最近熱炒的“氮化鎵”到底是什么？
第三代半導體材料以氮化鎵、碳化硅、氧化鋅、金剛石為代表，是5G時代的主要材料，其中氮化鎵和碳化硅的市場和發(fā)展空間最大。
受到外圍市場和國際環(huán)境的影響，A股近期走勢非常弱，但有一個新概念受到了市場的熱炒，那就是氮化鎵。炒作往往是盲目的，很多人其實根本不知道這是一種什么物質，先科普一下氮化鎵（GaN）。
從化學命名就可以看出，這是由氮和鎵兩種離子組成的一種半導體材料，在物理特性上，其禁帶寬度大于2.2eV，又被稱為寬禁帶半導體材料，也就是國內常說的第三代半導體材料的一種，實際上市場關注的并不只是氮化鎵，而是第三代半導體材料。
根據(jù)媒體的消息，中國正在規(guī)劃將大力支持發(fā)展第三代半導體產(chǎn)業(yè)寫入“十四五”規(guī)劃之中，計劃在2021到2025年的五年之內，舉全國之力，在教育、科研、開發(fā)、融資、應用等等各個方面對第三代半導體發(fā)展提供廣泛支持，以期實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)獨立自主，不再受制于人。
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什么是第三代半導體材料？
第三代是指半導體材料的迭代變化，從第一代、第二代過渡到第三代。第一代半導體材料主要是指以Si、Ge元素為主的半導體，它們是半導體分立器件、集成電路和太陽能(行情000591,診股)電池的基礎材料，但是硅基芯片經(jīng)過長期發(fā)展，已經(jīng)正在逐漸接近材料的極限，硅基器件性能提高的潛力也越來越小。
第二代半導體材料主要是指如砷化鎵、銻化銦等化合物半導體材料，其中以砷化鎵（GaAs）為代表，砷化鎵擁有一些比硅更好的電子特性，可以用在高于250GHz的場合，并且砷化鎵比同樣的硅基器件更適合運用在高功率的場合，可以運用在衛(wèi)星通訊、雷達系統(tǒng)等地方。
第三代半導體材料以氮化鎵（GaN）和碳化硅（SiC）、氧化鋅（ZnO）、金剛石等寬禁帶物質為代表。事實上，三代半導體材料之間的主要區(qū)別就是禁帶寬度。現(xiàn)代物理學描述材料導電特性的主流理論是能帶理論，能帶理論認為晶體中電子的能級可劃分為導帶和價帶，價帶被電子填滿且導帶上無電子時，晶體不導電。
當晶體受到外界能量激發(fā)（如高壓），電子被激發(fā)到導帶，晶體導電，此時晶體被擊穿，器件失效，禁帶寬度代表了器件的耐高壓能力。跟前兩代相比，第三代半導體的禁帶寬度是第一代和第二代半導體禁帶寬度的近3倍，具有更強的耐高壓、高功率能力，更適合于制作高溫、高頻、抗輻射及大功率器件。
第三代半導體材料以氮化鎵（GaN）、碳化硅（SiC）、氧化鋅（ZnO）、金剛石為代表，是5G時代的主要材料，其中氮化鎵（GaN）和碳化硅（SiC）的市場和發(fā)展空間最大。根據(jù)Omdia的《2020年SiC和GaN功率半導體報告》，到2020年底，全球SiC和GaN功率半導體的銷售收入預計8.54億美元。未來十年年均兩位數(shù)增長率，到2029年將超過50億美元。
展開來看，在軍事領域，GaN可用于雷達、電子對抗、導彈和無線通信通，碳化硅（SiC）主要用于噴氣發(fā)動機、坦克發(fā)動機、艦艇發(fā)動機；在民用商業(yè)領域，氮化鎵（GaN）用于基站、衛(wèi)星通信、有線電視、手機充電器等小家電，而碳化硅（SiC）主要用于電動汽車、消費電子、新能源、軌道交通等。
