半导体材料是信息产业、数字经济的基石，随着计算机技术和互联网技术的蓬勃进步和发展，半导体材料已经成为支撑国民经济发展和产业跃升的核心组成部分。在当前全球化收缩、各国科技和产业不断抢跑的大环境下，半导体材料，特别是第三代化合物半导体材料已经成为各大经济体竞争的焦点。
美国提出Power American，欧盟推出了“5G GaN2”等计划，中国更是推出国家集成电路产业投资基金系列，行业也称之为“大基金”，其中大基金一期在半导体设备和材料投资仅占6%，预计二期将重点向半导体材料和设备企业倾斜。
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半导体材料的发展历程
半导体材料于20世纪40-50年代在美国诞生，相应地集成电路技术在美国突飞猛进。第一代半导体材料主要以硅（Si）、锗（Ge）元素为代表，最初完全以美国军工为主要市场，后在各类分立器件和集成电路、网络信息技术等领域得到极为广泛的应用。
上个世纪60-70年代，III-IV族元素开辟了第二代半导体材料，主要以化合物半导体材料如砷化镓（GaS）、锑化铟（InSb）、磷化铟（InP），及三元化合物半导体材料，如铝砷化镓（GaAsAl）、磷砷化镓（GaAsP）等为代表。还有一些固溶体半导体材料，如锗硅（Ge-Si）、砷化镓-磷化镓（GaAs-GaP）等；玻璃半导体（又称非晶态半导体）材料，如非晶硅、玻璃态氧化物半导体等；有机半导体材料，如酞菁、酞菁铜、聚丙烯腈等。第二代半导体材料主要用于制作高速、高频、大功率以及发光电子器件，是制作高性能微波、毫米波器件及发光器件的优良材料。
再到80年代开始，以我们现在熟悉的氮化镓（GaN）、碳化硅（SiC）为代表的第三代半导体材料出现，催生了照明、显示、光生物等新的应用需求。除此外，还有氮化铝（AlN）、氧化锌（ZnO）等宽禁带材料。
三代半导体材料概览：
半导体材料对比
资料来源：中信建投、互联网
注:禁带宽度即Band gap，是指一个带隙宽度(单位是电子伏特(ev))，固体中电子的能量是不可以连续取值的，而是一些不连续的能带，要导电就要有自由电子或者空穴存在，自由电子存在的能带称为导带（能导电），自由空穴存在的能带称为价带（亦能导电）。被束缚的电子要成为自由电子或者空穴，就必须获得足够能量从价带跃迁到导带，这个能量的最小值就是禁带宽度。宽禁带指禁带宽度Eg>2.3eV。禁带宽度对于半导体器件性能的影响非常大，它直接决定着器件的耐压和最高工作温度；比如氮化镓禁带宽度很大，即便高温价带电子也很难吸收大于Eg的热辐射的能量跳变到导带，这样就能继续发挥半导体作用，同理因为跃迁能量较大，所以GaN更难被击穿，因此常用作高压耐高温器件，也有很高的抗辐射性能。
可以看出，第三代半导体与第一代和第二代半导体材料相比，具有更宽的禁带宽度、更高的击穿电场、更高的导热率、更大的电子饱速度以及更高的抗辐射能力，更适合制造高温、高频、抗辐射及大功率器件。
从目前的研究和产业化进程来看，较为成熟的第三代半导体材料为氮化镓和碳化硅。而碳化硅因其高昂难下的成本，在市场应用方面暂不及氮化镓。
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氮化镓材料优势明显，应用场景丰富
今年年初小米推出的65W氮化镓充电器因为其体积更小、性能和功率倍增的特性，引起了消费电子市场的广泛关注，同时也引爆了A股市场相关概念股的瞬间大涨。
但其实氮化镓材料在科技和产业界早已是常客，自上世纪90年代起就一直被广泛用在发光二极管中，其低功耗、高发光效率的特性在光电子领域直至今日也仍有重要应用。氮化镓在光电领域的应用基础也促使其在产业链和技术积累上具有非常明显的优势。除了成熟的照明行业应用，氮化镓的特性优势正在逐渐被开发和应用到其他场景，当前氮化镓器件接近三分之二应用于军工市场，如军用通讯、军用雷达和电子干扰等，在民用领域主要用于基站射频器件和功率器件等领域。
2.1基于5G基站的射频器件
