5G和軍工雙輪驅(qū)動(dòng)化合物半導(dǎo)體業(yè)爆發(fā)

　　3.3. GaN：性能更強(qiáng)，半導(dǎo)體材料中的新貴

　　Ga N 是新一代的寬禁帶半導(dǎo)體材料，其禁帶寬度幾乎是 Si 的 3 倍、Ga As和的 2倍，臨界擊穿電場(chǎng)比 Si、Ga As大一個(gè)數(shù)量級(jí)，并具有更高的飽和電子遷移率和良好的耐溫特性。它具有和 Ga As 幾乎相近的頻率特性。由于其特有的壓電效應(yīng)與自發(fā)極化的存在，它的二維電子氣濃度比 Ga As 要高出一個(gè)數(shù)量級(jí)，所以具有很高的電流密度。由于氮化鎵具有禁帶寬度大、擊穿電場(chǎng)高、飽和電子速度大、熱導(dǎo)率高、介電常數(shù)小、化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定和抗輻射能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，成為高溫、高頻、大功率微波器件的首選材料之一。

　　Al Ga N/Ga N HEMT 具有顯著的電子遷移速度。通常 Al Ga N 作為勢(shì)壘層，Ga N 作為溝道層，Al Ga N 層向 2DEG 層提供電子。因?yàn)?Ga N 能量相對(duì)要低一些，Al Ga N 層多余的電子會(huì)向鄰近的禁帶較低的 Ga N 層擴(kuò)散。擴(kuò)散的電子在它們擴(kuò)散的反方向上產(chǎn)生一個(gè)電場(chǎng)，擴(kuò)散電子和漂移電子趨于動(dòng)態(tài)平衡，最終產(chǎn)生了類似于 PN 結(jié)的一個(gè)結(jié)構(gòu)，落在沒(méi)有摻雜的 Ga N 層上的電子，形成了二維電子氣。2DEG 在垂直于異質(zhì)結(jié)方向上會(huì)被緊緊限制住，只能在與之平行的方向上自由運(yùn)動(dòng)。在 HEMT 中的 2DEG 相比于 MOSFET 和 MESFET 場(chǎng)效應(yīng)管，最顯著的優(yōu)勢(shì)是具備更高的電子遷移速度。 Al Ga N/Ga N 這種結(jié)構(gòu)不僅得益于高的電子遷移速度(～2000cm2/V? s)，還有高的 2DEG 密度(～1013/cm2)。

　　GaN 器件發(fā)展歷史：在氮化鎵器件研究初期，晶體合成困難。1986 年，日本的赤崎勇開(kāi)發(fā)了“低溫堆積緩沖層技術(shù)”可以獲得用于半導(dǎo)體元件的高品質(zhì)氮化鎵。由于帶隙覆蓋了更廣的光譜范圍，用氮化鎵制造的高亮度 LED、綠色 LED、藍(lán)光光盤(pán)產(chǎn)品應(yīng)用與商業(yè)領(lǐng)域。從 1993 年開(kāi)始，利用二維電子氣氮化鎵能達(dá)到更高的遷移率，適合砷化鎵所不能達(dá)到的高頻動(dòng)作。采用氮化鎵的高頻晶體管開(kāi)始用在移動(dòng)通信站、通信衛(wèi)星、雷達(dá)等領(lǐng)域。到了 2000年前后，硅制功率元件已經(jīng)普及，之前利用藍(lán)寶石基板的氮化鎵類功率元件價(jià)格高，很難進(jìn)入商業(yè)領(lǐng)域。這時(shí)開(kāi)始采用硅基板，但制造成本依然很高。主要是應(yīng)用于 ICT 設(shè)備、工業(yè)設(shè)備和汽車電子等領(lǐng)域的小型電源組件。未來(lái)有望采用氮化鎵基板，獲得高品質(zhì)化、具有較高價(jià)格競(jìng)爭(zhēng)力的氮化鎵功率器件。自 2013 年開(kāi)始，隨著技術(shù)積累逐漸完成，氮化鎵民用市場(chǎng)開(kāi)始起步。