實際上，氮化鎵（GaN）技術并不是一種新的半導體技術，自1990年起就已經(jīng)常被用在發(fā)光二極管中，但成本昂貴。從制造工藝上來說，氮化鎵沒有液態(tài)，不能使用單晶硅生產(chǎn)工藝的傳統(tǒng)直拉法拉出單晶，需要純靠氣體反應合成，而氮氣性質非常穩(wěn)定，鎵又是非常稀有的金屬（鎵是伴生礦，沒有形成集中的鎵礦，主要從鋁土礦中提煉，成本比較高），而且兩者反應時間長，速度慢，反應產(chǎn)生的副產(chǎn)物多。生產(chǎn)氮化鎵對設備要求又苛刻，技術復雜，產(chǎn)能極低，眾多因素疊加影響導致氮化鎵單晶材料很貴。
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產(chǎn)業(yè)鏈的現(xiàn)狀和格局
半導體芯片結構分為襯底、外延和器件結構。襯底通常起支撐作用，外延為器件所需的特定薄膜，器件結構即利用光刻刻蝕等工序加工出具有一定電路圖形的拓撲結構。第三代半導體目前主流器件形式為碳化硅基-碳化硅外延功率器件、碳化硅基-氮化鎵外延射頻器件。
值得關注的一點是，目前主流氮化鎵器件公司大多都采用碳化硅襯底，因為基于碳化硅襯底的氮化鎵器件比硅襯底氮化鎵器件性能更好，良率更高，更能體現(xiàn)氮化鎵材料優(yōu)勢。
例如，以碳化硅為襯底的氮化鎵射頻器件同時具備了碳化硅的高導熱性能和氮化鎵在高頻段下大功率射頻輸出的優(yōu)勢，突破了砷化鎵和硅基LDMOS器件的固有缺陷，能夠滿足5G通訊對高頻性能和高功率處理能力的要求，碳化硅基氮化鎵射頻器件已逐步成為5G功率放大器尤其宏基站功率放大器的主流技術路線。根據(jù)Yole的統(tǒng)計，碳化硅襯底材料市場規(guī)模將從2018年的1.21億美金增長到2024年的11億美金，復合增速達44%。按照該復合增速，2027年碳化硅襯底材料市場規(guī)模將達到約33億美金。
高技術門檻導致第三代半導體材料市場被日美歐寡頭壟斷，全球SiC制造廠商主要是英飛凌、Cree和Rohm，三家企業(yè)占據(jù)90%的碳化硅市場份額。以導電型產(chǎn)品為例，2018年美國占有全球碳化硅晶片產(chǎn)量的70%以上，僅CREE公司就占據(jù)一半以上市場份額，剩余份額大部分被日本和歐洲的其他碳化硅企業(yè)占據(jù)。
國內開展SiC、GaN材料和器件方面的研究工作比較晚，與國外相比水平較低，阻礙國內第三代半導體研究進展的重要因素是原始創(chuàng)新問題。雖然相對落后，但目前國內還是形成了相對完整的產(chǎn)業(yè)鏈體系，在氮化硅領域，從事襯底片的國內廠商主要有露笑科技(行情002617,診股)、三安光電(行情600703,診股)、天科合達、山東天岳等；從事碳化硅外延生長的廠商主要有瀚天天成和東莞天域等；從事碳化硅功率器件的廠商較多，包括華潤微(行情688396,診股)、揚杰科技(行情300373,診股)、泰科天潤、綠能芯創(chuàng)、上海詹芯等。在氮化鎵領域，盡管碳化硅被更多地作為襯底材料，但國內仍有從事氮化鎵單晶生長的企業(yè)，主要有蘇州納維、東莞中鎵、上海鎵特和芯元基等，從事氮化鎵外延片的國內廠商主要有三安光電、賽微電子(行情300456,診股)、海陸重工等，從事氮化鎵器件的廠商主要有三安光電、聞泰科技(行情600745,診股)、賽微電子、聚燦光電(行情300708,診股)、乾照光電(行情300102,診股)等。
第三代半導體正處于發(fā)展初期，國內和國際巨頭基本處于同一起跑線，這是中國追趕國外的契機。此外，第三代半導體工藝產(chǎn)線對設備要求低，所以第三代半導體工廠的投資額度大約只有第一代硅基半導體的五分之一，難點不在設備、不在邏輯電路設計，而在于工藝，而工藝開發(fā)具有偶然性，相比較邏輯芯片難度降低，這對于本土企業(yè)來說都是利好消息。
《每日財報》認為，目前從事第三代化合物半導體最好的商業(yè)模式是IDM模式，重點關注士蘭微(行情600460,診股)、揚杰科技，其次，從工藝看，最受益的是半導體代工廠，華潤微電子是一個不錯的標的。