毫米波器件及发光器件的优良材料，广泛运用于移动通讯、卫星通讯、光通讯和 GPS 导航等领域；

第三代半导体指以氮化镓（GaN）、碳化硅（SiC）为代表的化合物半导体，还包括氧化锌（ZnO）和金刚石该类半导体材料禁带宽度大于或等于 2.2eV，因此也被称为宽禁带半导体材料

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