一片 2 英寸（約 5 釐米）直徑的白色半透明、塑料質感的小圓片，在國際市場上的售價居然可以達到5,000到7,000美元；不但供不應求，而且由於國際貿易的技術壁壘，一片難求——這當然不是普通的塑料片，是被稱為“第三代半導體材料”的氮化鎵晶片。
你可能難以想象，一片2英寸的氮化鎵晶片可以生產出1萬盞亮度為節能燈10倍、發光效率為節能燈3-4倍、壽命為節能燈10倍的高亮度LED照明燈；也可以製造出5,000個平均售價在100美元以上的藍光激光器；氮化鎵晶片還可以被應用在電力電子器件，使得系統能耗降低30%以上；它也將是未來微波通信的核心材料，並使得同樣面積的微波基站傳輸覆蓋面積比目前至少提升一倍以上。
半導體材料發展至今已歷三代：第一代半導體材料以鍺和硅為代表，被廣泛運用於集成電路製造領域;第二代半導體材料以砷化鎵、磷化銦為代表，主要應用於以光發射器件為基礎的光顯示、光通信和光存儲等光電子系統;第三代半導體材料則以氮化鎵、碳化硅、金剛石為代表，具有具有寬的帶隙、強的原子鍵、高的熱導率、高熔點(1700攝氏度)、耐腐蝕等優點。特別是在傳統材料的功率器件發展到材料極限，已經很難滿足高頻、高溫、高功率、高效能、小型化等方面新需求的情況下，氮化鎵則可憑藉其材料特性，在光電子、高溫大功率器件和高頻微波器件應用方面取而代之。
也正是因此，諸多科技公司紛紛致力於氮化鎵功率器件的研發和生產——2015年1月，富士通和美國Transphorm在會津若松量產氮化鎵功率器件;2015年3月，松下和英飛凌達成共同開發氮化鎵功率器件的協議;同月，東芝照明技術公司開發出在電源中應用氮化鎵功率元件的鹵素LED燈泡……國內也有中航微電子、中鎵半導體等公司從事該領域的研發和生產，上海市政府則投入100億資金用於半導體材料的研發(不侷限於氮化鎵)。
可以說，氮化鎵已經全球半導體研究的前沿和熱點。那麼，“高大上”的第三代半導體材料是怎樣和普普通通的電燈產生交集的呢?
氮化鎵是一種人造材料，自然形成氮化鎵的條件極為苛刻，需要2,000多度的高溫和近萬個大氣壓的條件才能用金屬鎵和氮氣合成為氮化鎵，所以在自然界幾乎不可能實現。1998年，美國科學家研製出了首個氮化鎵晶體管。
然而，氮化鎵禁帶寬度大、擊穿電壓高、熱導率大、電子飽和漂移速度高、抗輻射能力強和良好的化學穩定性等優越性質，使得它成為迄今理論上電光、光電轉換效率最高的材料體系，並可以成為製備寬波譜、高功率、高效率的微電子、電力電子、光電子等器件的關鍵基礎材料。
由於對高速、高溫和大功率半導體器件需求的不斷增長，使得半導體業重新考慮半導體所用設計和材料。隨著多種更快、更小計算器件的不斷湧現，硅材料已難以維持摩爾定律。由於氮化鎵的優異材料特性--氮化鎵基LED比傳統LED外形更小、功率更高、發光度更強，使其在LED電視、顯示器和普通照明領域獲得大展拳腳的空間，而中國一旦完成對飛利浦旗下子公司Lumileds的控股，則有可能獲得氮化鎵方面的相關技術。 如軍事、宇航和國防、汽車領域，以及工業、太陽能、發電和風力等高功率領域。氮化鎵具有比硅更高的能效，因此所需熱沉數量少於硅。應用領域的擴展和軍事需求的增加是驅動氮化鎵半導體器件市場增長的主要力量。需求量的增加主要是由於氮化鎵器件所能帶來的在器件重量和尺寸方面的顯著改進。另外，氮化鎵器件擊穿電壓的提升有望推動氮化鎵在電動車輛中的使用量。
更關鍵的是，氮化鎵在高頻大功率應用方面，其功率密度是現有的砷化鎵材料器件的10倍，不僅可以廣泛運用於通信基站、電動機車、電動汽車、風力發電等民用領域，還可以用於相控陣雷達等特殊領域。
全球光子集成電路市場呈現分散和競爭激烈的態勢。主要的行業參與者包括日本的富士通（Fujitsu）公司、日亞化學工業株式會社、加拿大的氮化鎵系統（GaN System）公司、美國的飛思卡爾（Freescale）半導體公司、國際整流器（IR）公司、科瑞（Cree）公司、射頻微系統公司等。
