從2年前被小米拿來當做王牌賣點大肆宣傳的“新貴”，到現在幾乎成為新產品的標配，氮化鎵在短時間內普及到了千家萬戶。

事實上，說氮化鎵材料是“新貴”不太貼切，早在30年前，這種材料就已經被用在半導體上。

1、搭橋鋪路

導體行業(yè)發(fā)展近百年，已經經歷了3代半導體晶圓材料的革新。第1代半導體是鍺和硅;第2代半導體以砷化鎵、磷化銦為代表;氮化鎵則屬于第3代半導體材料，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代半導體材料，被稱為第3代半導體的“雙子星”。

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

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

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

那么，比起第1代和第2代半導體，第3代半導體的進步在哪里呢?

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

先簡單科普一下“禁帶”的概念。

初中化學內容：一個物體能否導電以及導電能力強不強，取決于其能否產生自由流動的電子以及產生自由電子的能力。金屬類元素的原子核對外層電子的束縛能力較弱，因此表現為良導體;非金屬元素原子核對于外層電子束縛能力強，因此外層電子不能自由流動，成為了絕緣體。

而半導體在二者之間——它本身不導電，但是在一定的狀況下，比如摻進雜質后，就可以導電。

在固體中，原子外的電子會分成不同能級，當原子間相互作用導致能級移動時，就產生了一組差別很小的能級，也就是能帶。其中，電子從最低能級開始依次向上填充，被填滿的能帶稱為滿帶，滿帶中能量最高的一條稱為價帶。由于已經擠滿了電子，可以認為價帶中的電子是不導電的

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

簡單打個比方，滿帶就像半導體內一條擠滿電子的公路A，導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，交通就會立刻順暢起來，這就是金屬。半導體就是在公路A和公路B之間搭了一座升降橋，實現電子可控地移動。

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

更關鍵的是，這種情況是不可逆的，所有電子成為自由電子后，化學鍵就破裂了，材料本身發(fā)生了變性。一旦化學鍵破裂，就會和環(huán)境中的其他原子，例如氧，形成新的化學鍵，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，意味著這個材料本身越難成為導體，可以承受的電壓也就越高，用它制作半導體器件也就能承受更高的功率和溫度。

進而，相對于原來的硅器件，同樣電壓等級下，寬禁帶半導體的die(從晶圓上切割下的芯片)可以做得更小，從而讓干擾半導體元件性能的寄生參數更小，發(fā)熱更小。寄生參數小則帶來導通速度快、反向恢復電流小、開關損耗小、承受溫度高等優(yōu)勢。

指標上可以看出，第3代半導體幾乎全面領先硅和砷化鎵：

2、年增70%的產業(yè)

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

在這方面，目前處于美國、歐洲、日本、中國“四足鼎立”狀態(tài)。

氮化鎵產業(yè)鏈和傳統(tǒng)半導體產業(yè)類似，包括原材料→器件制造→應用三大環(huán)節(jié)，器件又可以細分成IC設計→芯片制造→芯片封裝3個小環(huán)節(jié)。

美日歐從2000年就開始通過國家級創(chuàng)新中心、聯合研發(fā)等形式，搶占第三代半導體技術的戰(zhàn)略制高點。

目前，日本在襯底方面處于絕對領先態(tài)勢。住友電工、三菱化學、住友化學等，三家日商合計市場份額超過85%。

GaN 外延片相關企業(yè)主要有比利時的EpiGaN、英國的 IQE、日本的 NTT-AT;GaN 器件設計廠商方面，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，市場占有率均超過 30%。

相較而言，中國第三代半導體興起的時間較短。在緩慢孵化數年后，2013年，科技部863計劃才首次將第三代半導體產業(yè)列為國家戰(zhàn)略發(fā)展產業(yè)。

2016年，國務院國家新產業(yè)發(fā)展小組將第三半導體產業(yè)列為發(fā)展重點。這時候，中國才進入“第三代半導體發(fā)展元年”。

但是，這個產業(yè)實在太新了，新到還談不上先進落后。

Yole研究顯示，到2020年，氮化鎵功率器件的整體市場規(guī)模只不過是0.46億美元，射頻器件市場規(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業(yè)布局。

目前，中國企業(yè)已經全面覆蓋了這些環(huán)節(jié)，比如在射頻領域，GaN襯底生產有維微科技、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涉足多環(huán)節(jié)，力圖形成全產業(yè)鏈公司。

二是來源于下游應用市場在本土的前景。

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

此外，氮化鎵的高效電能轉換特性，能夠幫助實現光伏、風電(電能生產)，直流特高壓輸電(電能傳輸)，新能源汽車、工業(yè)電源、機車牽引、消費電源(電能使用)等領域的電能高效轉換，助力“碳達峰，碳中和”目標實現。

上述這些，全都是國內正在高速發(fā)展的產業(yè)，且在不少領域擁有體量或技術優(yōu)勢，其勢必會倒逼國內氮化鎵產業(yè)的進步。

在其他方面，截至2021年底，我國累計建成并開通5G基站142.5萬個，占全球60%以上。前瞻產業(yè)研究院預計，到2025年，預計累計建設的5G基站數目約在500萬站，到2030年，預計5G宏基站和小基站新建數量合計可達1000萬站。

在這方面，Yole預計，氮化鎵射頻器件的市場規(guī)模預計能在2026年增長至24億美元，復合年均增長率為18%。

更值得關注的是和電動汽車、工業(yè)應用相關的功率應用方向。

據Yole預計，到2026年，氮化鎵功率器件市場規(guī)模的復合年均增長率將高達70%，呈爆發(fā)態(tài)勢。其中，電動汽車相關領域的年復合增長率更是高達185%。

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

如果看產量，勢頭更強。日本經濟新聞根據英國調查公司LMC Automotive數據推算的結果顯示，2021年全球純電動汽車產量為399萬輛，中國就生產了229萬輛，占到整體的57.4%。

3、香餑餑

對于以氮化鎵為代表的第三代半導體發(fā)展，國家鼎力扶持。

“十三五”時期以來，國家層面的政府部門發(fā)布了多項關于半導體行業(yè)、半導體材料行業(yè)的支持、引導政策，這些鼓勵政策涉及減免企業(yè)稅負、加大資金支持力度、建立產業(yè)研發(fā)技術體系等等。

在2021年的《中華人民共和國國民經濟和社會發(fā)展第十四個五年規(guī)劃和2035年遠景目標綱要》中，“碳化硅、氮化鎵等寬禁帶半導體發(fā)展”又被列為項目之一。

除了國家層面的支持政策外，我國地方各級政府也進一步支持氮化鎵產業(yè)的發(fā)展，支持的方面包括集群培育、科研獎勵、人才培育以及項目招商等，各地通過政策將實質性的人、財、物資源注入，推動著各地產業(yè)集聚加速。

資本當然不會錯過這場盛宴。

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

來源：前瞻網