氮化镓占据第三代半导体材料c位 我国积极布局却仍面临2大难题 >> 行业新闻-j9九游会登录入口

 

（文章来源：半导体行业观察）

 

随着半导体工艺的特征尺寸日益逼近理论极限，摩尔定律对半导体行业的加速度已经明显放缓，未来半导体技术的提升，除了进一步榨取摩尔定律在制造工艺上的最后的“剩余价值”外，寻找硅（si）以外的新一代半导体材料，则成了一个重要的方向。近几年，氮化镓作为一个高频词汇进入了人们的视野中。

 

什么是氮化镓？氮化镓何以占据c位？

 

氮化镓，分子式gan，英文名称gallium nitride，是氮和镓的化合物，是一种直接能隙（direct bandgap）的半导体，自1990年起常用在发光二极管中。此化合物结构类似纤锌矿，硬度很高。氮化镓的能隙很宽，为3.4电子伏特，可以用在高功率、高速的光电元件中，例如氮化镓可以用在紫光的激光二极管，可以在不使用非线性半导体泵浦固体激光器（diode-pumped solid-state laser）的条件下，产生紫光（405nm）激光。

 

氮化镓自出生以来南征北战，无论是pk碳化硅（sic）还是吊打砷化镓（gaas），作为第三代半导体材料的gan优势凸显。由于禁带宽度大、导热率高，gan器件可在200℃以上的高温下工作，能够承载更高的能量密度，可靠性更高；其较大的禁带宽度和绝缘破坏电场，使得器件导通电阻减少，有利于提升器件整体的能效；且电子饱和速度快，以及较高的载流子迁移率，可让器件高速地工作。

 

同为第三代半导体材料，相比于sic，gan之所以更受宠主要是两个因素： 

 

（1）gan在成本控制方面显示出了更强的潜力。目前主流的gan技术厂商都在研发以si为衬底的gan的器件，来替代昂贵的sic衬底。有分析预测，到2019年gan mosfet的成本将与传统的si器件相当，并且gan技术对于供应商来说是一个非常有吸引力的市场机会，它可以向它们的客户提供目前半导体工艺材料可能无法企及的性能。

 

（2）再者，由于gan器件是个平面器件，与现有的si半导体工艺兼容性强，这使其更容易与其他半导体器件集成。

 

yole developpement功率电子暨化合物半导体事业单位经理pierricgueguen认为，碳化硅主要适用于600v以上的高功率应用，氮化镓则适用于200~600v中功率应用。根据yole的预测，到2020年氮化镓将进一步往600~900v发展，届时gan势必会与碳化硅产生竞争关系。

 

2014年，日本名古屋大学和名城大学教授赤崎勇、名古屋大学教授天野浩和美国加州大学圣塔芭芭拉分校教授中村修二因发明蓝光led而获的当年的诺贝尔物理奖。其中氮化镓正是推动了蓝光led向前发展的重要新型材料。至此，氮化镓在确立了其在光电领域的重要地位。

 

除了led，氮化镓也被使用到了功率半导体与射频器件上。基于氮化镓的功率芯片正在市场站稳脚跟。氮化镓(gan)功率半导体技术和模块式设计的进步，使得微波频率的高功率连续波(cw)和脉冲放大器成为可能。

 

中国积极布局第三代半导体材料

 

最近几年，我国正在大力发展集成电路产业，第三代半导体作为下一代电子产品的重要材料和元件，自然也受到了重点关注。

 

2015年5月，国务院印发了《中国制造2025》。其中，4次提到了以碳化硅、氮化镓为代表的第三代半导体功率器件。

 

2016.09科技部立项国家重点研发计划“战略性先进电子材料”重点专项---面向下一代移动通信的gan基射频器件关键技术及系统应用”， 该项目旨在针对5g通信需求，建立开放的工艺代工线，实现从高效率器件到超宽带电路设计等系列自主可控的gan基射频器件和电路成套技术；建立“产学研用”协同创新产业链，实现gan器件与电路在通信系统的应用，推动我国第三代半导体在射频功率领域的可持续发展。

 

2018年7月，国内首个《第三代半导体电力电子技术路线图》正式发布。路线图主要从衬底/外延/器件、封装/模块、sic应用、gan应用等四个方面展开论述，提出了中国发展第三代半导体电力电子技术的路径建议和对未来产业发展的预测。

 

到目前为止，国内已有四条4/6英寸sic生产/中试线和三条gan生产/中试线相继投入使用，并在建多个与第三代半导体相关的研发中试平台。

 

在gan衬底方面，国内已经小批量生产2英寸衬底，具备4英寸衬底生产能力，并开发出6英寸衬底样品。国内可提供相关产品的企业有：纳维科技、中镓半导体。

 

