氮化镓︱第三代半导体材料，前有围堵后有追兵
作者/星空下的夹心糖
编辑/菠菜的星空
排版/星空下的韭菜
在过去的几十年里，第一代半导体——硅，深刻而全面地影响了我们的生活。到目前依然是电子电气领域的主流材料。不过，硅材料虽有百般好，但在高频和高压下的性能一般。随着科技水平和下游需求的增长，在高频和高压领域，人们迫切需要新的材料。正所谓，有需求就有市场，第二代、第三代半导体材料应运而生，氮化镓（GaN）就是第三代半导体的优秀代表。
一、头顶第三代半导体的光环
氮化镓（GaN）和碳化硅（SiC）同属于第三代半导体。
第三代半导体材料禁带宽度大，具有击穿电场高、热导率高、电子饱和速率高、抗辐射能力强等优势。因此采用第三代半导体材料制备的半导体器件能在更高的温度下稳定运行，适用于高电压、高频率场景。此外，它还能以较少的电能消耗，获得更高的运行能力，因而更适合于制作高温、高频、抗辐射及大功率器件。
资料来源：方正证券研报
在电子电气领域，氮化镓其实是老选手了。氮化镓材料具有较宽的禁带以及较好的物理化学性质与热稳定，可以更好地满足 5G 技术、新能源汽车以及军事探测等领域对高功率耐高温、高频耐高压器件的需求，有着不错的市场前景。
不过，氮化镓最开始广泛应用的原因倒不是上述这些，而是它能发蓝光的性质。
从1990年开始，它便被用于发光二极管。GaN材料制作的蓝光、绿光LED以及激光二极管早已实现了产业化生产，日本和美国的三位科学家还因此获得了2014年诺贝尔化学奖。到目前为止，光电领域依然是GaN的传统强项。
关于氮化镓，必须强调的是，所谓“第一代”、“第二代”和“第三代”半导体并非替代关系，下一代也不是全面领先于上一代。代际的划分依据主要是时间的先后，氮化镓只是在少数几个领域领先于硅。
氮化镓也不会完全取代硅的市场。
氮化镓确实具有耐高压、耐高温、低能量损耗的特点，但成本昂贵，刻蚀困难。现有的半导体产业链都是围绕硅片建立的，氮化镓只能分到一块很小的市场。目前来看，连1%都没有。相比起来，碳化硅的产业化则要成熟得多。
资料来源：华经产业研究院
另外，氮化镓和碳化硅各有侧重，又和硅材料形成差异化竞争。碳化硅侧重高压，氮化镓侧重高频，应用场景也不尽相同。
资料来源：***息整理
二、跌跌撞撞的发展过程
截至2021年底，我国已有应用在电力电子和射频领域的氮化镓晶圆产线各10条，多家我国本土企业已拥有了一定的氮化镓晶圆制造水平。
和其他半导体材料类似，氮化镓产业链可以分为衬底、外延和器件等几个环节。不过，氮化镓产业化过程中困难和问题更多，发展也更为缓慢，且困难主要集中在衬底和外延环节。
材料自身的性质来看，氮化镓高温下会分解，不能使用单晶硅生产工艺的传统直拉法拉出单晶，需要纯靠气体反应合成，而氮气性质非常稳定，镓又是非常稀有的金属，两者反应时间长，速度慢，反应产生的副产物多。生产GaN对设备要求苛刻，技术复杂，产能极低。
氮化镓产业链上游原材料包括氮化镓衬底及氮化镓外延片，原材料成本较高，进口依赖严重，国产化率约10%。在衬底领域，氮化镓衬底依然存在着严重的技术困难，一片2英寸的氮化镓晶片，在国际市场上的售价高达5000美元，而且一片难求。
因此，大多数厂商**采用“移花接木”的方式，用碳化硅或蓝宝石作为氮化镓的衬底材料。这样做虽然衬底环节工艺简单些，成本低一些，但由于这俩本来就不是一个物质，好比钢铁上粘木头，容易出现裂纹、曲翘等**，这可就苦了做外延的兄弟们。
当前，氮化镓外延片的品质和良率几乎决定了氮化镓器件产品的性能和良率。并且外延片成本也占到整个氮化镓价值链的近50%，良率的问题也迟迟得不到解决。这些困难共同导致了氮化镓极低的产能和极高的成本，从而**了其的广泛使用。