自氮化镓商业化以来其在射频领域的应用就扮演着不可忽视的角色，尤其是在高温、高频和大功率射频组件应用具有独特优势。随着氮化镓性能和可靠性不断提高且成本不断降低，硅基氮化镓和GaN-on-SiC器件技术均已相对成熟，赶上大范围的5G基站部署红利，以及5G基站对于高功率、高运行效率的特殊需求，氮化镓的功率密度天然具有优势而被重点应用在5G基站器件中。预计中国5G宏基站数量有望达到500万座，为4G基站数量的1.5倍，宏基站的建设将会拉动氮化镓射频器件的需求。
根据Yole调研数据显示，2018年基站氮化镓射频器件市场规模不足2亿美金，预计2023年，基站氮化镓市场规模将超7.5亿美金，氮化镓射频器件市场将整体保持20%以上的复合增速。
除了5G基站应用的基本盘，氮化镓高功率射频特性在卫星通信、军事、商用雷达和航空电子设备领域也有一定的应用市场。根据中信建投预测，至2024年，氮化镓射频市场规模将达20亿美金。
2.2基于快充的功率器件
业内普遍认为碳化硅适用于高于1200V的高电压、大功率场景，氮化镓更适用于40-1200V的高频应用，尤其是在600V/3KW以下的场景。因此在电机驱动、微型逆变器等消费电子场景氮化镓正在挑战MOSFET和IGBT器件的地位。
目前我们使用的电子设备的电源模块占用空间大、发热导致电量损耗大等缺点，而氮化镓能够减少电源体积，同时提升效率。同样的，氮化镓在电源设备的应用还包括手机的快速充电和无线充电等。
继2019年9月OPPO宣布新款机型配备65W内置快速充电器中采用GaNHEMT器件，小米2020年2月也发布65W氮化镓快充，可以预料到电源芯片将会是氮化镓短期重要的发展推力。根据Yole预测，受到消费电子快充应用推动，2024年氮化镓电源市场规模将超过3.5亿元，且仍有极大的增长空间。
此外，氮化镓功率器件还有望进入汽车及工业电源应用中。尤其是在新能源汽车市占率不断增长的环境下，氮化镓对于电源管理、发电和功率输出等技术的更新改进将对提高电动汽车驾驶性能和行驶里程有极大的帮助。
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氮化镓竞争格局
自中美贸易战开展以来，中国兴起了一波芯片创业热，氮化镓作为第三代半导体材料中成熟度较高和应用市场较广的一种材料，已经吸引了一批初创公司加入新技术和产品的开发。
国内创业公司在GaN上游原材料领域有所积累的企业如下表所列：
资料来源：互联网、水木资本整理
相较于国外厂商如德国Siltronic、日本Sumco，以及外延片厂商如比利时的EpiGaN、日本的ATT AT等，中国氮化镓衬底和外延片企业的成立时间都相对较短，但是总体也还处于一个快速增长和技术与生态稳定的过程中，并且都有同时生产衬底和外延片的产业链延伸趋势。
在中游的模块环节主要包括设计、制造、封测或IDM，中国大陆的设计厂商主要包括海思半导体、中兴微电子等。而国外的设计厂商如Navitas半导体，成立于2014年，是世界领先的GaN功率IC技术公司，其发明了业内首个GaN功率IC，该技术使开关速度提高了100倍，同时节省了40%以上的能源。小米在2020年2月发布的65W GaN 快充即采用了Navitas提供的IC芯片。与Navitas一样的初创公司还有EPC、Transphorm、GaN system等，均选择了fabless模式。
总体而言，目前主流氮化镓生产厂家依旧集中在美、欧、日等过，我国企业尚未能进入全球第一梯队的企业。但是依托中国巨大的市场容量、政策和资本支持、产业积累、人才集聚等优势，以及在5G、新能源汽车等新兴产业的技术和产业积累，国内必将诞生一批在氮化镓材料、工艺和设计方面全球领先的企业。
同时我们也应看到氮化镓的广阔前景吸引了来自传统IDM公司如TI、Infneon等的关注和竞争，创业机会的时间窗口将越来越小。且半导体行业作为一个技术、人才和资金密集型的产业，创业难度相较于其他行业本就会更高，想要积极加入的初创企业也需要结合实际、务实分析自身是否具有独门绝技来参与竞争。
参考文献：
1、CASA，第三代半导体报告2018
2、第一情报，第三代半导体技术发展现状，2019-11
3、中信建投证券研究发展部，5G、快充、UVC—第三代半导体潮起
4、国泰君安证券，第三代半导体—产业和资本观点的碰撞