国内都有哪些氮化镓的供应商？

 

根据research and markets发布的“氮化镓半导体器件市场2023年全球预测”称，氮化镓器件市场预计将从2016年的165亿美元，增长至2023年的224.7亿美元，年复合增长率为4.51%。gan产业链包括上游的材料（衬底和外延）、中游的器件和模组、下游的系统和应用。在国内gan逐步扩大的市场带动下，上、中、下游各环节均开始出现大批厂商。

 

gan衬底供应商

 

纳维科技

 

2007年苏州纳维科技有限公司成立，成为我国首家具备氮化镓晶片生产能力的公司。经过10年努力，实现了2英寸氮化镓单晶衬底的生产、完成了4英寸产品的工程化技术开发、突破了6英寸的关键技术，现在是国内唯一一家、国际上少数几家之一能够批量提供2英寸氮化镓单晶产品的单位。公司氮化镓产品性能综合指标国际领先，未来3年重点实现将技术先发优势转化为在全球的市场优势。

 

东莞中镓

 

东莞市中镓半导体科技有限公司成立于2009年1月，公司创造性采用mocvd技术、hvpe技术相结合的方法，研发、生产产品包括：氮化镓（gan）半导体衬底材料，gan/ai2o3复合衬底、gan单晶衬底及氢化物气相外延设备（hvpe）等，主要应用于miniled& microled、车灯、激光器、功率器件、射频器件。

 

公司已建成国内首家专业的氮化镓（gan）衬底材料生产线，制备出厚度达1100微米的自支撑gan衬底，并能够稳定生产。

 

gan外延供应商

 

苏州晶湛

 

苏州晶湛半导体有限公司成立于2012年3月，2014年底，晶湛半导体在全球首家发布其商品化8英寸硅基氮化镓外延片产品，经有关下游客户验证，该材料具备全球领先的技术指标和卓越的性能，并填补了国内乃至世界氮化镓产业的空白。截至目前，晶湛半导体已完成b轮融资，用于扩大生产规模，150mm的 gan-on-si 外延片的月产能达1万片。

 

苏州精湛致力于为电子电力、微波射频、微显示器件应用领域提供高品质氮化镓材料。

 

聚能晶源

 

2018 年，耐威科技先后投资设立了聚能晶源、青岛聚能创芯微电子有限公司，两家控股子公司业务均与氮化镓（gan）相关：聚能创芯主要从事功率与微波器件，尤其是氮化镓（gan）功率与微波器件的设计、开发；聚能晶源主要从事半导体材料，尤其是氮化镓（gan）外延材料的设计、开发、生产。

 

2018年12月聚能晶源成功研制了 8 英寸硅基氮化镓（gan-on-si）外延晶圆。该型外延晶圆在实现了 650v/700v 高耐压能力的同时，保持了外延材料的高晶体质量、高均匀性与高可靠性，可以完全满足产业界中高压功率电子器件的应用需求。

 

世纪金光

 

北京世纪金光半导体成立于2010年，公司经过多年的发展，公司在sic、gan领域的单晶、外延、器件和模块都有涉及。已成为集半导体单品材料、外延、器件、模块的研发、设计、生产与销售于一体的、贯通第三代半导体全产业链的“双创型”高新技术产业。

 

gan射频器件供应商

 

中晶半导体

 

东莞市中晶半导体科技有限公司成立于2010年，公司以北京大学为技术依托，引进海内外优秀的产学研一体化团队，技术涵盖mini/microled、器件等核心领域。

 

中晶半导体主要以hvpe设备等系列精密半导体设备制造技术为支撑，以gan衬底为基础，重点发展mini/microled外延、芯片技术，并向新型显示模组方向延展；同时，中晶半导体将以gan衬底材料技术为基础，孵化vcsel、电力电子器件、化合物半导体射频器件、车灯封装模组、激光器封装模组等国际前沿技术，并进行全球产业布局。

 

英诺赛科

 

英诺赛科（珠海）科技有限公司是2015年12月由海归团队发起，并集合了数十名国内外精英联合创办的第三代半导体电力电子器件研发与生产的高科技企业。公司的主要产品包括30v-650v氮化镓功率与5g射频器件，产品设计及性能均达到国际先进水平。

 

2017年11月英诺赛科的8英寸硅基氮化镓生产线通线投产，成为国内首条实现量产的8英寸硅基氮化镓生产线。

 

三安集成

 