资料来源：聚力成
三、下游应用，雷声大雨点小
氮化镓的下游应用包括光电器件、功率器件和射频器件。光电领域当中，Mini-LED和Micro-LED应用于显示屏、背光应用等，这部分是氮化镓的传统应用场景，发展稳定但缺少爆发，可能的爆发点主要是功率器件和射频器件。
射频器件的主要应用就是充电器。氮化镓充电器也曾小爆发过一波，2020年2月，小米发布了65W的氮化镓充电器。小米商城的预约人数一度超过十万。然而，两年多过去了，氮化镓充电器依然未能迎来大范围的推广。说一千道一万，背后的原因就一个字——贵。
和其他快充充电器相比，氮化镓充电器唯一的优势就是体积小。充电速度快和发热低则是伪命题。手机的充电速度是由自身的功率和协议决定的，和充电器毫不相关。发热这块，氮化镓能量损耗确实低，但如果硅基元器件用得好，不上氮化镓，充电器效率也能一样高。
对消费者而言，体积是一个比较鸡肋的指标。现代大家普遍人手N个充电器。除非你经常出差，否则根本不需要把充电器带来带去，大一点小一点其实没差。充电器的更新换代速率又不及手机本身，一个充电器充几代手机也是常有的事。另外，大多数的手机厂商，包括华为、小米、OPPO、vivo等几乎都只会随手机附赠普通的快充充电器。OEM厂商对于成本的控制非常严格，低端手机才1000多，附赠200块的氮化镓充电器肯定是疯了，高端手机也竞争激烈，当前市场环境又不好，能省一分是一分。
买到新手机，很多人都会买个手机壳或者手机膜，但很少人会去另配氮化镓充电器，毕竟随手机附赠的充电器也很好用。所以，氮化镓充电器两头不讨好。在手机厂商和消费者层面的渗透率都很低。况且现在无线充电也很热，实现氮化镓充电器“人手一充”就更不现实了。说到底，消费电子领域是一个生态**，不是氮化镓自己做好就行的。
射频器件领域包括5G、卫星通信和军事等领域。5G基站的大量建设被很多人视为氮化镓的爆发点。5G基站中主要使用的是氮化镓功率放大器和微波射频器件。氮化镓材料在耐高温、耐高压及承受更大电流等多个方**有优势。有报道称，到2025年，我国将建设800万个5G基站，这对氮化镓来说可是一块巨大的蛋糕。
不过，如果我们仔细研究一下，可能会得到不同的结论。5G基站可以简单分为宏基站和微基站（小基站）。在宏基站领域，氮化镓凭借高频、高输出功率的优势，正在逐渐取代现有的LDMOS；在微基站中，未来一段时间内仍然以砷化镓工艺为主，这是因为它具备可靠性和高性价比的优势，氮化镓难以染指。
随着我国进入毫米波网络建设期，未来绝大多数的5G基站都是微基站，宏基站的新建数量在2023年达到峰值后将会持续下滑，氮化镓的宏基站数量恐不升反降。
资料来源：工信部、前瞻产业研究院
既然充电器和5G基站都不太靠得住，很多人便想到了新能源车。那么，氮化镓能不能“上车”呢？
原则上讲当然是有可能性的。不过，车规级器件认证周期很长，成本敏感性高，对材料的可靠性要求极高，乐观估计氮化镓上车得2025年了。另外，不要忘了，电动车是碳化硅的强势领域，碳化硅正在疯狂推广，氮化镓连衬底问题都没解决，拿什么和碳化硅竞争？
事实上，硅材料本身的短板也在通过封装等环节的进步而不断完善。其他半导体材料，如碳化硅、砷化镓、磷化铟等材料也在百家争鸣，恐落人后。包括氧化镓（Ga2O3）在内的新型半导体材料也在冉冉升起。
从某种意义上，氮化镓的某几项天赋很好，但其他材料可能更努力一些。“一招鲜”越来越难“吃遍天”，这也是社会进步的体现。
注：本文不构成任何投资建议。股市有风险，入市需谨慎。没有买卖就没有伤害。
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