从2年前被小米拿来当做王牌卖点大肆宣传的“新贵”，到现在几乎成为新产品的标配，氮化镓在短时间内普及到了千家万户。
事实上，说氮化镓材料是“新贵”不太贴切，早在30年前，这种材料就已经被用在半导体上。
1、搭桥铺路
导体行业发展近百年，已经经历了3代半导体晶圆材料的革新。第1代半导体是锗和硅;第2代半导体以砷化镓、磷化铟为代表;氮化镓则属于第3代半导体材料，与其同类的还有碳化硅、氧化锌、氧化铝、金刚石等。
其中，氮化镓和碳化硅是目前研究最为火热的第3代半导体材料，被称为第3代半导体的“双子星”。
在氮化镓和碳化硅中，碳化硅热导率较高，使得其在高功率应用中占据统治地位;由于氮化镓具有更高的电子迁移率，具有更高的开关速度，在高频率应用领域，氮化镓具备优势。
一般说来，电压300-600V的环境下，氮化镓有优势;在600V以上的环境下，碳化硅有优势。
所以现在可以看见，碳化硅功率器件在电动汽车身上越来越多见，而氮化镓的应用领域更多，先伴随着家用电器开枝散叶。
那么，比起第1代和第2代半导体，第3代半导体的进步在哪里呢?
从名字就能看出来——第3代半导体又称作“宽禁带半导体”，其核心优势就在“宽禁带”上。
先简单科普一下“禁带”的概念。
初中化学内容：一个物体能否导电以及导电能力强不强，取决于其能否产生自由流动的电子以及产生自由电子的能力。金属类元素的原子核对外层电子的束缚能力较弱，因此表现为良导体;非金属元素原子核对于外层电子束缚能力强，因此外层电子不能自由流动，成为了绝缘体。
而半导体在二者之间——它本身不导电，但是在一定的状况下，比如掺进杂质后，就可以导电。
在固体中，原子外的电子会分成不同能级，当原子间相互作用导致能级移动时，就产生了一组差别很小的能级，也就是能带。其中，电子从最低能级开始依次向上填充，被填满的能带称为满带，满带中能量最高的一条称为价带。由于已经挤满了电子，可以认为价带中的电子是不导电的
从价带继续往上，就是没有被填满的能带，由于这个能带几乎是空的，所以电子可以自由移动，这个能带就是导带。在导带和价带之间的就是禁带。换句话说，禁带就是电子从价带“突破”到导带所需的能量。
简单打个比方，满带就像半导体内一条挤满电子的公路A，导带则是旁边是一条空荡荡的公路B，禁带是公路A和公路B之间的沟，价带则是公路A上最靠近公路B的车道。
如果沟太宽，电子没办法从公路A跳到公路B上去，交通便陷入彻底瘫痪，这就是绝缘体;如果沟很窄，电子很容易走上公路B，交通就会立刻顺畅起来，这就是金属。半导体就是在公路A和公路B之间搭了一座升降桥，实现电子可控地移动。
从这里我们可以知道，半导体的禁带不能太窄，否则只需很小的能量就能让所有电子自由移动。半导体就变成了导体，上面的电流不再可控。
更关键的是，这种情况是不可逆的，所有电子成为自由电子后，化学键就破裂了，材料本身发生了变性。一旦化学键破裂，就会和环境中的其他原子，例如氧，形成新的化学键，就不再是晶体了。
反过来，禁带宽的好处有很多。比如和前面说的相反，禁带越宽，意味着这个材料本身越难成为导体，可以承受的电压也就越高，用它制作半导体器件也就能承受更高的功率和温度。
进而，相对于原来的硅器件，同样电压等级下，宽禁带半导体的die(从晶圆上切割下的芯片)可以做得更小，从而让干扰半导体元件性能的寄生参数更小，发热更小。寄生参数小则带来导通速度快、反向恢复电流小、开关损耗小、承受温度高等优势。
指标上可以看出，第3代半导体几乎全面领先硅和砷化镓：
2、年增70%的产业
虽说已经出现30多年，但早前，氮化镓的应用主要集中在半导体照明行业，而最被看好，也是当前讨论最热烈的，是其在电力电子领域的前景。
在这方面，目前处于美国、欧洲、日本、中国“四足鼎立”状态。
氮化镓产业链和传统半导体产业类似，包括原材料→器件制造→应用三大环节，器件又可以细分成IC设计→芯片制造→芯片封装3个小环节。
美日欧从2000年就开始通过国家级创新中心、联合研发等形式，抢占第三代半导体技术的战略制高点。
目前，日本在衬底方面处于绝对领先态势。住友电工、三菱化学、住友化学等，三家日商合计市场份额超过85%。
