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独家!5G时代新宠儿氮化镓全方位解读!

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一片 2 英寸(约 5 厘米)直径的白色半透明、塑料质感的小圆片,在国际市场上的售价居然可以达到5,000到7,000美元;不但供不应求,而且由于国际贸易的技术壁垒,一片难求——这当然不是普通的塑料片,是被称为“第三代半导体材料”的氮化镓晶片。

据了解,5G时代是氮化镓的时代。据麦姆斯咨询报道,GaN(氮化镓)将在未来几十年内以20%的复合年增长率(CAGR)显著地渗透两个主要市场——国防和无线通信,可以说,GaN将以其功率/效率水平和高频性能,在5G无线解决方案中发挥关键作用,以氮化镓为代表的第三代半导体材料也成为大国之间新的争夺目标。

氮化镓的技术是如何作用于5G通信?作为先驱者,中国是否有望通过氮化镓技术实现半导体产业弯道超车?基于这个新兴产业及技术,59区策划相关选题,想跟叶钢锋博士好好聊聊,真诚希望叶博士不吝赐教,给予机会。

叶钢锋:曾任职于东芝、TDK、Avogy以及多家创业公司,在美国硅谷半导体行业有超过十年的工作经验,负责氮化镓材料和器件研发,是行业内知名的技术专家。

1、中国在氮化镓技术全产业链都着力很深

59区:据资料显示,中国在氮化镓技术研究上,其实算是领先国家。比如1998年,中国十大科技成果之一是合成纳米氮化镓。目前,这个领域涌现了很多华人科学家,在氮化镓技术研究上贡献突出。能否大概介绍一下中国目前在氮化镓技术研究及应用上的发展情况?其中,有哪些龙头企业值得关注?它们各自的技术优势是什么?

叶钢锋:氮化镓技术是个统称,涵盖了氮化镓在材料、器件设计和制造、应用等多个领域的技术。同时,氮化镓技术是个新兴的技术,我国在这一领域的投入和获得的成就与世界上在这方面最先进的国家比毫不逊色。目前在氮化镓技术的基础领域,也就是材料方面,我国多家企业和研究机构可量产高质、可靠的纯氮化镓晶圆和硅基氮化镓晶圆,其它类型衬底的氮化镓晶圆研发也在积极推进当中。这一坚实的基础为国内氮化镓技术的研发和最终的市场化提供了最根本的保障。

同时,我国在器件设计和制造方面紧追世界一流水平,甚至在某些领域已经实现了领导市场的格局。比如LED产业,三安光电一家LED产能就占全球产能的20%。氮化镓器件另外几个重要领域,比如射频器件(微波器件)、电力电子器件、激光器件等我国也都有布局,在北京、江苏、广东三地形成了氮化镓技术的“聚居区”,在氮化镓技术各个关键器件领域都进行积极探索。但是,器件领域也是我国技术最薄弱的环节,特别是在高端氮化镓器件的设计和制造上与国际领先水平存在着差距。我国的《电力电子器件产业发展蓝皮书2016~2020年》提到 “2010年后,我国在该领域的专利申请数量出现明显的增长。目前我国宽禁带材料和器件的专利数量仅次于日本、美国和德国,居全球第四位”, “综合而言我国宽禁带电力电子器件技术和产业水平还落后于国际先进水平“。

市场方面完全是我国的优势所在。我国拥有巨大的市场和世界领先的制造力,由此而来对于具有颠覆市场的氮化镓产品产生了无以伦比的推动力。比如,目前太阳能逆变器的最大生产厂商之一目前所有的产品的核心都是基于硅材料的电力电子器件,但是他们早就开始了基于氮化镓电力电子器件的产品开发。一旦合格的氮化镓电力电子器件实现量产,更高效、更便宜的太阳能逆变器也将立即问世。在另外一个领域,5G市场,基于氮化镓射频器件的基站、手机功率放大器等大家也耳熟能详,谁能主导氮化镓射频器件某种意义上可以说是决定了未来谁能主导5G市场。

由上可见,我国在氮化镓技术全产业链都着力很深,也取得了举世瞩目的成就。如何将我国的优势(扎实的基础产业、世界领先的制造能力、巨大的市场)发挥出来,那么如何引进世界一流的技术并和自身的优势作结合是关键。

2、氮化镓的优异性体现在多个方面

59区:其实,氮化镓并不算非常新的技术,LED的有效成分就是氮化镓。为什么氮化镓会在当下获得各大企业及投资机构青睐?与硅基器件相比,氮化镓技术的优势在哪里?

