第三代半導(dǎo)體材料GaN開始征戰(zhàn)四方

近年來，半導(dǎo)體行業(yè)一路風(fēng)馳電掣，好不風(fēng)光。根據(jù)WSTS統(tǒng)計(jì)，從2013年到2018年，全球半導(dǎo)體市場(chǎng)規(guī)模從3056億美元迅速提升至4688億美元，年均復(fù)合增長(zhǎng)率達(dá)到8.93%。在市場(chǎng)爆發(fā)式增長(zhǎng)下，技術(shù)也在更新?lián)Q代。隨著Si和化合物半導(dǎo)體材料GaAs在器件性能的提升到了瓶頸，不足以全面支撐下一代信息技術(shù)的可持續(xù)發(fā)展時(shí)，尋找新一代半導(dǎo)體材料成為了發(fā)展的重要方向。至此，第三代寬禁帶半導(dǎo)體材料氮化鎵（GaN）闖入了人們的視線！

GaN的崛起之路

此后，被奉為第三代半導(dǎo)體材料GaN開始征戰(zhàn)四方，“拳打”同屬第三代的碳化硅（SiC），“腳踢”第二代砷化鎵（GaAs），縱橫半導(dǎo)體市場(chǎng)多年，受盡人們寵愛，靠的是其禁帶寬度大、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)，還有最重要的成本和兼容性。目前主流的GaN技術(shù)廠商都在研發(fā)以Si為襯底的GaN的器件，以替代昂貴的SiC襯底。不過話雖如此，屬于“高配”的SiC襯底一樣有自己的市場(chǎng)，SiC襯底氮化鎵可以提供最高功率級(jí)別的氮化鎵產(chǎn)品，可提供其他出色特性，可確保其在最苛刻的環(huán)境下使用。在兼容方面，GaN器件是個(gè)平面器件，與現(xiàn)有的Si半導(dǎo)體工藝兼容性強(qiáng)，這使其更容易與其他半導(dǎo)體器件集成。比如有廠商已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了驅(qū)動(dòng)IC和GaN開關(guān)管的集成，進(jìn)一步降低用戶的使用門檻。再有5G的落地，作為關(guān)鍵材料GaN成為了越來越多企業(yè)眼中的“寵兒”。

值得一提的是最開始GaN并未用于半導(dǎo)體技術(shù)，而是大家都耳熟能詳?shù)?a target="_blank">LED，其有效成分就是GaN，那么為何LED的成熟技術(shù)成為了半導(dǎo)體未來的新材料呢？因?yàn)殡S著半導(dǎo)體工藝的發(fā)展，全部使用硅基器件過于昂貴，這對(duì)一個(gè)成熟的產(chǎn)業(yè)來說是不必要的。氮化鎵比硅基器件貴，但是在系統(tǒng)整體的成本上相差無幾，大規(guī)模量產(chǎn)后GaN無論是性能還是成本都更勝一籌。

經(jīng)過了多年的探索和研究之后，氮化鎵（GaN）等寬禁帶材料終于進(jìn)入了大爆發(fā)前的最后沖刺階段。盡管與32.8億美元的硅基功率半導(dǎo)體市場(chǎng)相比，目前功率GaN市場(chǎng)仍然很小，但GaN器件擁有較好的前景。但是面對(duì)這個(gè)十億美元級(jí)別的市場(chǎng)，國(guó)內(nèi)外廠商正在摩拳擦掌，紛紛推出新品，以求在這個(gè)市場(chǎng)與競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手一決高下。