　　各國(guó)政策的大力推進(jìn)下，國(guó)際半導(dǎo)體大廠紛紛將目光投向氮化鎵功率半導(dǎo)體領(lǐng)域。隨著 Si材料達(dá)到物理極限，在摩爾定律驅(qū)動(dòng)下尋求下一個(gè)替代者刻不容緩，氮化鎵因各方面優(yōu)異的電學(xué)性能被認(rèn)為是未來(lái)半導(dǎo)體材料的首選。傳統(tǒng)半導(dǎo)體廠商關(guān)于氮化鎵器件的收購(gòu)和合作、許可協(xié)議不斷發(fā)生，氮化鎵功率半導(dǎo)體已經(jīng)成了各家必爭(zhēng)之地。美國(guó)和歐洲分別于 2002年和 2007年啟動(dòng)了氮化鎵功率半導(dǎo)體推動(dòng)計(jì)劃，并且在 2007年首次在 6寸硅襯底上長(zhǎng)出了氮化鎵，自此從應(yīng)用角度開(kāi)始了氮化鎵功率半導(dǎo)體推進(jìn)。2013 年出現(xiàn)通過(guò)了 JEDEC 質(zhì)量標(biāo)淮的硅基氮化鎵功率器件，同年中國(guó)科技部推出了第三代半導(dǎo)體 863計(jì)劃。

　　GaN 應(yīng)用領(lǐng)域包括軍事和宇航、無(wú)線基礎(chǔ)設(shè)施、衛(wèi)星通信、有線寬帶，以及其它 ISM 頻段應(yīng)用。GaN 最初是為支持政府軍事和太空項(xiàng)目而開(kāi)發(fā)，但已得到商業(yè)市場(chǎng)的完全認(rèn)可和應(yīng)用，在無(wú)線基礎(chǔ)設(shè)施領(lǐng)域的應(yīng)用已超越國(guó)防應(yīng)用，市場(chǎng)占比超過(guò) GaN 市場(chǎng)總量的一半以上。隨著對(duì)數(shù)據(jù)傳輸及更高工作頻率和帶寬需求的增長(zhǎng)，2016～2022 年無(wú)線基礎(chǔ)設(shè)施領(lǐng)域的 CAGR將達(dá)到 16%。在未來(lái)的網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)中，如載波聚合和大規(guī)模 MIMO 等新技術(shù)的發(fā)展應(yīng)用，將使 GaN比現(xiàn)有橫向擴(kuò)散金屬氧化物半導(dǎo)體(LDMOS)更具優(yōu)勢(shì)。 但與此同時(shí)，國(guó)防領(lǐng)域仍將是 GaN 不可忽視的重要應(yīng)用市場(chǎng)，并保持穩(wěn)定增長(zhǎng)。GaN 在國(guó)防領(lǐng)域的應(yīng)用主要包括 IED干擾器、軍事通訊、雷達(dá)、電子對(duì)抗等。GaN 將在越來(lái)越多的國(guó)防產(chǎn)品中得到應(yīng)用，充分體現(xiàn)其在提高功率、縮小體積和簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)方面的巨大優(yōu)勢(shì)。 GaN 領(lǐng)域的企業(yè)包括美國(guó)的美高森美(Microsemi)、M-A/COM、Qorvo、雷聲、諾格、Wolfspeed、Anadigics，荷蘭 Ampleon 和恩智浦(NXP)，德國(guó) UMS，韓國(guó) RFHIC，日本的三菱(Mitsubishi)和住友(Sumitomo)。(注：科銳Cree2015 年 9月 3 日宣布將把旗下的功率和射頻部門(mén)更名Wolfspeed)。

　　據(jù) Yole預(yù)測(cè)，2016～2020年 GaN 射頻器件市場(chǎng)將擴(kuò)大至目前的 2倍，市場(chǎng)復(fù)合年增長(zhǎng)率(CAGR)將達(dá)到 4%;2020年末，市場(chǎng)規(guī)模將擴(kuò)大至目前的 2.5 倍。2015年，受益于中國(guó) LTE 網(wǎng)絡(luò)的大規(guī)模應(yīng)用，帶來(lái)無(wú)線基礎(chǔ)設(shè)施市場(chǎng)的大幅增長(zhǎng)，有力地刺激了 GaN 射頻產(chǎn)業(yè)。2015年末，整個(gè) GaN射頻市場(chǎng)規(guī)模接近 3億美元。2017～2018 年，在無(wú)線基礎(chǔ)設(shè)施及國(guó)防應(yīng)用市場(chǎng)需求增長(zhǎng)的推動(dòng)下，GaN 市場(chǎng)會(huì)進(jìn)一步放大，但增速會(huì)較 2015年有所放緩。2019～2020 年，5G 網(wǎng)絡(luò)的實(shí)施將接棒推動(dòng)氮化鎵市場(chǎng)增長(zhǎng)。我們預(yù)計(jì)到未來(lái) 10年，氮化鎵市場(chǎng)將有望超過(guò) 30億美元。