三安集成成立于2014年，其母公司三安光电是一家led外延芯片龙头企业，三安集成是涵盖微波射频、高功率电力电子、光通讯等领域的化合物半导体制造平台，具备衬底材料、外延生长、以及芯片制造的产业整合能力，拥有大规模、先进制程能力的mocvd 外延生长制造线。

 

目前已小批量生产砷化镓、氮化镓和碳化硅产品，并陆续投用市场。

 

苏州能讯

 

苏州能讯高能半导体有限公司是由海外归国人员创办的高新技术企业，能讯半导体采用整合设计与制造（idm）的模式，自主开发了氮化镓材料生长、芯片设计、晶圆工艺、封装测试、可靠性与应用电路技术。目前公司拥有专利280项，在国际一流团队的带领下，能讯已经拥有全套自主知识产权的氮化镓电子器件设计、制造技术。

 

gan电子电力器件供应商

 

江苏能华

 

江苏能华微电子科技发展有限公司成立于2010年6月，是由国家“千人计划”专家朱廷刚博士创办，建设8条6英寸以上的外延片生产线和一条完整的功率器件工艺生产线，主要生产以氮化镓为代表的复合半导体高性能晶圆及其功率器件、芯片和模块。

 

2016年，江苏能华参与了国家重点研发计划战略性先进电子材料重点专项，进行gan基新型电力电子器件关键技术项目。

 

江苏华功

 

江苏华功半导体有限公司成立于2016年5月，在第三代半导体行业拥有雄厚的专家资源、优秀的人才队伍、长期的技术积累和丰富的产业化经验。

 

华功半导体的技术团队以北京大学、中山大学以及合作的高校产业化企业为核心，从2012年开始合作推动硅基氮化镓功率电子产业化，目前已攻克了相关材料与器件的产业化关键技术。

 

大连芯冠

 

大连芯冠科技有限公司成立于2016年3月，是一家由海外归国团队创立的半导体国家级高新技术企业。采用了整合设计与制造（idm）的商业模式，开展以氮化镓为代表的第三代半导体外延材料和电子器件的研发与产业化。

 

公司拥有国际先进的德国爱思强mocvd外延炉及外延表征设备、6英寸化合物半导体芯片生产线、晶圆在片检测系统、可靠性测试系统和应用开发系统。在电力电子领域，公司已实现6英寸650伏硅基氮化镓外延片的量产，并发布了比肩世界先进水平的650伏硅基氮化镓功率器件产品，主要应用于电源管理、太阳能逆变器、电动汽车及工业马达驱动等领域。在微波射频领域，公司已进行硅基氮化镓外延材料的开发，射频芯片的研发与产业化准备工作亦已展开，产品定位为10ghz以下的射频通讯和射频能量市场。

 

苏州捷芯威

 

苏州捷芯威半导体有限公司是国内第一家专注于氮化镓电力电子器件研发和制造的高科技企业，由海外归国人员创办于苏州工业园区，拥有专业的销售、研发、技术团队。自主研发世界上第一款氮化镓电路保护开关器件，单管击穿电压达2000v；拥有多款硅基氮化镓电力电子器件、电压等级从200v到600v，并率先在国内实现了600v氮化镓增强型高压开关器件。同时开发了多款基于gan技术的应用电路，例如500w的pfc电路、500w的dc-dc、dc-ac和ac-dc转换电路、双脉冲测试电路、无线电能传输电路等。产品涉及it、消费电子、电机控制、电动汽车、可再生资源、智能电网等应用领域。

 

gan功率器件供应商

 

华润微电子

 

2017年12月，华润微电子完成对中航（重庆）微电子有限公司的收购，拥有8英寸硅基氮化镓生产线和国内首个8英寸600v/10a gan功率器件产品，用于电源管理。

 

华润微规划建设的化合物半导体项目,判断生产线主要是gan工艺。该项目将分两期实施,其中一期项目投资20亿元,二期投资30亿元。

 

杭州士兰微

 

2017年三季度士兰微打通了一条6英寸的硅基氮化镓功率器件中试线。打通之后士兰微会进一步加强这方面的技术研发，公司预计在未来1-2年内会有产品突破，能够有新产品尽快推到市场上。

 

2018年10月，杭州士兰微电子股份有限公司厦门12英寸芯片生产线暨先进化合物半导体生产线正式开工。2017年12月，士兰微电子与厦门市海沧区人民政府签署了《战略合作框架协议》。士兰微电子公司与厦门半导体投资集团有限公司共同投资220亿元人民币，在厦门规划建设两条12英寸90～65nm的特色工艺芯片（功率半导体芯片及mems传感器）生产线和一条4/6英寸兼容先进化合物半导体器件（第三代功率半导体、光通讯器件、高端led芯片）生产线。

 

gan光电供应商

 

三安光电

 

