解析連接器半導(dǎo)體材料之氮化鎵（GaN）篇

半導(dǎo)體材料（semiconductor material）是一類具有半導(dǎo)體性能（導(dǎo)電能力介于導(dǎo)體與絕緣體之間，電阻率約在1mΩ·cm～1GΩ·cm范圍內(nèi)）、可用來(lái)制作半導(dǎo)體器件和集成電路的電子材料。

相對(duì)于半導(dǎo)體設(shè)備市場(chǎng)，半導(dǎo)體材料市場(chǎng)長(zhǎng)期處于配角的位置，其中半導(dǎo)體材料市場(chǎng)的60％都是芯片制造材料，以硅晶圓和光掩膜為主，此外還有濕化學(xué)試劑、濺射靶等。但隨著芯片出貨量增長(zhǎng)，材料市場(chǎng)將保持持續(xù)增長(zhǎng)。

一開始，日本是世界最大的半導(dǎo)體材料市場(chǎng)，隨后中國(guó)臺(tái)灣、韓國(guó)等地區(qū)也逐漸開始崛起，材料市場(chǎng)的崛起體現(xiàn)了器件制造業(yè)在這些地區(qū)的發(fā)展。晶圓制造材料市場(chǎng)和封裝材料市場(chǎng)雙雙獲得增長(zhǎng)，未來(lái)增長(zhǎng)將趨于緩和，但增長(zhǎng)勢(shì)頭仍將保持。

第三代半導(dǎo)體材料崛起

如今，半導(dǎo)體材料已經(jīng)發(fā)展到第三代，逐代來(lái)看：第一代半導(dǎo)體材料以硅和鍺等元素半導(dǎo)體材料為代表。其典型應(yīng)用是集成電路，主要應(yīng)用于低壓、低頻、低功率晶體管和探測(cè)器中，在未來(lái)一段時(shí)間，硅半導(dǎo)體材料的主導(dǎo)地位仍將存在。但是硅材料的物理性質(zhì)限制了其在光電子和高頻電子器件上的應(yīng)用，如其間接帶隙的特點(diǎn)決定了它不能獲得高的電光轉(zhuǎn)換效率。且其帶隙寬度較窄（1．12 eV）飽和電子遷移率較低（1450 cm2／V·s），不利于研制高頻和高功率電子器件。

第二代半導(dǎo)體材料以砷化鎵和磷化銦（InP）為代表。砷化鎵材料的電子遷移率是硅的6倍，具有直接帶隙，故其器件相對(duì)硅器件具有高頻、高速的光電性能，公認(rèn)為是很合適的通信用半導(dǎo)體材料。同時(shí)，其在軍事電子系統(tǒng)中的應(yīng)用日益廣泛且不可替代。然而，其禁帶寬度范圍僅涵蓋了1．35 eV（InP）～2．45 eV（AlP），只能覆蓋波長(zhǎng)506～918 nm的紅光和更長(zhǎng)波長(zhǎng)的光，而無(wú)法滿足中短波長(zhǎng)光電器件的需要。由于第二代半導(dǎo)體材料的禁帶寬度不夠大，擊穿電場(chǎng)較低，極大的限制了其在高溫、高頻和高功率器件領(lǐng)域的應(yīng)用。另外由于GaAs材料的毒性可能引起環(huán)境污染問題，對(duì)人類健康存在潛在的威脅。

第三代半導(dǎo)體材料是指Ⅲ族氮化物（如氮化鎵（GaN）、氮化鋁（AlN）等）、碳化硅、氧化物半導(dǎo)體（如氧化鋅（ZnO）、氧化鎵（Ga2O3）、鈣鈦礦（CaTiO3）等）和金剛石等寬禁帶半導(dǎo)體材料。與前兩代半導(dǎo)體材料相比，第三代半導(dǎo)體材料禁帶寬度大，具有擊穿電場(chǎng)高、熱導(dǎo)率高、電子飽和速率高、抗輻射能力強(qiáng)等優(yōu)越性質(zhì)，因此采用第三代半導(dǎo)體材料制備的半導(dǎo)體器件不僅能在更高的溫度下穩(wěn)定運(yùn)行，而且在高電壓、高頻率狀態(tài)下更為可靠，此外還能以較少的電能消耗，獲得更高的運(yùn)行能力。