氮化鎵是一種寬能隙材料，它能夠提供與碳化硅（SiC）相似的性能優勢，但降低成本的可能性卻更大。業界認為，在未來數年間，氮化鎵功率器件的成本可望壓低到和硅MOSFET、IGBT及整流器同等價格。事實上，在過去兩年間，氮化鎵功率器件已有明顯進展，例如國際整流器公司（International Rectifier）已推出GaNpowIR、EPC推出eGaNFET器件，以及Transphorm推出600伏氮化鎵晶體管等。
“這主要是由於目前市場上廣泛使用的LED氮化鎵芯片通常是基於藍寶石或碳化硅襯底晶片製備而成，這種襯底決定了每平方釐米LED芯片的缺陷密度達到上億個；但如果能將LED芯片的襯底晶片變為氮化鎵本身，那麼LED芯片的缺陷密度將降低為現在的百分之一甚至千分之一。那時再應用於LED產品時，不但有效解決了發光時的散熱問題，還能使單位面積亮度提升10倍。”
無論是氮化鎵晶片生產，還是以氮化鎵為襯底的芯片器件，都需要精密的納米加工工藝。由於技術門檻極高，在全球能夠規模化生產氮化鎵晶片的公司屈指可數，日本的住友、日立電纜在這個領域中佔領著制高點，其次為美國公司。
前不久，國內相關單位公開展出了氮化鎵微波器件（GAN芯片），它具備功率大、環境適應性好等優點，可以用於雷達、電子戰及通信系統等多種環境。
目前中國海軍正在設計、建造的055型驅逐艦，它配備的有源相控陣雷達可能將配備GAN器件，這樣055型驅逐艦將會擁有當今最具威力的艦載雷達。
根據雷達探測距離公式，決定雷達探測距離有兩個參數：天線孔徑和功率，因此為了提高雷達的探測距離，研製者都會想方設想來提高雷達天線孔徑和功率，當年美蘇反導條約專門對雙方反導雷達的這兩個參數進行了限制，美國海軍最新的伯克F3構型，它採用了AMDR有源相控陣雷達替代此前的SPY-1，其天線孔徑就由後者的3.66米增加到4.27米，以提高雷達的探測距離。
目前僅個別日本公司掌握了4 英寸氮化鎵晶片的製造技術，但還沒有產品出來。
除了做大之外，將氮化鎵晶片做得更薄，使之直接成為氮化鎵器件（或芯片）的一部分。氮化鎵芯片的厚度通常為0.1 毫米，目前以藍寶石襯底做出來的氮化鎵芯片通常厚度為0.4 毫米，在使用過程中必須“削薄”後封裝使用。
作為第三代半導體的氮化鎵器件之所以售價高昂，主要是由技術壟斷造成的。 “現在藍寶石基底的LED芯片價格僅為幾毛錢，而氮化鎵基底的LED 芯片價格則為20 美元，規模化生產後，他們的成本應該沒有太大差別。在氮化鎵應用方面，除了LED 照明，消費電子是未來氮化鎵應用最廣闊的市場。將氮化鎵應用於DVD 中的藍光激光器，可以極大提升對數據讀寫的準確率，未來的同樣容量的DVD 光盤可能變得只有耳塞那麼小。
將氮化鎵應用於手機投影是另一個被看好的應用，“手機投影從技術上已經可以做到，唯一的問題就是電池無法支持大功率和長時間的照明，但如果把氮化鎵用到其中，這個問題就會迎刃而解。”
同樣由於氮化鎵擁有極高的光電轉換能力，如果能將氮化鎵用於光轉化為電，那麼在太陽能電池領域將是一場革命，因為其理論的光電轉化效率可以達到76%。氮化鎵材料還可以利用太陽能將水直接分解為氫和氧，為人類提供清潔可再生能源。
“毋庸置疑，氮化鎵的未來市場是一個數萬億美元的市場。在整個產業鏈中，國內在氮化鎵基底的器件研發和生產上仍然面臨斷層。“我們期待更多的企業發現氮化鎵的價值，願意投入資本和時間來開發相關的應用和產品。
按照美國人的規劃，伯克F3構型雷達天線的尺寸都不夠理想，為了對付新世紀三高目標（高隱身、高機動性能和高超音速）目標，美國海軍原來更加依賴CGX巡洋艦，它的天線孔徑尺寸超過了6米，CGX因為成本和費用太高而下馬，不過美國海軍還是想辦法把新一代有源相控陣裝備在了福特 級航母上面，以彌補大孔徑雷達數量上的不足。功率是雷達所重視另外一個指標，這個指標講起來容易做起來，它需要相關器件能夠承受住大功率微波輻射所帶來高電壓、大電流、大插損以及散熱方面帶來的設計問題以及 可靠性等一系列問題。