三安光电股份有限公司成立于2000年11月,于2008年7月在上海证券交易所挂牌上市。三安光电主要从事全色系超高亮度led外延片、芯片、ⅲ-ⅴ族化合物半导体材料、微波通讯集成电路与功率器件、光通讯元器件等的研发、生产与销售，产品性能指标居国际先进水平。

 

公司凭借强大的企业实力，继2014年扩大led外延芯片研发与制造产业化规模、同时投资集成电路产业，建设砷化镓高速半导体与氮化镓高功率半导体项目之后， 2018年三安光电在福建泉州南安高新技术产业园区，斥资333亿元投资ⅲ-ⅴ族化合物半导体材料、led外延、芯片、微波集成电路、光通讯、射频滤波器、电力电子、sic材料及器件、特种封装等产业。

 

中蕊光电

 

中蕊光电公司在光电装备领域拥有多项领先优势，其中：公司掌握着光电半导体核心器件、氮化镓（gan）和碳化硅（sic）等第三代半导体器件制备技术的核心科技，技术指标和装备质量达到国际同行业领先水平；

 

依据公司的中长期发展规划，公司将夯实现有技术基础，充分发挥核心技术的国际领先性，迅速拓展装备应用领域，形成以gan半导体材料科研基地和光电装备生产基地，逐步推进形成达百亿产值的gan半导体产业集群。

 

聚芯光电 

 

山东聚芯光电科技有限公司成立于2016年3月，由山东成林光电技术有限责任公司和内蒙古蒙西高新技术集团有限公司共同出资设立，专业从事led芯片、氮化镓功率器件、太阳能led灯具的研发生产销售与技术服务。

 

公司拥有授权发明专利四项、授权实用新型专利六项，建有现代化的研发实验室和研发生产基地，拥有较强的科技研发实力和技术创新能力，先后获评山东省科技型中小微企业、东营市科技型企业、国家科技型中小企业、东营市知识产权示范企业、国家级高新技术企业。

 

晶能光电

 

晶能光电（江西）有限公司成立于2006年，晶能光电是硅衬底led技术的最早实践者，并在 2012 年 6 月开始量产硅衬底氮化镓led芯片

 

作为全球硅衬底led技术的领导者，晶能光电用短短十年时间将一项实验室技术发展成为全球第三条蓝光led技术路线，完成全球硅衬底led专利布局。目前，围绕该项目已申请专利330多项，已授权专利 147项，其中授权国际专利47项。这些专利将是构建中国led产业知识产权池的基石，对我国的led产业格局和产业安全将产生重大的影响。

 

gan代工供应商

 

海威华芯

 

海特高新控股子公司海威华芯主要从事第二代/第三代化合物半导体集成电路芯片的晶圆代工业务，产品主要面向5g、雷达  、新能源、物联网等高端芯片市场。海威华芯是国内首家提供六英寸砷化镓/氮化镓微波集成电（gaas/gan mmic）的纯晶圆代工服务的制造企业。公司的氮化镓已成功突破6英寸gan晶圆键合技术。

 

海威华芯填补了国内空白，打破了国外对中国高端射频芯片的封锁，成为国家高端芯片供应安全的重要保障。

 

氮化镓的难度比外界想象的大很多

 

国内氮化镓材料的发展难题主要有以下几点：

 

一是在技术上。宽禁带功率半导体面临的技术难题很多，如衬底材料的完整性、外延层及欧姆接触的质量、工艺稳定性、器件可靠性以及成本控制等，宽禁带功率半导体产业化的难度比外界想象的要大很多。

 

二是在生态环境假设上。5g移动通信、电动汽车等是宽禁带半导体产业最具有爆发性增长潜力的应用领域，国内在产业生态的成熟度上与国外的差距还比较明显，落后程度更甚于技术层面的落后程度。产业链上下游协同不足，尚未解决材料“能用-可用-好用”发展过程中的问题和障碍。

 

虽然目前我国在一些gan领域取得了关键性突破，但是与国际领先水平相比，我国在第三代半导体衬底、外延材料、器件的整体技术水平落后3年左右。在gan领域缺少原始创新的专利，仍需要积极引进国外优秀技术人才，多方面借鉴国外发展经验，逐步提升国内技术水平。

 

gan作为新一代半导体材料，对于芯片和器件的制备，半导体行业特点突出，是否具备高良率，是否具备商业化价值是衡量企业的另一关键要素。国内要想发展gan，就要依靠自主研发，实现技术突破。当前我国第3代半导体材料研发与国外差距不大，如果通过产业链协同创新，完全有可能实现弯道超车，打破半导体产业受制于人的被动局面。

 

简介

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