行業(yè)巨頭們的GaN發(fā)展現(xiàn)狀1英飛凌

全球領(lǐng)先的功率半導(dǎo)體供應(yīng)商英飛凌在功率半導(dǎo)體及智能卡IC市場(chǎng)上一直占據(jù)全球第一的位置，在高壓電源技術(shù)方面遙遙領(lǐng)先，CoolMOS、IGBT、CoolGaN、CoolSiC等等都有完善的解決方案。2018年11月28日英飛凌更是在深圳首次召開了CoolGaN氮化鎵的媒體新品發(fā)布會(huì)，并帶來了CoolGaN 400V和600V增強(qiáng)型HEMT已經(jīng)量產(chǎn)的消息，且已經(jīng)有合作公司成功設(shè)計(jì)了一款基于GaN的6KW ACDC電源。至此，英飛凌成為了市場(chǎng)上唯一一家提供涵蓋硅(Si)、碳化硅(SiC)和氮化鎵(GaN)等材料的全系列功率產(chǎn)品的公司。

按照英飛凌大中華區(qū)副總裁電源管理及多元化市場(chǎng)事業(yè)部負(fù)責(zé)人潘大偉的說法，英飛凌的GaN增強(qiáng)模式高電子遷移率晶體管（ E-HEMT ）產(chǎn)品系列CoolGaN?非常適合高壓下運(yùn)行更高頻率的開關(guān)，可以將整個(gè)系統(tǒng)的成本降低，可以做到更輕薄設(shè)計(jì)、功率密度擴(kuò)展，使轉(zhuǎn)換效率大大地提高。其采用獨(dú)一無二的常閉式概念解決方案，從技術(shù)的根本上解決了動(dòng)態(tài)RDS(ON)問題。貼片式(SMD)封裝保持了氮化鎵的優(yōu)勢(shì)。更值得一提的是關(guān)于CoolGaN? 的制造，英飛凌具備完整的價(jià)值鏈，從工藝層到封裝、測(cè)試等等都可以在英飛凌內(nèi)部完成。

2Qorvo

在5G的大趨勢(shì)下，射頻氮化鎵市場(chǎng)的飛速發(fā)展?，F(xiàn)階段在整個(gè)射頻市場(chǎng)，LDMOS、GaAs和GaN幾乎三分天下，但是與其他兩類相比，氮化鎵器件能夠?yàn)樯漕l技術(shù)提供下一代高頻電信網(wǎng)絡(luò)所需的功率/效率水平。據(jù)相關(guān)機(jī)構(gòu)分析，RF GaN整體市場(chǎng)規(guī)模到2024年將增長(zhǎng)至20億美元。射頻領(lǐng)域的龍頭企業(yè)Qorvo從1999年起推動(dòng)GaN研究，提供Sub-6GHz、厘米波/毫米波無線射頻產(chǎn)品。Qorvo在國(guó)防和有線行業(yè)的GaN-on-SiC解決方案供應(yīng)量全球第一。2018年12月推出了行業(yè)首款 28 Ghz 氮化鎵 (GaN) 前端模塊 (FEM)——QPF4001 FEM，擴(kuò)大了其 5G 業(yè)務(wù)范圍。

這款 GaN FEM 采用了 Qorvo 的高效率 0.15 微米 GaN-on-SiC 技術(shù)，讓用戶能夠更高效的達(dá)到更高的 EIRP 級(jí)別，同時(shí)最小化陣列尺寸和功耗，從而降低系統(tǒng)成本。Qorvo IDP事業(yè)部總裁 James Klein 表示：“Qorvo的 GaN 技術(shù)被用于進(jìn)行數(shù)十次 5G 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，而這個(gè)新模塊將進(jìn)一步減小尺寸和功耗，對(duì)于對(duì)毫米波頻率產(chǎn)生關(guān)鍵影響的超小陣列，這一點(diǎn)至關(guān)重要?！?/p>

隨后Qorvo再度推出了第一款面向5G基站和終端的MMIC前端模塊QPF4006，采用了0.15微米柵極技術(shù)和沉積在碳化硅襯底上的AlGaN/GaN外延結(jié)構(gòu)。除了MMIC外，該器件還包括TaN電阻、SiN電容和三級(jí)金屬互聯(lián)。

