半導體材料是信息產業、數字經濟的基石，隨著計算機技術和互聯網技術的蓬勃進步和發展，半導體材料已經成為支撐國民經濟發展和產業躍升的核心組成部分。在當前全球化收縮、各國科技和產業不斷搶跑的大環境下，半導體材料，特別是第三代化合物半導體材料已經成為各大經濟體競爭的焦點。
美國提出Power American，歐盟推出了“5G GaN2”等計劃，中國更是推出國家集成電路產業投資基金系列，行業也稱之為“大基金”，其中大基金一期在半導體設備和材料投資僅佔6%，預計二期將重點向半導體材料和設備企業傾斜。
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半導體材料的發展歷程
半導體材料於20世紀40-50年代在美國誕生，相應地集成電路技術在美國突飛猛進。第一代半導體材料主要以硅（Si）、鍺（Ge）元素為代表，最初完全以美國軍工為主要市場，後在各類分立器件和集成電路、網絡信息技術等領域得到極為廣泛的應用。
上個世紀60-70年代，III-IV族元素開闢了第二代半導體材料，主要以化合物半導體材料如砷化鎵（GaS）、銻化銦（InSb）、磷化銦（InP），及三元化合物半導體材料，如鋁砷化鎵（GaAsAl）、磷砷化鎵（GaAsP）等為代表。還有一些固溶體半導體材料，如鍺硅（Ge-Si）、砷化鎵-磷化鎵（GaAs-GaP）等；玻璃半導體（又稱非晶態半導體）材料，如非晶硅、玻璃態氧化物半導體等；有機半導體材料，如酞菁、酞菁銅、聚丙烯腈等。第二代半導體材料主要用於製作高速、高頻、大功率以及發光電子器件，是製作高性能微波、毫米波器件及發光器件的優良材料。
再到80年代開始，以我們現在熟悉的氮化鎵（GaN）、碳化硅（SiC）為代表的第三代半導體材料出現，催生了照明、顯示、光生物等新的應用需求。除此外，還有氮化鋁（AlN）、氧化鋅（ZnO）等寬禁帶材料。
三代半導體材料概覽：
半導體材料對比
資料來源：中信建投、互聯網
注:禁帶寬度即Band gap，是指一個帶隙寬度(單位是電子伏特(ev))，固體中電子的能量是不可以連續取值的，而是一些不連續的能帶，要導電就要有自由電子或者空穴存在，自由電子存在的能帶稱為導帶（能導電），自由空穴存在的能帶稱為價帶（亦能導電）。被束縛的電子要成為自由電子或者空穴，就必須獲得足夠能量從價帶躍遷到導帶，這個能量的最小值就是禁帶寬度。寬禁帶指禁帶寬度Eg>2.3eV。禁帶寬度對於半導體器件性能的影響非常大，它直接決定著器件的耐壓和最高工作溫度；比如氮化鎵禁帶寬度很大，即便高溫價帶電子也很難吸收大於Eg的熱輻射的能量跳變到導帶，這樣就能繼續發揮半導體作用，同理因為躍遷能量較大，所以GaN更難被擊穿，因此常用作高壓耐高溫器件，也有很高的抗輻射性能。
可以看出，第三代半導體與第一代和第二代半導體材料相比，具有更寬的禁帶寬度、更高的擊穿電場、更高的導熱率、更大的電子飽速度以及更高的抗輻射能力，更適合製造高溫、高頻、抗輻射及大功率器件。
從目前的研究和產業化進程來看，較為成熟的第三代半導體材料為氮化鎵和碳化硅。而碳化硅因其高昂難下的成本，在市場應用方面暫不及氮化鎵。
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氮化鎵材料優勢明顯，應用場景豐富
今年年初小米推出的65W氮化鎵充電器因為其體積更小、性能和功率倍增的特性，引起了消費電子市場的廣泛關注，同時也引爆了A股市場相關概念股的瞬間大漲。
但其實氮化鎵材料在科技和產業界早已是常客，自上世紀90年代起就一直被廣泛用在發光二極管中，其低功耗、高發光效率的特性在光電子領域直至今日也仍有重要應用。氮化鎵在光電領域的應用基礎也促使其在產業鏈和技術積累上具有非常明顯的優勢。除了成熟的照明行業應用，氮化鎵的特性優勢正在逐漸被開發和應用到其他場景，當前氮化鎵器件接近三分之二應用於軍工市場，如軍用通訊、軍用雷達和電子干擾等，在民用領域主要用於基站射頻器件和功率器件等領域。
2.1基於5G基站的射頻器件
