一文讀懂第三代半導體材料——氮化鎵的產業現狀與發展趨勢

半導體材料是半導體產業發展的基礎，20世紀30年代才被科學界所認可。隨著半導體產業的發展，半導體材料也從一代、二代發展到現在的第三代。本文著重分析第三代半導體材料之一氮化鎵產業現狀和發展趨勢。

5G通訊的革命性轉變重塑了射頻技術產業，也為氮化鎵射頻器帶來重大的市場機遇。第三代半導體具備耐高壓、高頻、高效、耐高溫、抗輻射能力強等優越性能，是支撐新一代信息技術、節能減排和智能製造的“核芯”。美國、日本和歐洲各國已經進行戰略部署，我國經過20年的發展，已經成為以半導體照明為主體的第三代半導體產業大國，近10年平均產值年增長率保持30%以上。

國家政策支持

最早《中國製造2025》計劃中明確提出要大力發展第三代半導體產業。2016年，國務院印發《“十三五”國家科技創新規劃》，第三代半導體被列為國家科技創新2030重大項目“重點材料研發及應用”方向之一。

2017年，北京、江蘇、山東和廣東等地陸續出臺促進化合物半導體發展的62項相關政策。地方政府出臺“十三五規劃”、“重點研發計劃”、“科技創新規劃”中涉及第三代半導體條款的政策有30條。

國內已經形成了第三代半導體產業發展的聚集區：京津冀、長三角、珠三角、和閩三角。政策支持新興高技術產業發展對當地經濟結構調整、產業轉型升級起到積極的促進作用。我國在該領域已經迎來了從追趕到超越的歷史機遇。

氮化鎵專利中國專利量佔全球的23%

全球範圍內，氮化鎵專利申請量排名前四的國家及地區是日本、中國、美國、韓國、中國臺灣，其中中國專利量佔全球的23%。主要機構包括：中科院、西安電子科技大學、中國電子科技集團等。這些專利佈局主要集中在發光二極管、激光二極管、場效應晶體管、電極等電子器件領域以及沉積方法、外延生長等加工工藝上。如表1所示。

表1 氮化鎵領域重點機構技術佈局

在電力電子領域，美國的產業鏈整體技術實力雄厚，歐洲主要集中在外延環節，亞洲企業在材料環節具有優勢，日本信越、富士電機和臺灣漢磊等在襯底和外延方面表現優異。

射頻微波領域，全球有超過30家企業從事氮化鎵半導體的研發，其中，實現商業化量產的企業僅有10家左右。美國、歐洲和日本在軍事雷達和無線基站通信領域的技術世界領先。歐洲聚焦於5G通信，技術創新能力強。日本在氮化鎵射頻領域的研發應用多以民用為主，軍用為輔。

半導體照明領域，日亞化學的LED芯片技術領先，德國歐司朗、荷蘭飛利浦、韓國三星等在封裝方面技術實力雄厚，中國木林森在全球LED分裝方面營收排入前十。

在激光器方面，位於國際前列的企業為日本日亞、德國歐司朗。日本住友電工、日立電纜等企業在襯底材料方面技術儲備深厚，而美國kyma公司、法國lumilog公司已經實現了2英寸氮化鎵襯底的產業化開發。

在探測器方面，韓國Genicom公司和日本Kyosemi公司可批量供應氮化鎵紫外探測器。Genicom公司已經推出了多款氮化鎵紫外探測器模塊化應用產品。更多重點企業及格局分佈見表2。

表2 第三代半導體材料氮化鎵生產企業格局

氮化鎵單晶材料，蘇州納維、東莞中鎵具備2~4英寸襯底材料的供貨能力。氮化鎵電力電子材料和器件方面，蘇州能訊、蘇州晶湛、江蘇能華、杭州士蘭微、江蘇華功均已進入佈局。氮化鎵射頻器件以高頻、高效、大功率的特點廣泛應用於雷達、電子戰等軍工領域，在解決國家重大安全需求上發揮了關鍵作用。臺積電和穩懋是目前國內企業代工的主要平臺，三安光電、蘇州能訊已經佈局，而中電13所、55所、29所(海特高新)已經在軍用領域佔據優勢。中電13所已形成系列化氮化鎵微波功率器件和MMIC產品，已被華為、中興採用進行基站的研發。

5G通訊和半導體照明推動市場增長

5G通訊的革命性轉變重塑了射頻技術產業，也為氮化鎵射頻器帶來重大的市場機遇。5G應用的頻段數將達到50個以上，全球移動通訊網絡支持的頻段總數將超過90個。5G技術的高速率、低延遲特性對射頻通信器件的功率、頻率範圍、傳輸效率及傳輸可靠性等提出了新的要求，這將促進氮化鎵半導體材料市場的快速發展。

2016年我國半導體照明產業產值5216億元，較2015年增長了22.8%，我國已經成為全球最大的半導體生產地，國內半導體照明相關企業超過3萬家。而氮化鎵襯底的發展將進一步提升LED性能。很多廠商已經開始研究氮化鎵襯底應用於聚光照明和汽車照明，現在發展的障礙是由於價格原因。

2017年，氮化鎵器件市場銷售額達到20.8億元，增速達到32.3%。氮化鎵基LED由於應用市場較為成熟，佔比高達70.0%;而在射頻通信和功率器件領域，雖然氮化鎵器件性能優勢明顯，但是由於價格始終居高不下，市場滲透率較低，合計佔比不到30%，如圖1。

圖1 氮化鎵器件市場應用結構(億元)

國內投資熱度高漲

近幾年，國內投資熱度高漲。根據第三代半導體產業技術創新戰略聯盟的統計，僅僅2017年一年，投產氮化鎵材料相關項目金額已經超過19億元。益豐電子6英寸硅基氮化鎵晶圓生產線項目涵蓋硅基氮化鎵後道封裝測試線和晶圓生產工藝線。奧瑞德投資14億元用於氮化鎵工藝技術及後端分裝項目，北大青鳥投資5億建設氮化鎵晶圓片，年產量可達10萬片，年利潤2億元，將填補國內自支撐氮化鎵晶圓片的空白。

在政策和市場的雙重推動下，第三代半導體材料氮化鎵產業發展迅速。從研發角度看，中國專利量佔全球的23%，排名第二，但美日歐產業化技術領先，軍民兩用是國內氮化鎵材料的產業化特色，我國發展氮化鎵半導體照明產業具有巨大的優勢。預計未來，5G通訊和半導體照明將推動市場高速增長。

在巨大優勢和光明前景的刺激下，目前全球各國均在加大馬力佈局第三代半導體領域。當前我國發展第三代半導體面臨的機遇非常好，因為過去十年，在半導體照明的驅動下，氮化鎵無論是材料和器件成熟度都已經大大提高，但第三代半導體在電力電子器件、射頻器件方面還有很長的路要走。