氮化镓半导体国内应用研究

马 瑞 关国华 刘 佳

（中车永济电机有限公司 西安 710016）

摘要：氮化镓（GaN）材料因具有宽禁带宽度、高击穿场强等综合优势，被认为是继硅之后最重要的半导体材料之一。本文在对氮化镓半导体现有主要应用领域进行分析的基础上，针对国内市场现状和产业布局进行讨论，并提出氮化镓（GaN）半导体国内从业企业的发展态势及突破方向。

关键词：氮化镓；GaN；半导体

一、氮化镓半导体材料特性

半导体材料到目前经历了3个发展阶段。第一代是硅和锗等基础功能材料；第二代开始进入由两种以上元素组成的化合物半导体材料（以砷化镓和磷化铟等为代表）；第三代则是氮化镓和碳化硅等宽频化合物半导体材料。其中氮化镓因具有广泛的应用性，被认为是继硅之后最重要的半导体材料之一。

我国是镓的主产区之一，拥有大量镓矿储备，因此，氮化镓材料的开采和制造更加方便，从国际环境来看，我国使用氮化镓更加安全^【1】。

基于 GaN 材料制备的功率器件拥有更高的功率输出密度和更高的能量转换效率，可实现系统小型化、轻量化，有效降低电力电子装置的体积和重量，将氮化镓应用在高功率和高速元件中，同时可带来更高的功率和效率^【1】。

二、氮化镓半导体主要应用领域

氮化镓材料自20世纪90年代以来应用于发光二极管等器件中。到本世纪初，市场上陆续推出了多款可广泛应用于通信电源和民用供电行业的氮化镓功率器件。因其具有更高的临界电场强度、更低的开态电阻、更快的开关频率，可以实现更高的系统效率，更适合于高温度、高电压、低电阻率、损耗小、高频率的应用场合^【2】。

GaN的优势在高频领域，目前主要集中在1000V以下，例如通信基站、消费电子等；SiC的优势在高温和1200V以上的高压电力领域，包括智能电网、光伏逆变器、高铁、新能源汽车、工业电机等；在中低频中低功率领域，GaN和SiC都可以应用，与传统Si基器件进行竞争^【3】。

（一）通信领域

目前已经有部分通信电源厂家将氮化镓半导体材料应用于高性能电源模块中。其中，将GaN功率放大器应用于5G大功率基站中可解决5G移动网络中面积小但数据流量请求相对集中的问题。在大功率通信电源设备中氮化镓半导体器件同样有广阔的应用前景。针对于数据中心交流不间断电源、开关电源尤其是高压直流电源等，都可以通过采用氮化镓半导体器件提高系统效率，减少设备体积，保证设备器件耐压能力，提高设备可靠性等。若整体选用氮化镓功率器件，可实现模块总体积减少约30%，且散热能力和耐压能力均可得到大幅提升。

（二）电动汽车领域

汽车领域是 GaN 在大功率器件中的重点应用场景，传统车和新能源车会是GaN功率器件的全新应用场景，已有多家企业尝试应用。在PCIM Europe 202展示了一款采用可再生能源太阳能蓄电池的 All-GaN（全氮化镓）汽车，证明了GaN在汽车功率转换方面的可行性，同时也证明了GaN适合于需要更高电压、频率、温度和效率的应用场景。

（三）军用领域

氮化镓器件目前已实现以新型战机的机载有源相控阵雷达器件为代表的军用雷达器件中的应用。

（四）电子领域

随着新型驱动、控制和电源转换方案用于更高功率的应用场景出现，传统材料的技术性能已经发展至瓶颈阶段，因此，对于新型材料的应用变得越来越紧迫，氮化镓半导体材料的应用为实现这一目标提供了可能性。目前在民用手机电源、无线充电和电脑电源市场上涌现出各类氮化镓半导体相关产品。低功率快速充电USB电源适配器和游戏类笔记本电脑高功率适配器等也应用了氮化镓材料。

三、氮化镓半导体的市场现状

目前半导体市场90%仍然是以硅材料为代表的第一代半导体，第三代半导体的市场份额不10%，和一代二代形成互补，还需要继续攻坚和培育。在技术和企业规模等方面，我国企业与国际公司存在较大差距。

