出品|每日財報

作者|劉雨辰

受到外圍市場和國際環(huán)境的影響，A股近期走勢非常弱，但有一個新概念受到了市場的熱炒，那就是氮化鎵。炒作往往是盲目的，很多人其實根本不知道這是一種什么物質(zhì)，先科普一下氮化鎵（GaN）。

從化學(xué)命名就可以看出，這是由氮和鎵兩種離子組成的一種半導(dǎo)體材料，在物理特性上，其禁帶寬度大于2.2eV，又被稱為寬禁帶半導(dǎo)體材料，也就是國內(nèi)常說的第三代半導(dǎo)體材料的一種，實際上市場關(guān)注的并不只是氮化鎵，而是第三代半導(dǎo)體材料。

根據(jù)媒體的消息，中國正在規(guī)劃將大力支持發(fā)展第三代半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)寫入“十四五”規(guī)劃之中，計劃在2021到2025年的五年之內(nèi)，舉全國之力，在教育、科研、開發(fā)、融資、應(yīng)用等等各個方面對第三代半導(dǎo)體發(fā)展提供廣泛支持，以期實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)獨立自主，不再受制于人。

第三代是指半導(dǎo)體材料的迭代變化，從第一代、第二代過渡到第三代。第一代半導(dǎo)體材料主要是指以Si、Ge元素為主的半導(dǎo)體，它們是半導(dǎo)體分立器件、集成電路和太陽能電池的基礎(chǔ)材料，但是硅基芯片經(jīng)過長期發(fā)展，已經(jīng)正在逐漸接近材料的極限，硅基器件性能提高的潛力也越來越小。

第二代半導(dǎo)體材料主要是指如砷化鎵、銻化銦等化合物半導(dǎo)體材料，其中以砷化鎵（GaAs）為代表，砷化鎵擁有一些比硅更好的電子特性，可以用在高于250GHz的場合，并且砷化鎵比同樣的硅基器件更適合運用在高功率的場合，可以運用在衛(wèi)星通訊、雷達(dá)系統(tǒng)等地方。

第三代半導(dǎo)體材料以氮化鎵（GaN）和碳化硅（SiC）、氧化鋅（ZnO）、金剛石等寬禁帶物質(zhì)為代表。事實上，三代半導(dǎo)體材料之間的主要區(qū)別就是禁帶寬度?，F(xiàn)代物理學(xué)描述材料導(dǎo)電特性的主流理論是能帶理論，能帶理論認(rèn)為晶體中電子的能級可劃分為導(dǎo)帶和價帶，價帶被電子填滿且導(dǎo)帶上無電子時，晶體不導(dǎo)電。

當(dāng)晶體受到外界能量激發(fā)（如高壓），電子被激發(fā)到導(dǎo)帶，晶體導(dǎo)電，此時晶體被擊穿，器件失效，禁帶寬度代表了器件的耐高壓能力。跟前兩代相比，第三代半導(dǎo)體的禁帶寬度是第一代和第二代半導(dǎo)體禁帶寬度的近3倍，具有更強的耐高壓、高功率能力，更適合于制作高溫、高頻、抗輻射及大功率器件。

第三代半導(dǎo)體材料以氮化鎵（GaN）、碳化硅（SiC）、氧化鋅（ZnO）、金剛石為代表，是5G時代的主要材料，其中氮化鎵（GaN）和碳化硅（SiC）的市場和發(fā)展空間最大。根據(jù)Omdia的《2020年SiC和GaN功率半導(dǎo)體報告》，到2020年底，全球SiC和GaN功率半導(dǎo)體的銷售收入預(yù)計8.54億美元。未來十年年均兩位數(shù)增長率，到2029年將超過50億美元。

展開來看，在軍事領(lǐng)域，GaN可用于雷達(dá)、電子對抗、導(dǎo)彈和無線通信通，碳化硅（SiC）主要用于噴氣發(fā)動機、坦克發(fā)動機、艦艇發(fā)動機；在民用商業(yè)領(lǐng)域，氮化鎵（GaN）用于基站、衛(wèi)星通信、有線電視、手機充電器等小家電，而碳化硅（SiC）主要用于電動汽車、消費電子、新能源、軌道交通等。