目前各國有源相控陣雷達多采用砷化鎵器件，這種器件雖然具備具有高頻、高溫、低溫性能好、噪聲小、抗輻射能力強等優點，但是它的缺點就是導熱性能低、擊穿場強小，這樣就限制它的發射功率， 儘管多芯片功率合成可以實現大功率，但由於器件的阻抗太低，進行內匹配和功率合成的難度很大；G a N是高電子遷移率晶體管(H E MT)，而且其寬禁帶特點決定它可以承受更高的工作結溫、更高的擊穿場強、更高的電子飽和速度、更高的功率密度，作為大功率應用，G a N的熱導率是G a As的3倍，能有效改善器件的散熱特性，從而使器件的冷卻系統大為簡化，並且能夠實現高工作電壓；從電路應用角度看，G a N功率器件的應用，使阻抗匹配容易實現，功率合成的結構簡化，從而大大降低系統結構的複雜度，也就降低了製造成本，並且簡化的系統結構還有助於提高可靠性。GaN技術改變太空在惡劣的環境下使用的電源轉換器，例如太空中，必須要有能耐承受輻射所造成的損害。在電氣性能方面，氮化鎵場效應晶體管好40倍，本身能夠承受老化的輻射耐受功率MOSFET（radiation tolerant power MOSFET）的10倍的輻射（與其商業上的對手相比，輻射耐受MOSFET的性能明顯差很多）。GaN技術改變電力的使用今天，我們用電線為愈來愈多需要電力供電的小工具提供電源。我們經常隨時、隨身攜帶這些產品，但正如我們所知道的，它們的電池必須要經常頻繁地充電。在2015年，採用GaN技術的無線充電系統將可以無線的方式來提供能量，為手機和平板計算機充電。在未來5年到10年，因可將薄薄的傳輸線圈整合進建築物的地磚和牆壁中，所以也可一併省去對牆壁電插座的需求！
當一臺電動汽車停在一個嵌有發射線圈的樓層時，就是利用這種相同的技術來充電，而它們早已引進使用。目前有一個正在進行中的計劃，它將把無線充電器嵌進到公車站中，在公交車在公車站停留的一分鐘中，便可充足再開一英里的電，而開往下一站。
GaN技術可以在安全的頻率上實現高效的電力傳輸，這對硅晶體管而言，是一件艱難的工作。將GaN技術帶到更高的電壓和更高的頻率，可以擴展無線電力傳輸的距離。
GaN技術改變醫療
技術的進展也帶來了醫療上長足的進步。在一些領域，像是植入系統、成像、和人造器官等，在技術上都有重大的發展，這些都是因為GaN技術的出現而實現的。
無線充電早已經對植入系統（如心臟泵）的發展產生重大影響。成像技術也以極快的速度在改善！由於採用氮化鎵場效應晶體管和集成電路的更小和更有效之檢測線圈的發展，而讓MRI機器的分辨率可以大幅改善。也由於今天的氮化鎵場效應晶體管的體積已小到足以放進內部有微縮成像系統的食用藥錠中，而讓結腸鏡檢查診斷成為過去式。藉由早期預警和非侵入性的診斷，這一類的非侵入性的突破可大幅地降低醫療成本。由於我們把整個系統整合在一氮化鎵芯片，小型化和影像分辨率進一步改善了醫療照護的標準，同時，也把醫療費用降下來了。
因此，無論是對半導體產業的發展，還是在軍事應用方面，氮化鎵都有非常重要的意義。美國政府之所以阻止中國投資人收購飛利浦旗下子公司的照明業務，既有出於技術在軍事應用和國家安全方面的考慮，但更多的還是出於打壓中國半導體產業發展，保持美國科技公司技術優勢方面的考量。
美國緣何“擔憂”
中國被一些網友譽為“發達國家粉碎機”——任何一個工業領域，只要中國人突破了技術門檻，那就基本沒外國人什麼事了。部分發達國家在失去高附加值的工業品以剪刀差獲取高額利潤後原形畢露，在造血能力大幅萎縮後，又要維持高福利，進而產生“老歐洲病”，比如深陷債務危機的“歐洲四豬”。
在去工業化的浪潮下，美國本土勞動力密境型製造業大量轉移到第三世界國家，半導體等資本技術密集型產業對美國的重要性不言而喻。近年來，中國以資金、政策，以及對外技術合作、海外收購等多種方式扶持本土半導體產業，不僅在投入上不惜血本，而且在局部領域成果斐然：
IC設計領域
一方面整合國內IC設計公司——紫光在2013年底以18億美元和9.1億美元分別將國內最大的兩家IC設計公司展訊和銳迪科收購，實現資源整合。