對(duì)比于第一代硅（Si）、鍺（Ge）半導(dǎo)體，第二代、第三代半導(dǎo)體的主要優(yōu)勢(shì)在于：

1）禁帶寬度較大，所制造的器件可耐受較大功率，且工作溫度更高；

2）電子遷移率高，適合高頻、高速器件；

3）光電轉(zhuǎn)換效率高，適合制作光電器件。

5G時(shí)代，氮化鎵（GaN）成為發(fā)展重點(diǎn)

第三代半導(dǎo)體材料正在成為搶占下一代信息技術(shù)、節(jié)能減排技術(shù)及國(guó)防安全技術(shù)的戰(zhàn)略制高點(diǎn)，是戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)的重要組成部分。

隨著當(dāng)前5G技術(shù)的成熟，GaN材料開始展現(xiàn)出無(wú)與倫比的發(fā)展?jié)摿?。它是一種寬能隙材料，能夠提供與碳化硅（SiC）相似的性能優(yōu)勢(shì)，但降低成本的可能性卻更大。業(yè)界認(rèn)為，在未來(lái)數(shù)年間，GaN功率器件的成本可望壓低到和硅MOSFET、IGBT及整流器同等價(jià)格。

GaN性能特點(diǎn)：

1、高性能，主要包括高輸出功率、高功率密度、高工作帶寬、高效率、體積小、重量輕等。目前第一代和第二代半導(dǎo)體材料在輸出功率方面已經(jīng)達(dá)到了極限，而GaN半導(dǎo)體由于在熱穩(wěn)定性能方面的優(yōu)勢(shì)，很容易就實(shí)現(xiàn)高工作脈寬和高工作比，將天線單元級(jí)的發(fā)射功率提高10倍；

2、高可靠性，功率器件的壽命與其溫度密切相關(guān)，溫結(jié)越高，壽命越低。GaN材料具有高溫結(jié)和高熱傳導(dǎo)率等特性，極大地提高了器件在不同溫度下的適應(yīng)性和可靠性。GaN器件可以用在650°C以上的軍用裝備中；

3、低成本，GaN半導(dǎo)體的應(yīng)用，能夠有效改善發(fā)射天線的設(shè)計(jì)，減少發(fā)射組件的數(shù)目和放大器的級(jí)數(shù)等，有效降低成本。目前GaN已經(jīng)開始取代GaAs作為新型雷達(dá)和干擾機(jī)的T／R（收／發(fā)）模塊電子器件材料。美軍下一代的AMDR（固態(tài)有源相控陣?yán)走_(dá)）便采用了GaN半導(dǎo)體。氮化鎵禁帶寬度大、擊穿電壓高、熱導(dǎo)率大、電子飽和漂移速度高、抗輻射能力強(qiáng)和良好的化學(xué)穩(wěn)定性等優(yōu)越性質(zhì)，使得它成為迄今理論上電光、光電轉(zhuǎn)換效率最高的材料體系，并可以成為制備寬波譜、高功率、高效率的微電子、電力電子、光電子等器件的關(guān)鍵基礎(chǔ)材料。

采用氮化鎵材料制備的電力電子器件具有更高的工作電壓、更高的開關(guān)頻率、更低的導(dǎo)通電阻等優(yōu)勢(shì)，并可與成本極低、技術(shù)成熟度極高的硅基半導(dǎo)體集成電路工藝相兼容，在新一代高效率、小尺寸的電力轉(zhuǎn)換與管理系統(tǒng)、電動(dòng)機(jī)車、工業(yè)電機(jī)等領(lǐng)域具有巨大的發(fā)展?jié)摿Α?/p>

氮化鎵產(chǎn)業(yè)鏈各環(huán)節(jié)龍頭企業(yè)一覽

GaN 代工：三安光電；

電源驅(qū)動(dòng)芯片：圣邦股份、富滿電子；

協(xié)議芯片：瑞芯微、全志科技；

平面變壓器、共模電感：順絡(luò)電子

Type C 連接器：立訊精密、長(zhǎng)盈精密、電連技術(shù)；

充電器代工：領(lǐng)益智造；

射頻芯片設(shè)計(jì)：卓勝微；

毫米波 T／R 芯片模組：和而泰；

功率半導(dǎo)體：斯達(dá)半導(dǎo)、揚(yáng)杰科技、捷捷微電、士蘭微、臺(tái)基股份、華微電子、蘇州固锝；

半導(dǎo)體設(shè)備：北方華創(chuàng)；

12 寸大硅片：中環(huán)股份；

硅片衍生設(shè)備：晶盛機(jī)電。