實際上，氮化鎵（GaN）技術(shù)并不是一種新的半導(dǎo)體技術(shù)，自1990年起就已經(jīng)常被用在發(fā)光二極管中，但成本昂貴。從制造工藝上來說，氮化鎵沒有液態(tài)，不能使用單晶硅生產(chǎn)工藝的傳統(tǒng)直拉法拉出單晶，需要純靠氣體反應(yīng)合成，而氮氣性質(zhì)非常穩(wěn)定，鎵又是非常稀有的金屬（鎵是伴生礦，沒有形成集中的鎵礦，主要從鋁土礦中提煉，成本比較高），而且兩者反應(yīng)時間長，速度慢，反應(yīng)產(chǎn)生的副產(chǎn)物多。生產(chǎn)氮化鎵對設(shè)備要求又苛刻，技術(shù)復(fù)雜，產(chǎn)能極低，眾多因素疊加影響導(dǎo)致氮化鎵單晶材料很貴。

半導(dǎo)體芯片結(jié)構(gòu)分為襯底、外延和器件結(jié)構(gòu)。襯底通常起支撐作用，外延為器件所需的特定薄膜，器件結(jié)構(gòu)即利用光刻刻蝕等工序加工出具有一定電路圖形的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。第三代半導(dǎo)體目前主流器件形式為碳化硅基-碳化硅外延功率器件、碳化硅基-氮化鎵外延射頻器件。

值得關(guān)注的一點是，目前主流氮化鎵器件公司大多都采用碳化硅襯底，因為基于碳化硅襯底的氮化鎵器件比硅襯底氮化鎵器件性能更好，良率更高，更能體現(xiàn)氮化鎵材料優(yōu)勢。

例如，以碳化硅為襯底的氮化鎵射頻器件同時具備了碳化硅的高導(dǎo)熱性能和氮化鎵在高頻段下大功率射頻輸出的優(yōu)勢，突破了砷化鎵和硅基LDMOS器件的固有缺陷，能夠滿足5G通訊對高頻性能和高功率處理能力的要求，碳化硅基氮化鎵射頻器件已逐步成為5G功率放大器尤其宏基站功率放大器的主流技術(shù)路線。根據(jù)Yole的統(tǒng)計，碳化硅襯底材料市場規(guī)模將從2018年的1.21億美金增長到2024年的11億美金，復(fù)合增速達(dá)44%。按照該復(fù)合增速，2027年碳化硅襯底材料市場規(guī)模將達(dá)到約33億美金。

高技術(shù)門檻導(dǎo)致第三代半導(dǎo)體材料市場被日美歐寡頭壟斷，全球SiC制造廠商主要是英飛凌、Cree和Rohm，三家企業(yè)占據(jù)90%的碳化硅市場份額。以導(dǎo)電型產(chǎn)品為例，2018年美國占有全球碳化硅晶片產(chǎn)量的70%以上，僅CREE公司就占據(jù)一半以上市場份額，剩余份額大部分被日本和歐洲的其他碳化硅企業(yè)占據(jù)。

國內(nèi)開展SiC、GaN材料和器件方面的研究工作比較晚，與國外相比水平較低，阻礙國內(nèi)第三代半導(dǎo)體研究進(jìn)展的重要因素是原始創(chuàng)新問題。雖然相對落后，但目前國內(nèi)還是形成了相對完整的產(chǎn)業(yè)鏈體系，在氮化硅領(lǐng)域，從事襯底片的國內(nèi)廠商主要有露笑科技、三安光電、天科合達(dá)、山東天岳等；從事碳化硅外延生長的廠商主要有瀚天天成和東莞天域等；從事碳化硅功率器件的廠商較多，包括華潤微、揚杰科技、泰科天潤、綠能芯創(chuàng)、上海詹芯等。在氮化鎵領(lǐng)域，盡管碳化硅被更多地作為襯底材料，但國內(nèi)仍有從事氮化鎵單晶生長的企業(yè)，主要有蘇州納維、東莞中鎵、上海鎵特和芯元基等，從事氮化鎵外延片的國內(nèi)廠商主要有三安光電、賽微電子、海陸重工等，從事氮化鎵器件的廠商主要有三安光電、聞泰科技、賽微電子、聚燦光電、乾照光電等。

第三代半導(dǎo)體正處于發(fā)展初期，國內(nèi)和國際巨頭基本處于同一起跑線，這是中國追趕國外的契機。此外，第三代半導(dǎo)體工藝產(chǎn)線對設(shè)備要求低，所以第三代半導(dǎo)體工廠的投資額度大約只有第一代硅基半導(dǎo)體的五分之一，難點不在設(shè)備、不在邏輯電路設(shè)計，而在于工藝，而工藝開發(fā)具有偶然性，相比較邏輯芯片難度降低，這對于本土企業(yè)來說都是利好消息。

《每日財報》認(rèn)為，目前從事第三代化合物半導(dǎo)體最好的商業(yè)模式是IDM模式，重點關(guān)注士蘭微、揚杰科技，其次，從工藝看，最受益的是半導(dǎo)體代工廠，華潤微電子是一個不錯的標(biāo)的。