3意法半導(dǎo)體

同樣是RF領(lǐng)域，意法半導(dǎo)體是GaN-on-Si RF行業(yè)的領(lǐng)先廠商，在2019年3月宣布了與全球領(lǐng)先的半導(dǎo)體解決方案供應(yīng)商MACOM的合作，瞄準(zhǔn)全球5G基站應(yīng)用，正在擴(kuò)大6英寸GaN-on-Si產(chǎn)能，并計(jì)劃進(jìn)一步擴(kuò)展至8英寸晶圓。此外，意法半導(dǎo)體還宣布了對(duì)GaN-on-Si在智能手機(jī)應(yīng)用中的興趣，或?qū)镚aN RF業(yè)務(wù)帶來喜人的新市場(chǎng)機(jī)遇。其實(shí)早在2018年年初 MACOM和ST就已經(jīng)宣布達(dá)成了廣泛的硅基GaN協(xié)議，旨在支持全球5G電信網(wǎng)建設(shè)，即由ST負(fù)責(zé)生產(chǎn)，供MACOM在各種射頻應(yīng)用中使用。在擴(kuò)大MACOM供應(yīng)來源的同時(shí)，該協(xié)議還賦予ST針對(duì)手機(jī)、無線基站和相關(guān)商業(yè)電信基礎(chǔ)設(shè)施應(yīng)用以外的射頻市場(chǎng)生產(chǎn)及銷售其自己的硅基氮化鎵產(chǎn)品的權(quán)利。

不僅如此，意法半導(dǎo)體和CEA Leti也宣布合作開發(fā)基于200mm晶圓的二極管和晶體管GaN-on-Si技術(shù)，并期望在2019年驗(yàn)證工程樣品。同時(shí)，意法半導(dǎo)體將創(chuàng)建一條產(chǎn)線，用于生產(chǎn)GaN-on-Si異質(zhì)外延等產(chǎn)品，將于2020年在法國(guó)的前端晶圓廠投產(chǎn)。

4三菱電機(jī)

作為GaN和SiC功率半導(dǎo)體市場(chǎng)的主要參與者三菱電機(jī)公司在2019年1月開發(fā)出了首款超寬帶數(shù)字控制的氮化鎵功率放大器，該款放大器將會(huì)兼容一系列專注于第五代（5G）移動(dòng)通信系統(tǒng)的6GHz以下頻段。

新型超寬帶數(shù)字控制GaN功率放大器采用先進(jìn)的負(fù)載調(diào)制電路，并具有兩個(gè)并聯(lián)的GaN晶體管。該電路設(shè)計(jì)擴(kuò)展了負(fù)載調(diào)制的帶寬，適用于寬帶（1.4－4.8GHz）操作，并支持多個(gè)頻段，這是放大器高效率的關(guān)鍵因素。

隨著產(chǎn)業(yè)發(fā)展的大趨勢(shì)，越來越多的公司加入GaN產(chǎn)業(yè)鏈，不僅有上文中的幾家代表性企業(yè)，還有松下、安森美半導(dǎo)體、羅姆半導(dǎo)體、Cree、MACOM等等，以及初創(chuàng)公司EPC、GaN System、Transphorm、Navitas...

坐上“牌桌”的中國(guó)玩家

終上所述，功率GaN技術(shù)、產(chǎn)品及市場(chǎng)主要還是掌控在美、日、歐企業(yè)手中，不過近年來，我國(guó)一直大力發(fā)展集成電路產(chǎn)業(yè)，2013 年科技部在“863”計(jì)劃新材料技術(shù)領(lǐng)域項(xiàng)目征集指南中明確將第三代半導(dǎo)體材料及其應(yīng)用列為重要內(nèi)容。2015 年和 2016 年國(guó)家02專項(xiàng)（即:《極大規(guī)模集成電路制造技術(shù)及成套工藝》項(xiàng)目）也對(duì)第三代半導(dǎo)體功率器件的研制和應(yīng)用進(jìn)行立項(xiàng)。2016年，福建、廣東、江蘇、北京、青海等27個(gè)地區(qū)出臺(tái)第三代半導(dǎo)體相關(guān)政策（不包括LED）近30條。一方面，多地均將第三代半導(dǎo)體寫入“十三五”相關(guān)規(guī)劃，另一方面，不少地方政府有針對(duì)性對(duì)當(dāng)?shù)鼐哂幸欢▋?yōu)勢(shì)的SiC和GaN材料企業(yè)進(jìn)行扶持。

