一文读懂第三代半导体材料——氮化镓的产业现状与发展趋势

半导体材料是半导体产业发展的基础，20世纪30年代才被科学界所认可。随着半导体产业的发展，半导体材料也从一代、二代发展到现在的第三代。本文着重分析第三代半导体材料之一氮化镓产业现状和发展趋势。

5G通讯的革命性转变重塑了射频技术产业，也为氮化镓射频器带来重大的市场机遇。第三代半导体具备耐高压、高频、高效、耐高温、抗辐射能力强等优越性能，是支撑新一代信息技术、节能减排和智能制造的“核芯”。美国、日本和欧洲各国已经进行战略部署，我国经过20年的发展，已经成为以半导体照明为主体的第三代半导体产业大国，近10年平均产值年增长率保持30%以上。

国家政策支持

最早《中国制造2025》计划中明确提出要大力发展第三代半导体产业。2016年，国务院印发《“十三五”国家科技创新规划》，第三代半导体被列为国家科技创新2030重大项目“重点材料研发及应用”方向之一。

2017年，北京、江苏、山东和广东等地陆续出台促进化合物半导体发展的62项相关政策。地方政府出台“十三五规划”、“重点研发计划”、“科技创新规划”中涉及第三代半导体条款的政策有30条。

国内已经形成了第三代半导体产业发展的聚集区：京津冀、长三角、珠三角、和闽三角。政策支持新兴高技术产业发展对当地经济结构调整、产业转型升级起到积极的促进作用。我国在该领域已经迎来了从追赶到超越的历史机遇。

氮化镓专利中国专利量占全球的23%

全球范围内，氮化镓专利申请量排名前四的国家及地区是日本、中国、美国、韩国、中国台湾，其中中国专利量占全球的23%。主要机构包括：中科院、西安电子科技大学、中国电子科技集团等。这些专利布局主要集中在发光二极管、激光二极管、场效应晶体管、电极等电子器件领域以及沉积方法、外延生长等加工工艺上。如表1所示。

表1 氮化镓领域重点机构技术布局

在电力电子领域，美国的产业链整体技术实力雄厚，欧洲主要集中在外延环节，亚洲企业在材料环节具有优势，日本信越、富士电机和台湾汉磊等在衬底和外延方面表现优异。

射频微波领域，全球有超过30家企业从事氮化镓半导体的研发，其中，实现商业化量产的企业仅有10家左右。美国、欧洲和日本在军事雷达和无线基站通信领域的技术世界领先。欧洲聚焦于5G通信，技术创新能力强。日本在氮化镓射频领域的研发应用多以民用为主，军用为辅。

半导体照明领域，日亚化学的LED芯片技术领先，德国欧司朗、荷兰飞利浦、韩国三星等在封装方面技术实力雄厚，中国木林森在全球LED分装方面营收排入前十。

在激光器方面，位于国际前列的企业为日本日亚、德国欧司朗。日本住友电工、日立电缆等企业在衬底材料方面技术储备深厚，而美国kyma公司、法国lumilog公司已经实现了2英寸氮化镓衬底的产业化开发。

在探测器方面，韩国Genicom公司和日本Kyosemi公司可批量供应氮化镓紫外探测器。Genicom公司已经推出了多款氮化镓紫外探测器模块化应用产品。更多重点企业及格局分布见表2。

表2 第三代半导体材料氮化镓生产企业格局

氮化镓单晶材料，苏州纳维、东莞中镓具备2~4英寸衬底材料的供货能力。氮化镓电力电子材料和器件方面，苏州能讯、苏州晶湛、江苏能华、杭州士兰微、江苏华功均已进入布局。氮化镓射频器件以高频、高效、大功率的特点广泛应用于雷达、电子战等军工领域，在解决国家重大安全需求上发挥了关键作用。台积电和稳懋是目前国内企业代工的主要平台，三安光电、苏州能讯已经布局，而中电13所、55所、29所(海特高新)已经在军用领域占据优势。中电13所已形成系列化氮化镓微波功率器件和MMIC产品，已被华为、中兴采用进行基站的研发。

5G通讯和半导体照明推动市场增长

5G通讯的革命性转变重塑了射频技术产业，也为氮化镓射频器带来重大的市场机遇。5G应用的频段数将达到50个以上，全球移动通讯网络支持的频段总数将超过90个。5G技术的高速率、低延迟特性对射频通信器件的功率、频率范围、传输效率及传输可靠性等提出了新的要求，这将促进氮化镓半导体材料市场的快速发展。

2016年我国半导体照明产业产值5216亿元，较2015年增长了22.8%，我国已经成为全球最大的半导体生产地，国内半导体照明相关企业超过3万家。而氮化镓衬底的发展将进一步提升LED性能。很多厂商已经开始研究氮化镓衬底应用于聚光照明和汽车照明，现在发展的障碍是由于价格原因。

2017年，氮化镓器件市场销售额达到20.8亿元，增速达到32.3%。氮化镓基LED由于应用市场较为成熟，占比高达70.0%;而在射频通信和功率器件领域，虽然氮化镓器件性能优势明显，但是由于价格始终居高不下，市场渗透率较低，合计占比不到30%，如图1。

图1 氮化镓器件市场应用结构(亿元)

国内投资热度高涨

近几年，国内投资热度高涨。根据第三代半导体产业技术创新战略联盟的统计，仅仅2017年一年，投产氮化镓材料相关项目金额已经超过19亿元。益丰电子6英寸硅基氮化镓晶圆生产线项目涵盖硅基氮化镓后道封装测试线和晶圆生产工艺线。奥瑞德投资14亿元用于氮化镓工艺技术及后端分装项目，北大青鸟投资5亿建设氮化镓晶圆片，年产量可达10万片，年利润2亿元，将填补国内自支撑氮化镓晶圆片的空白。

在政策和市场的双重推动下，第三代半导体材料氮化镓产业发展迅速。从研发角度看，中国专利量占全球的23%，排名第二，但美日欧产业化技术领先，军民两用是国内氮化镓材料的产业化特色，我国发展氮化镓半导体照明产业具有巨大的优势。预计未来，5G通讯和半导体照明将推动市场高速增长。

在巨大优势和光明前景的刺激下，目前全球各国均在加大马力布局第三代半导体领域。当前我国发展第三代半导体面临的机遇非常好，因为过去十年，在半导体照明的驱动下，氮化镓无论是材料和器件成熟度都已经大大提高，但第三代半导体在电力电子器件、射频器件方面还有很长的路要走。