在全球半导体产业竞争日益激烈的背景下，材料创新成为突破关键瓶颈的核心驱动力。近期，我国科学家在氮化镓（GaN）领域取得重大突破，成功研制出全球首创的8英寸硅基氮极性氮化镓衬底（N-polar GaNOI）。这一成果震撼全球半导体材料领域，促使我们重新审视我国在半导体产业中的地位与潜力。
一、技术突破：氮化镓材料的创新与应用拓展
氮化镓作为第三代半导体材料的佼佼者，凭借其宽禁带、高电子迁移率、耐高温、抗辐射等卓越特性，广泛应用于高频、高功率器件以及光电子器件领域。随着5G通信、卫星导航、智慧医疗等高端应用对半导体材料性能要求的提升，氮化镓的重要性愈发凸显。据CASA Research统计，2021年全球氮化镓射频器件市场规模达到73.3亿元，较上年增长。
此次我国科学家（九峰实验室）首创的8英寸硅基氮极性氮化镓衬底，是全球首次在8英寸硅衬底上实现氮极性氮化镓高电子迁移率功能材料的制备，打破了国际技术垄断。相比传统的镓极性氮化镓，氮极性氮化镓在高频、高功率器件领域展现出更优异的性能。这一技术突破主要体现在三个方面：
成本控制：采用硅基衬底，兼容8英寸主流半导体生产线设备，深度集成硅基CMOS工艺，使该技术能迅速适配量产工艺，降低生产成本。
材料性能提升：材料性能与可靠性兼具，其电子迁移率显著提高，达到1800 cm²/V·s。
良率提升：键合界面良率超过99%，为大规模产业化奠定了重要基础。
这些突破有望在无线通信、卫星通信等高端应用领域发挥核心驱动力作用。
图：GaN以高频高效特性驱动多行业创新应用
同时，全国首个100nm高性能氮化镓流片PDK平台的推出，为芯片设计者提供了工艺参数、器件模型、设计规则等关键信息，快速实现从电路设计到实际制造的转化，连接了芯片设计与制造的“桥梁”。该平台跳过150nm以下节点，采用100nm栅长技术，显著提升器件的截止频率，使其能够覆盖DC到Ka波段的毫米波频段应用，满足高通量卫星通信等场景对更高传输速率和更大带宽的需求。据实验室测试数据，该平台的器件截止频率达到了110GHz，相比以往技术提升了40%。
图：(a) 九峰山实验室 8 英寸 N 极性 GaN 晶圆实物照片,(b) N 极性 GaNOI 截面透射电镜照片
二、产业影响：推动国内半导体产业自主化发展
我国在氮化镓技术上的这些突破，对于国内半导体产业的发展具有重要的战略意义。当前，全球半导体产业竞争激烈，我国在高端半导体材料领域长期面临国外技术封锁。8英寸硅基氮极性氮化镓衬底的研制成功，有助于我国在高端半导体材料领域摆脱对国外技术的依赖，提升我国在全球半导体产业链中的话语权。
以5G通信为例，氮化镓器件在5G基站中的应用，能够显著提高基站的功率效率和信号传输质量。随着我国5G网络的大规模建设，氮化镓器件的需求将持续增长。此次技术突破，将为我国5G产业的发展提供有力支撑，确保关键器件的自主供应。
此外，这些技术成果还将带动上下游产业的协同发展。在消费电子领域，基于氮化镓材料的高效充电器已经得到了广泛应用。未来，随着技术的进一步成熟和成本的降低，氮化镓器件有望在更多消费电子产品中得到推广，为消费者带来更加便捷、高效的使用体验。
三、应用拓展：微波无线传能技术的创新示范
基于自主研发的氮化镓器件，九峰山实验室还成功构建起动态远距微波无线传能系统，并在20米范围内实现对无人机的动态无线供能示范验证。这一技术突破了传统无线充电的距离限制，解决了接收端功率波动与能量转换效率低的难题，为物流、农业、工业4.0、智能家居等领域提供了创新性技术储备。