1. 国内企业在市场中不占优势

我国仍未出现具有绝对优势的龙头企业，虽然一些企业经过几年摸索沉淀，已完成技术、产品和市场的初期积累，并在资本的加持下，实现一定规模产能的上量突破，但市场占有率仍然较低。相比之下，国际第三代半导体巨头企业有非常明显的技术优势，在一定程度上形成行业壁垒，国内企业市场机会被挤压。

2. 当前应用价格价格偏高

氮化镓半导体材料较传统硅基半导体材料生产工艺复杂、成品率偏低等原因，使得现阶段价格偏高。采用氮化镓半导体材料的MOS管价格是传统硅半导体材料价格的近20倍。但随着消费市场规模的不断扩大，以及氮化镓半导体的产业化趋于成熟，价格也将逐步降低。

3. 关键器件依赖进口

大量的氮化镓半导体生产工艺及元器件专利掌握在欧美和日韩等国家，国内相当部分的关键器件也依赖进口。因此，国内企业在相关领域需积极进行国产化研制及应用验证。

四、氮化镓半导体国内产业布局

作为半导体产业链中的新机遇，第三代半导体受到国内各省市热捧，纷纷加速布局。

首先，从政策层面看，2020年7月，国务院发布《新时期促进集成电路产业和软件产业高质量发展若干政策的通知》。此后，包括《关于扩大战略性新兴产业投资培育壮大新增长点增长极的指导意见》、《关于促进集成电路产业和软件产业高质量发展企业所得税政策的公告》等政策出台，都为第三代半导体等相关企业提供政策支持。

与此同时，国内各地区也纷纷提出相关发展方向。广东省提出大力发展氮化镓、碳化硅、氧化锌、氧化镓、氮化铝、金刚石等第三代半导体材料，支持氮化镓、碳化硅、砷化镓、磷化铟等化合物半导体器件和模块的研发制造；安徽省、天津市、福建省、云南省、青海省、西安市提出建设以5G为核心的氮化镓射频产业；河北省、山东省、湖南省、山西省、福建省侧重于第三代半导体全产业链布局。

从企业分布地区来看，长三角和珠三角的企业密集度相对较高。其中，江苏省和广东省的产业链更为齐全。

五、氮化镓半导体未来发展分析

第三代半导体产业技术创新战略联盟（CASA）发布的《第三代半导体产业发展报告（2020）》指出，未来5年将是第三代半导体产业发展的关键期，全球资本加速进入第三代半导体材料和器件领域，产能大幅度提升，正处于产业爆发前的“抢跑”阶段。与此同时，第三代半导体的需求在持续上升，应用场景包括5G基站中的功率放大器、5G 通信电源，新能源汽车逆变器及充电桩电源模块，数据中心和工业互联网中的服务器电源，特高压、轨道交通的电源，手机快充等。预计到2025年GaN电力电子器件市场规模将超过6.8亿美元。

从技术角度而言，我们一方面要紧跟相关器件产业化和规模化的潮流，另一方面需提升相关技术水平。第三代半导体并不能够完全取代先进制程的第二代半导体，但是因为应用场景如新能源汽车、5G新应用市场等发生变化，第三代半导体市场的增长潜力巨大，且其在材料上压力相对较小，生态管理的挑战也小一些，是国内容易追赶并突破的领域。

从应用领域看，宽禁带半导体最大的市场主要是应用SiC功率器件的新能源汽车和GaN器件的消费类快充市场等，目前国内已涌现出大量企业布局此类产品，推出的氮化镓快充产品多达数百款。伴随着氮化镓快充市场的迅速爆发，氮化镓功率器件、快充协议芯片以及氮化镓控制芯片均全面实现本土化，国内氮化镓企业也将随着快充市场的发展而实现发展壮大^【4】。

参考文献：

【1】氮化镓半导体材料通信电源应用.《电信工程技术与标准化》.冯晨 ，曾开文.2021年7月

【2】基于氮化镓器件的高功率因数无频闪LED驱动电源研究.哈尔滨理工大学.尤波.2021年3月

【3】新基建带动下的第三代半导体产业发展机遇.《规划管理》.程星华.2021年5月

【4】宽禁带半导体：一场能源转换链中的革命.《中国电子报》.2021年7月30日.第001版

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