GaN 外延片相关企业主要有比利时的EpiGaN、英国的 IQE、日本的 NTT-AT;GaN 器件设计厂商方面，美国的 EPC、MACOM、Transphom，德国的 Dialog 等为主要参与者;IDM企业中日本的住友电工与美国的 Cree 为行业龙头，市场占有率均超过 30%。
相较而言，中国第三代半导体兴起的时间较短。在缓慢孵化数年后，2013年，科技部863计划才首次将第三代半导体产业列为国家战略发展产业。
2016年，国务院国家新产业发展小组将第三半导体产业列为发展重点。这时候，中国才进入“第三代半导体发展元年”。
但是，这个产业实在太新了，新到还谈不上先进落后。
Yole研究显示，到2020年，氮化镓功率器件的整体市场规模只不过是0.46亿美元，射频器件市场规模也是8.91亿美元，加起来不到10亿美元，未来还有很长一段路要走。
中国在这方面的底气，一是来源于全面的产业布局。
目前，中国企业已经全面覆盖了这些环节，比如在射频领域，GaN衬底生产有维微科技、科恒晶体、镓铝光电等公司;外延片涉足企业有晶湛半导体、聚能晶源、英诺赛科等;苏州能讯、四川益丰电子、中科院苏州纳米所等公司则同时涉足多环节，力图形成全产业链公司。
二是来源于下游应用市场在本土的前景。
氮化镓应用范围广泛，作为支撑“新基建”建设的关键核心器件，其下游应用切中了 “新基建”中5G基站、特高压、新能源充电桩、城际高铁等主要领域。
此外，氮化镓的高效电能转换特性，能够帮助实现光伏、风电(电能生产)，直流特高压输电(电能传输)，新能源汽车、工业电源、机车牵引、消费电源(电能使用)等领域的电能高效转换，助力“碳达峰，碳中和”目标实现。
上述这些，全都是国内正在高速发展的产业，且在不少领域拥有体量或技术优势，其势必会倒逼国内氮化镓产业的进步。
在其他方面，截至2021年底，我国累计建成并开通5G基站142.5万个，占全球60%以上。前瞻产业研究院预计，到2025年，预计累计建设的5G基站数目约在500万站，到2030年，预计5G宏基站和小基站新建数量合计可达1000万站。
在这方面，Yole预计，氮化镓射频器件的市场规模预计能在2026年增长至24亿美元，复合年均增长率为18%。
更值得关注的是和电动汽车、工业应用相关的功率应用方向。
据Yole预计，到2026年，氮化镓功率器件市场规模的复合年均增长率将高达70%，呈爆发态势。其中，电动汽车相关领域的年复合增长率更是高达185%。
在这方面，中国或成最大赢家。Canalys最新报告显示，在2021年全球汽车市场不景气，总销售量仅增长4%的情况下，电动汽车销量却同比增长109%，至650万辆。中国作为最重要的推动力量，售出320万辆电动汽车，占其中的一半。
如果看产量，势头更强。日本经济新闻根据英国调查公司LMC Automotive数据推算的结果显示，2021年全球纯电动汽车产量为399万辆，中国就生产了229万辆，占到整体的57.4%。
3、香饽饽
对于以氮化镓为代表的第三代半导体发展，国家鼎力扶持。
“十三五”时期以来，国家层面的政府部门发布了多项关于半导体行业、半导体材料行业的支持、引导政策，这些鼓励政策涉及减免企业税负、加大资金支持力度、建立产业研发技术体系等等。
在2021年的《中华人民共和国国民经济和社会发展第十四个五年规划和2035年远景目标纲要》中，“碳化硅、氮化镓等宽禁带半导体发展”又被列为项目之一。
除了国家层面的支持政策外，我国地方各级政府也进一步支持氮化镓产业的发展，支持的方面包括集群培育、科研奖励、人才培育以及项目招商等，各地通过政策将实质性的人、财、物资源注入，推动着各地产业集聚加速。
资本当然不会错过这场盛宴。
据不完全统计，今年上半年，国内氮化镓领域已经完成了9家企业超过50亿融资，当中英诺赛科2月的D轮融资规模达到30亿人民币。同样主业为第三代半导体的启迪半导体以14.3亿元被上市公司长飞光纤并购，显示出这一全新半导体材料所受的高度关注。
来源：前瞻网