另一方面試圖引進國外技術——在2013年與VIA合資成立兆芯，並由兆芯承接核高基1號專項，給予不少於70億資金;在2014年與IBM合資，獲得資金不少於20億;2016年1月17日，貴州省人民政府與美國高通公司簽署戰略合作協議，成立華芯通半導體技術有限公司，貴州政府出資18.5億佔股55%，高通以技術入股持股45%;2016年1月22日，清華大學、瀾起科技和英特爾在華建服務器芯片合資公司……(不過，筆者對上述合資/合作仍有些擔心，發展路線一旦錯了很可能南轅北轍)晶圓代工領域在資金上，集成電路大基金向中國大陸最大的芯片代工企業中芯國際注資30.99億元人民幣;上海市政府投入300億元集成電路製造基金，用來支持在滬興建新一代超大規模集成電路生產線。
在技術上，在中國政府的協調下，中芯國際、華為、高通以及比利時微電子研究中心(imec)共同投資中芯國際集成電路新技術研發(上海)有限公司，著力研發14納米CMOS量產技術，而且研發將在中芯國際的生產線上進行。據小道消息稱，中芯國際將於2018年風險量產14nm芯片。
此外，中國政府還引入芯片代工業龍頭老大臺積電在南京投資——臺積電計劃投資30億美元在南京設立12寸晶圓廠(月產兩萬片)，並於2018年下半年導入16nm製程。
封測領域
封測領域是中國大陸和海外公司差距最小的領域。2015年，紫光試圖收購矽品、力成、南茂備受矚目，由於在《紫光豪擲百億收購兩家臺灣半導體公司 會成為中國版三星嗎》已有詳細介紹，本文不再贅述。
相比較於紫光的買買買，江蘇長電科技成功擊敗臺灣日月光半導體，和日本村田一同獲得蘋果SIP模塊訂單則更具含金量，而這也與國家的扶持息息相關——長電科技獲得大基金注資2.8億美元，並在大基金和中國銀行的支持下，以7.8億美元(其中集成電路大基金出資1.4億美元，中國銀行貸款1.2億美元)收購新加坡星科金朋。在實現蛇吞象後，又投資2億美元擴充廠內SIP模塊封測生產線。 製造設備領域晶圓代工和封裝測試離不開光刻機、刻蝕機、減薄機、劃片機、裝片機、引線鍵合機、倒裝機等製造設備的輔助。為實現這些半導體制造設備國產化，中國政府不惜投入巨資扶持——上海市政府於2015年投資上海微電子2.2億元;集成電路大基金投資中微半導體4.8億元;七星電子募集9.3億元配套資金(國家集成電路基金認購6億元，京國瑞基金認購2億元，芯動能基金認購1.3億元)，用於北方微電子“微電子裝備擴產項目”建設並補充上市公司流動資金。
雖然半導體制造設備市場份額大半被美國應材、ASML、東京電子等國外公司壟斷，但中國企業已經向該領域吹響了衝鋒的號角：
中電科建成國內首條具有完全自主知識產權的集成電路後封裝示範線，減薄機、劃片機、裝片機、引線鍵合機、倒裝機等集成電路後封裝關鍵設備相繼實現尺寸從6英寸、8英寸到12英寸，機型從半自動到全自動，封裝工藝從傳統封裝、晶圓級封裝到三維封裝的市場覆蓋。併為某客戶順利完成了批量化減薄、劃切、挑粒任務，全部100%良率出貨。
中微半導體已掌握能用於15nm—28nm及以下的芯片刻蝕加工刻蝕機的生產技術，產品遠銷韓、臺、新，其中對韓出口佔中微半導體營收三成。北方微電子的28nm刻蝕機被中芯國際批量採購。
雖然在前道光刻機方面，上海微電子和ASML有比較大的差距，但在封裝光刻機等領域，上海微電子的國內市場佔有率超過80%，全球市場佔有率為40%;在用於LED製造的投影光刻機的市場佔有率為20%。
國人可以期待，在10年之後，半導體制造設備全面國產化將不再僅僅是幻想。
結語
總之，中國在扶持本土半導體產業發展方面是從半導體材料、IC設計、代工、封測、半導體制造設備全方位的扶持，併力爭以全產業鏈的形式實現“通吃”。
一旦半導體產業被中國攻佔，並將產品以“白菜價”向全球輸出，一方面能削弱美國製霸全球的物質基礎;另一方面將使中國在信息技術領域徹底擺脫產業發展受制於人，信息安全受制於人的不利局面。
想必這才是美國真正擔憂之所在。
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