蘇州能訊，中國(guó)比較領(lǐng)先的GaN射頻功率器件的IDM公司。2014年5月，發(fā)布650V normal-off 的GaN晶體管，四款是E-mode，一款是cascade，PQFN封裝。發(fā)布五款100V normal-off 的GaN晶體管產(chǎn)品，采用Cool Switching技術(shù)。

蘇州晶湛，主要生產(chǎn)GaN外延材料，應(yīng)用于微波射頻和電力電子領(lǐng)域；目前已可以提供6英寸、8英寸硅基氮化鎵晶圓材料。

珠海英諾賽科，成立于2015年12月，引進(jìn)美國(guó)英諾賽科公司SGOS 技術(shù)。2017年11月，國(guó)內(nèi)首條8英寸硅基氮化鎵生產(chǎn)線正式投產(chǎn)，主要包括100V-650V氮化鎵功率器件。

重慶華潤(rùn)微，2017年12月，華潤(rùn)微電子對(duì)中航（重慶）微電子有限公司完成收購，擁有8英寸硅基氮化鎵生產(chǎn)線，國(guó)內(nèi)首個(gè)8英寸600V/10A GaN功率器件產(chǎn)品，用于電源管理。

杭州士蘭微，國(guó)內(nèi)知名IDM企業(yè)，建設(shè)6英寸硅基氮化鎵功率器件中試線。2018年10月，杭州士蘭微電子股份有限公司廈門12英寸芯片生產(chǎn)線暨先進(jìn)化合物半導(dǎo)體生產(chǎn)線正式開工。

重慶聚力成，2018年11月，聚力成半導(dǎo)體（重慶）有限公司奠基儀式在大足高新區(qū)舉行，項(xiàng)目總投資50億元，以研發(fā)、生產(chǎn)全球半導(dǎo)體領(lǐng)域前沿的氮化鎵外延片、芯片為主，將打造集氮化鎵外延片制造、晶圓制造、芯片設(shè)計(jì)、封裝、測(cè)試、產(chǎn)品應(yīng)用設(shè)計(jì)于一體的全產(chǎn)業(yè)鏈基地。

不難看出，國(guó)內(nèi)的GaN產(chǎn)業(yè)正在快步追趕，但是與國(guó)際領(lǐng)先水平相比，我國(guó)在第三代半導(dǎo)體的整體技術(shù)水平仍然落后不少。在GaN領(lǐng)域缺少原始創(chuàng)新的專利，仍需要積極引進(jìn)國(guó)外優(yōu)秀技術(shù)人才，多方面借鑒國(guó)外發(fā)展經(jīng)驗(yàn)，逐步提升國(guó)內(nèi)技術(shù)水平。

慕尼黑上海電子展是電子行業(yè)展覽，也是行業(yè)內(nèi)重要的盛事，其中功率半導(dǎo)體主題展區(qū)是展會(huì)重要展區(qū)之一。2019年慕尼黑上海電子展吸引92,695位專業(yè)觀眾到場(chǎng)，37%的觀眾表達(dá)了對(duì)功率半導(dǎo)體展區(qū)的濃厚興趣。歷年來，半導(dǎo)體展區(qū)薈萃行業(yè)頂尖企業(yè)，展出全球最新科技，幫助觀眾窺探未來發(fā)展趨勢(shì)，獲悉最新產(chǎn)品、技術(shù)和解決方案。