第三代半導體材料GaN開始征戰四方

近年來，半導體行業一路風馳電掣，好不風光。根據WSTS統計，從2013年到2018年，全球半導體市場規模從3056億美元迅速提升至4688億美元，年均復合增長率達到8.93%。在市場爆發式增長下，技術也在更新換代。隨著Si和化合物半導體材料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的可持續發展時，尋找新一代半導體材料成為了發展的重要方向。至此，第三代寬禁帶半導體材料氮化鎵（GaN）闖入了人們的視線！

GaN的崛起之路

此后，被奉為第三代半導體材料GaN開始征戰四方，“拳打”同屬第三代的碳化硅（SiC），“腳踢”第二代砷化鎵（GaAs），縱橫半導體市場多年，受盡人們寵愛，靠的是其禁帶寬度大、擊穿電壓高、熱導率大、電子飽和漂移速度高、抗輻射能力強和良好的化學穩定性等優越性質，還有最重要的成本和兼容性。目前主流的GaN技術廠商都在研發以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，SiC襯底氮化鎵可以提供最高功率級別的氮化鎵產品，可提供其他出色特性，可確保其在最苛刻的環境下使用。在兼容方面，GaN器件是個平面器件，與現有的Si半導體工藝兼容性強，這使其更容易與其他半導體器件集成。比如有廠商已經實現了驅動IC和GaN開關管的集成，進一步降低用戶的使用門檻。再有5G的落地，作為關鍵材料GaN成為了越來越多企業眼中的“寵兒”。

值得一提的是最開始GaN并未用于半導體技術，而是大家都耳熟能詳的LED，其有效成分就是GaN，那么為何LED的成熟技術成為了半導體未來的新材料呢？因為隨著半導體工藝的發展，全部使用硅基器件過于昂貴，這對一個成熟的產業來說是不必要的。氮化鎵比硅基器件貴，但是在系統整體的成本上相差無幾，大規模量產后GaN無論是性能還是成本都更勝一籌。

經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入了大爆發前的最后沖刺階段。盡管與32.8億美元的硅基功率半導體市場相比，目前功率GaN市場仍然很小，但GaN器件擁有較好的前景。但是面對這個十億美元級別的市場，國內外廠商正在摩拳擦掌，紛紛推出新品，以求在這個市場與競爭對手一決高下。

行業巨頭們的GaN發展現狀1英飛凌

全球領先的功率半導體供應商英飛凌在功率半導體及智能卡IC市場上一直占據全球第一的位置，在高壓電源技術方面遙遙領先，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布會，并帶來了CoolGaN 400V和600V增強型HEMT已經量產的消息，且已經有合作公司成功設計了一款基于GaN的6KW ACDC電源。至此，英飛凌成為了市場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品的公司。

按照英飛凌大中華區副總裁電源管理及多元化市場事業部負責人潘大偉的說法，英飛凌的GaN增強模式高電子遷移率晶體管（ E-HEMT ）產品系列CoolGaN?非常適合高壓下運行更高頻率的開關，可以將整個系統的成本降低，可以做到更輕薄設計、功率密度擴展，使轉換效率大大地提高。其采用獨一無二的常閉式概念解決方案，從技術的根本上解決了動態RDS(ON)問題。貼片式(SMD)封裝保持了氮化鎵的優勢。更值得一提的是關于CoolGaN? 的制造，英飛凌具備完整的價值鏈，從工藝層到封裝、測試等等都可以在英飛凌內部完成。

2Qorvo

在5G的大趨勢下，射頻氮化鎵市場的飛速發展?，F階段在整個射頻市場，LDMOS、GaAs和GaN幾乎三分天下，但是與其他兩類相比，氮化鎵器件能夠為射頻技術提供下一代高頻電信網絡所需的功率/效率水平。據相關機構分析，RF GaN整體市場規模到2024年將增長至20億美元。射頻領域的龍頭企業Qorvo從1999年起推動GaN研究，提供Sub-6GHz、厘米波/毫米波無線射頻產品。Qorvo在國防和有線行業的GaN-on-SiC解決方案供應量全球第一。2018年12月推出了行業首款 28 Ghz 氮化鎵 (GaN) 前端模塊 (FEM)——QPF4001 FEM，擴大了其 5G 業務范圍。

這款 GaN FEM 采用了 Qorvo 的高效率 0.15 微米 GaN-on-SiC 技術，讓用戶能夠更高效的達到更高的 EIRP 級別，同時最小化陣列尺寸和功耗，從而降低系統成本。Qorvo IDP事業部總裁 James Klein 表示：“Qorvo的 GaN 技術被用于進行數十次 5G 現場試驗，而這個新模塊將進一步減小尺寸和功耗，對于對毫米波頻率產生關鍵影響的超小陣列，這一點至關重要?！?/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微米柵極技術和沉積在碳化硅襯底上的AlGaN/GaN外延結構。除了MMIC外，該器件還包括TaN電阻、SiN電容和三級金屬互聯。