微波无线传能作为一种无线能量传输方式，通过电磁波远距离传输能量，具备构建全域能源网络的巨大潜力。在应急救灾场景中，微波无线传能技术可以为偏远地区的救援设备提供能源保障，提高救援效率。例如，在地震救援中，无线传能技术可以为灾区的通信设备、医疗设备等提供持续电力，确保救援工作的顺畅进行。
四、国际竞争格局：我国能否实现弯道超车？
我国在氮化镓衬底和无线传能技术上的突破，是否意味着我国在半导体材料领域实现了“弯道超车”？答案并非简单的“是”或“否”。
1. 技术领先性与国际竞争者对比
虽然此次8英寸硅基氮极性氮化镓衬底的突破是全球首创，但在氮化镓材料领域，美国、日本、欧洲的企业依然占据主导地位。例如：
· 美国Qorvo、Wolfspeed 等公司长期深耕氮化镓技术，并拥有完整的8英寸SiC（碳化硅）和GaN（氮化镓）生产线，其产品已大规模应用于军工和民用市场。
· 日本住友电工（Sumitomo Electric） 在氮化镓微波器件方面处于全球领先地位，已具备成熟的商用化能力。
· 欧洲的Infineon 在功率电子领域深耕多年，布局碳化硅和氮化镓功率器件，主导新能源汽车和工业电源市场。
相比之下，我国的氮化镓产业链仍处于快速发展阶段，虽然此次突破填补了高端材料空白，但在大规模量产、产业生态成熟度等方面，仍需进一步努力。
2. 量产与供应链挑战
氮化镓材料的制备难度较大，尤其是在硅基8英寸衬底上的氮极性GaN生长，需要精准控制应力和晶体质量，才能保证量产良率。即便突破了实验室技术，如何将其规模化生产并降低成本，是我国企业亟需解决的问题。
· 材料供应：我国仍然依赖部分进口的高纯氮化镓粉体和硅基材料，如何建立完整自主供应链，是未来产业发展的关键。
· 生产工艺：虽然硅基8英寸GaN与CMOS工艺兼容，但我国在高端晶圆制造工艺上仍与台积电、三星、英特尔存在差距。
3. 市场化应用的推广难度
我国企业在氮化镓功率器件和射频器件市场上的份额仍然有限。例如，在5G基站GaN PA（功率放大器）市场，高通、Skyworks、博通等企业仍占据主导。如何推动国内企业进入国际市场，是决定“弯道超车”能否真正实现的关键。
五、未来展望：国产氮化镓材料如何撬动全球市场？
尽管我国氮化镓产业仍面临诸多挑战，但此次8英寸硅基氮极性氮化镓衬底的问世，无疑为我国半导体材料产业注入了一剂“强心针”。未来，该技术将如何推动我国半导体产业向前发展？
1. 加快产业化进程，提高良率与可靠性
当前，国内企业需要加快从实验室阶段向产业化过渡，提升良率并确保大规模量产能力。政府、科研机构和企业应加大投入，推动氮化镓材料的国产化供应链建设，减少对海外供应商的依赖。
2. 推动国产氮化镓器件进入高端市场
在5G基站、射频通讯、汽车电子等领域，氮化镓的市场前景广阔。国内企业应积极布局GaN RF（射频）和GaN Power（功率器件）市场，挑战国际巨头的垄断地位。例如，华为、中兴等企业可以加大对国产GaN器件的采购，推动本土化应用。
3. 布局前沿技术，探索第四代半导体材料
随着氮化镓技术的成熟，全球半导体行业已开始关注更先进的氮化镓氧化物（Ga2O3） 和 金刚石半导体。我国在第三代半导体取得突破后，应提前布局第四代半导体材料研发，确保在未来技术竞争中占据先机。
结语
8英寸硅基氮极性氮化镓衬底的成功研制，是我国半导体材料领域的一次历史性突破。虽然我国在国际竞争中仍然面临挑战，但这一成果无疑为我国氮化镓产业的自主可控发展奠定了坚实基础。未来，随着技术的成熟与市场化应用的推进，我国有望在半导体材料领域迈向更高层次，在全球竞争中占据更有利的位置。