自氮化鎵商業化以來其在射頻領域的應用就扮演著不可忽視的角色，尤其是在高溫、高頻和大功率射頻組件應用具有獨特優勢。隨著氮化鎵性能和可靠性不斷提高且成本不斷降低，硅基氮化鎵和GaN-on-SiC器件技術均已相對成熟，趕上大範圍的5G基站部署紅利，以及5G基站對於高功率、高運行效率的特殊需求，氮化鎵的功率密度天然具有優勢而被重點應用在5G基站器件中。預計中國5G宏基站數量有望達到500萬座，為4G基站數量的1.5倍，宏基站的建設將會拉動氮化鎵射頻器件的需求。
根據Yole調研數據顯示，2018年基站氮化鎵射頻器件市場規模不足2億美金，預計2023年，基站氮化鎵市場規模將超7.5億美金，氮化鎵射頻器件市場將整體保持20%以上的複合增速。
除了5G基站應用的基本盤，氮化鎵高功率射頻特性在衛星通信、軍事、商用雷達和航空電子設備領域也有一定的應用市場。根據中信建投預測，至2024年，氮化鎵射頻市場規模將達20億美金。
2.2基於快充的功率器件
業內普遍認為碳化硅適用於高於1200V的高電壓、大功率場景，氮化鎵更適用於40-1200V的高頻應用，尤其是在600V/3KW以下的場景。因此在電機驅動、微型逆變器等消費電子場景氮化鎵正在挑戰MOSFET和IGBT器件的地位。
目前我們使用的電子設備的電源模塊佔用空間大、發熱導致電量損耗大等缺點，而氮化鎵能夠減少電源體積，同時提升效率。同樣的，氮化鎵在電源設備的應用還包括手機的快速充電和無線充電等。
繼2019年9月OPPO宣佈新款機型配備65W內置快速充電器中採用GaNHEMT器件，小米2020年2月也發佈65W氮化鎵快充，可以預料到電源芯片將會是氮化鎵短期重要的發展推力。根據Yole預測，受到消費電子快充應用推動，2024年氮化鎵電源市場規模將超過3.5億元，且仍有極大的增長空間。
此外，氮化鎵功率器件還有望進入汽車及工業電源應用中。尤其是在新能源汽車市佔率不斷增長的環境下，氮化鎵對於電源管理、發電和功率輸出等技術的更新改進將對提高電動汽車駕駛性能和行駛里程有極大的幫助。
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氮化鎵競爭格局
自中美貿易戰開展以來，中國興起了一波芯片創業熱，氮化鎵作為第三代半導體材料中成熟度較高和應用市場較廣的一種材料，已經吸引了一批初創公司加入新技術和產品的開發。
國內創業公司在GaN上游原材料領域有所積累的企業如下表所列：
資料來源：互聯網、水木資本整理
相較於國外廠商如德國Siltronic、日本Sumco，以及外延片廠商如比利時的EpiGaN、日本的ATT AT等，中國氮化鎵襯底和外延片企業的成立時間都相對較短，但是總體也還處於一個快速增長和技術與生態穩定的過程中，並且都有同時生產襯底和外延片的產業鏈延伸趨勢。
在中游的模塊環節主要包括設計、製造、封測或IDM，中國大陸的設計廠商主要包括海思半導體、中興微電子等。而國外的設計廠商如Navitas半導體，成立於2014年，是世界領先的GaN功率IC技術公司，其發明了業內首個GaN功率IC，該技術使開關速度提高了100倍，同時節省了40%以上的能源。小米在2020年2月發佈的65W GaN 快充即採用了Navitas提供的IC芯片。與Navitas一樣的初創公司還有EPC、Transphorm、GaN system等，均選擇了fabless模式。
總體而言，目前主流氮化鎵生產廠家依舊集中在美、歐、日等過，我國企業尚未能進入全球第一梯隊的企業。但是依託中國巨大的市場容量、政策和資本支持、產業積累、人才集聚等優勢，以及在5G、新能源汽車等新興產業的技術和產業積累，國內必將誕生一批在氮化鎵材料、工藝和設計方面全球領先的企業。
同時我們也應看到氮化鎵的廣闊前景吸引了來自傳統IDM公司如TI、Infneon等的關注和競爭，創業機會的時間窗口將越來越小。且半導體行業作為一個技術、人才和資金密集型的產業，創業難度相較於其他行業本就會更高，想要積極加入的初創企業也需要結合實際、務實分析自身是否具有獨門絕技來參與競爭。
參考文獻：
1、CASA，第三代半導體報告2018
2、第一情報，第三代半導體技術發展現狀，2019-11
3、中信建投證券研究發展部，5G、快充、UVC—第三代半導體潮起
4、國泰君安證券，第三代半導體—產業和資本觀點的碰撞