3意法半導體

同樣是RF領域，意法半導體是GaN-on-Si RF行業的領先廠商，在2019年3月宣布了與全球領先的半導體解決方案供應商MACOM的合作，瞄準全球5G基站應用，正在擴大6英寸GaN-on-Si產能，并計劃進一步擴展至8英寸晶圓。此外，意法半導體還宣布了對GaN-on-Si在智能手機應用中的興趣，或將為GaN RF業務帶來喜人的新市場機遇。其實早在2018年年初 MACOM和ST就已經宣布達成了廣泛的硅基GaN協議，旨在支持全球5G電信網建設，即由ST負責生產，供MACOM在各種射頻應用中使用。在擴大MACOM供應來源的同時，該協議還賦予ST針對手機、無線基站和相關商業電信基礎設施應用以外的射頻市場生產及銷售其自己的硅基氮化鎵產品的權利。

不僅如此，意法半導體和CEA Leti也宣布合作開發基于200mm晶圓的二極管和晶體管GaN-on-Si技術，并期望在2019年驗證工程樣品。同時，意法半導體將創建一條產線，用于生產GaN-on-Si異質外延等產品，將于2020年在法國的前端晶圓廠投產。

4三菱電機

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

新型超寬帶數字控制GaN功率放大器采用先進的負載調制電路，并具有兩個并聯的GaN晶體管。該電路設計擴展了負載調制的帶寬，適用于寬帶（1.4－4.8GHz）操作，并支持多個頻段，這是放大器高效率的關鍵因素。

隨著產業發展的大趨勢，越來越多的公司加入GaN產業鏈，不僅有上文中的幾家代表性企業，還有松下、安森美半導體、羅姆半導體、Cree、MACOM等等，以及初創公司EPC、GaN System、Transphorm、Navitas...

坐上“牌桌”的中國玩家

終上所述，功率GaN技術、產品及市場主要還是掌控在美、日、歐企業手中，不過近年來，我國一直大力發展集成電路產業，2013 年科技部在“863”計劃新材料技術領域項目征集指南中明確將第三代半導體材料及其應用列為重要內容。2015 年和 2016 年國家02專項（即:《極大規模集成電路制造技術及成套工藝》項目）也對第三代半導體功率器件的研制和應用進行立項。2016年，福建、廣東、江蘇、北京、青海等27個地區出臺第三代半導體相關政策（不包括LED）近30條。一方面，多地均將第三代半導體寫入“十三五”相關規劃，另一方面，不少地方政府有針對性對當地具有一定優勢的SiC和GaN材料企業進行扶持。

蘇州能訊，中國比較領先的GaN射頻功率器件的IDM公司。2014年5月，發布650V normal-off 的GaN晶體管，四款是E-mode，一款是cascade，PQFN封裝。發布五款100V normal-off 的GaN晶體管產品，采用Cool Switching技術。

蘇州晶湛，主要生產GaN外延材料，應用于微波射頻和電力電子領域；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，引進美國英諾賽科公司SGOS 技術。2017年11月，國內首條8英寸硅基氮化鎵生產線正式投產，主要包括100V-650V氮化鎵功率器件。

重慶華潤微，2017年12月，華潤微電子對中航（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線，國內首個8英寸600V/10A GaN功率器件產品，用于電源管理。

杭州士蘭微，國內知名IDM企業，建設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英寸芯片生產線暨先進化合物半導體生產線正式開工。

重慶聚力成，2018年11月，聚力成半導體（重慶）有限公司奠基儀式在大足高新區舉行，項目總投資50億元，以研發、生產全球半導體領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、芯片設計、封裝、測試、產品應用設計于一體的全產業鏈基地。

不難看出，國內的GaN產業正在快步追趕，但是與國際領先水平相比，我國在第三代半導體的整體技術水平仍然落后不少。在GaN領域缺少原始創新的專利，仍需要積極引進國外優秀技術人才，多方面借鑒國外發展經驗，逐步提升國內技術水平。

慕尼黑上海電子展是電子行業展覽，也是行業內重要的盛事，其中功率半導體主題展區是展會重要展區之一。2019年慕尼黑上海電子展吸引92,695位專業觀眾到場，37%的觀眾表達了對功率半導體展區的濃厚興趣。歷年來，半導體展區薈萃行業頂尖企業，展出全球最新科技，幫助觀眾窺探未來發展趨勢，獲悉最新產品、技術和解決方案。