叶钢锋:氮化镓为什么被称为“第三代“半导体材料,就是因为该材料的性能具有革命性的优势。和前几代半导体材料作比较,氮化镓的优势大到完全颠覆产品所在市场。比如,自从LED问世后,照明市场一夜之间换了主角:LED更高效(省电)、更长寿、更便宜(全寿命看)、更亮、色彩更多、体积更小、应用场合更多等等等等。这一切,归根结底都来自于氮化镓材料的优异性能。

同时,氮化镓的优异性能还可以在很多别的领域体现出来,大家可以期待着这些领域或者市场在未来5~15年会被氮化镓产品完全颠覆。由于氮化镓器件对硅器件在很多领域都可实现替代,下面只举一例。电力电子器件领域,硅器件的拳头产品是IGBT器件,与同级别的氮化镓电力电子器件的对比如下:最高工作频率从20KHz提高到10MHz(速度提高500倍)、最高工作温度从150°C提高到400°C、器件尺寸降低95%等等,所以从性能上氮化镓器件大幅超越硅器件。

从成本角度看,硅从器件技术成熟,成本没有继续下降的空间。氮化镓器件的成本主要来自于晶圆(或者衬底)本身。而为了降低氮化镓晶圆成本,人们发展了多项技术,比如在硅晶圆上生长一层氮化镓、同时解决了不同材料的匹配问题,这将大大降低晶圆成本;大尺寸纯氮化镓晶圆的目前已经研发成功,2020年在江苏量产。因而,氮化镓器件的成本在可见的将来可低于硅器件,从而在技术优势的基础上还将形成更大的市场优势。

3、产业链齐全,但核心技术仍是短板

59区:从产业发展来说,光有技术研发还不够,还需要完善成熟的产业链支撑。请问,在产业布局和发展上,目前国内氮化镓是一个什么状态?与韩国、日本、美国等国家相比,我们的优劣势在哪里?

叶钢锋:我国是制造大国,产业链非常齐全。同时,氮化镓产业上下游的支持、配合我国也最齐全,另外我国也是世界最大的市场之一。这一优势使得氮化镓技术最有可能在我国发扬光大。但是要说缺失,那么我们就是在高科技产品上缺失核心技术。氮化镓相关领域,“入门级”产品 LED已经由我国已经形成领导全球市场的态势,而且优势越来越大。但是在电力电子器件、射频(微波)器件、激光器件方面,我们还缺乏核心技术,目前主要是在追赶世界一流水平。科研工作者在巨量的资源支持下、通过长时间的探索获得的高新科技,并非一朝一夕就能赶上。我国在这方面的劣势,需要较长时间才能扭转。

4、在射频器件上,氮化镓有天然优势

59区:日前,华为通过旗下的哈勃科技投资了一家以碳化硅为主的半导体材料公司,这意味着华为也在逐渐涉足半导体技术领域。请问,您怎么看华为的动作?氮化镓与碳化硅之间的区别是?

叶钢锋:前段时间华为、中兴的遭遇明白地告诉大家,核心技术一定要自己掌握。在这一认识下看华为的动作就不足为奇了。以华为为代表的企业,其实都在做类似的动作,其核心就是掌握半导体最核心技术。而《中国制造2025》就是系统地列举了我国希望在中短期内力争掌握技术核心的领域。值得一提的是,氮化镓技术多次被提及,涉及到了关键战略材料、先进半导体材料、先进轨道交通、新能源汽车、电力装备等多个关键领域,是一项具有战略意义的科学技术。

碳化硅和氮化镓同属第三代半导体材料,都是宽禁带材料,都具有远超前几代半导体材料的优异性能。碳化硅技术早发展近20年,产业化步伐也早于氮化镓技术。氮化镓虽然发展晚一些,但其性能超过碳化硅早就为大家所知,其发展潜力高于碳化硅。比如,一度大家认为在取代硅电力电子器件方面,氮化镓在600V以下具有优势,而碳化硅在600V以上具有优势,但是最新的研究成果(主要是美国和日本)都能制造1200V的氮化镓器件,其性能已经远超碳化硅器件的理论极限。同时,在射频器件方面,氮化镓器件具有天然的优势,这也让大家特别看好氮化镓技术在5G市场的发展。

5、氮化镓将助力中国半导体技术快速向前发展

59区:以您的判断来说,中国有望通过氮化镓助力中国半导体产业弯道超车吗?

叶钢锋:先看个实例,照明行业以前我们没有什么世界级的企业。而凭借LED,我国三安光电和华灿光电年营收超过100亿人民币,占全国55%的LED芯片市场。这都是归功于我国登上了由氮化镓技术诞生的LED这趟快车,从而实现弯道超车。一个行业可以由一项新技术而发生翻天覆地的变化。

氮化镓技术在半导体技术的一个重要分支,其代表的产业的年产值超过1000亿美元。这些产业包括了轨道交通、电动汽车、显示、照明、绿色能源、家用电器等,都是关乎国计民生的关键产业。 目前,这些行业绝大部分的芯片依赖国外,比如我们高铁的电机控制器的芯片、电动汽车电能适配器芯片、家用电器马达控制器芯片等。可以说,我国什么都能制造了,就缺芯片!因此,一旦在芯片领域获得突破,相应行业将全部独立自主,同时在技术性能和成本上更具竞争力。

我们在LED照明行业看到了新技术带来的变化,如果氮化镓技术能在国内继续落地生根、发扬光大,那么在不远的将来可以看到更多世界级的高科技企业在中国产生,推进半导体技术的向前快速发展。

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