深挖 GaN 潛力，中國企業(yè)別掉隊(duì)

氮化鎵（GaN）是一種寬禁帶半導(dǎo)體材料，其禁帶寬度達(dá)到 3.4eV，是最具代表性的第三代半導(dǎo)體材料。

除了更寬的禁帶寬度，氮化鎵還具備更高的擊穿電場、更高的熱導(dǎo)率、更高的電子飽和速率，以及更優(yōu)的抗輻照能力，這些特性對(duì)于電力電子、射頻和光電子應(yīng)用有獨(dú)特優(yōu)勢。

GaN 產(chǎn)業(yè)上游主要包括襯底與外延片的制備，下游是 GaN 芯片元器件的設(shè)計(jì)和制造。襯底的選擇對(duì)于器件性能至關(guān)重要，襯底也占據(jù)了大部分成本，因而襯底制備是降低 GaN 器件成本的突破口。

襯底

GaN 單晶襯底以 2-4 英寸為主，4 英寸已實(shí)現(xiàn)商用，6 英寸樣本正開發(fā)。GaN 單晶襯底的主要制備方法有氫化物氣相外延法（HVPE）、氨熱法和助熔劑法。

HVPE 方法生長速率快，易得到大尺寸晶體，是目前商業(yè)上提供 GaN 單晶襯底的主要方法，其缺點(diǎn)是成本高、晶體位錯(cuò)密度高、曲率半徑小，且會(huì)造成環(huán)境污染。

氨熱法生長技術(shù)結(jié)晶質(zhì)量高，可以在多個(gè)籽晶上生長，易規(guī)模化生產(chǎn)，可以顯著降低成本，缺點(diǎn)是生長壓力較高，生長速率低。

助熔劑法生長條件相對(duì)溫和，對(duì)生長裝備要求低，可以生長出大尺寸的 GaN 單晶，缺點(diǎn)是易于自發(fā)成核形成多晶，難以生長出較厚的 GaN 晶體。

利用各種生長方法優(yōu)勢互補(bǔ)解決單一生長方法存在的問題是解決 GaN 單晶晶體質(zhì)量、成本和規(guī)模量產(chǎn)的有效途徑。2021 年，三菱化學(xué)宣布采用低壓酸性氨熱法（LPAAT）開發(fā)出 4 英寸 GaN 單晶襯底，且晶體缺陷僅為普通 GaN 襯底的 1/00-1/1000。三菱化學(xué)于 2022 年推出 4 英寸 GaN 單晶襯底。

開發(fā)生長尺寸更大、良率更高的 GaN 晶體制備方法將是 GaN 器件降本增效的關(guān)鍵，是能否在諸多下游應(yīng)用領(lǐng)域滲透放量的關(guān)鍵。

目前，GaN 材料主要有兩種襯底技術(shù)，分別是 GaN-on-Si（硅基氮化鎵）和 GaN-on-SiC（碳化硅基氮化鎵）。另外，還有 GaN-on-sapphire 和 GaN-on-GaN，不過這兩種襯底的應(yīng)用市場很有限。

GaN-on-SiC 射頻器件可應(yīng)用于 5G 宏基站、衛(wèi)星通信、微波雷達(dá)、航空航天等軍事/民用領(lǐng)域；GaN-on-Si 可制成功率器件，可在大功率快充充電器、新能源車、數(shù)據(jù)中心等領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)快速滲透；GaN-on-sapphire 和 GaN-on-GaN 可制成光電器件，GaN 光電器件在 MiniLED、MicroLED、傳統(tǒng) LED 照明領(lǐng)域應(yīng)用優(yōu)勢突出。

在性能方面，GaN-on-SiC 相對(duì)更好，但價(jià)格明顯高于 GaN-on-Si。GaN-on-SiC 結(jié)合了 SiC 優(yōu)異的導(dǎo)熱性，以及 GaN 的高功率密度、低損耗能力，與 Si 相比，SiC 是一種非常「耗散」的襯底，此基板上的器件可以在高電壓和高漏極電流下運(yùn)行，結(jié)溫將隨射頻功率而緩慢升高，因此，其射頻性能更好，是射頻應(yīng)用的理想材料。在相同的耗散條件下，SiC 器件的可靠性和使用壽命更好。另外，SiC 具有高電阻特性：這非常有利于毫米波傳輸，這在設(shè)計(jì)帶有大型匹配電路的高頻 MMIC 時(shí)很有價(jià)值。但是，SiC 襯底仍然限制在 4 英寸與 6 英寸晶圓，8 英寸的還沒有推廣。

目前，業(yè)界多數(shù)商用 RF GaN 器件采用 GaN-on-SiC 襯底。

SiC 獨(dú)特的電子和熱性能使其非常適合高功率和高頻半導(dǎo)體器件, 其性能遠(yuǎn)超過 Si 或 GaAs。GaN-on-SiC 技術(shù)的關(guān)鍵優(yōu)勢包括降低開關(guān)損耗、更高的功率密度、更好的散熱和更高的帶寬容量。在系統(tǒng)層面，可以實(shí)現(xiàn)高度緊湊的解決方案，大大提高功率效率，降低成本。

與 GaN-on-SiC 相比，GaN-on-Si 最大的優(yōu)勢就是襯底成本低，此外，GaN-on-Si 生長速度較快，也較容易擴(kuò)展到 8 英寸晶圓。雖然 GaN-on-Si 性能略遜于 GaN-on-SiC，但目前工藝水平制造的器件已能達(dá)到 LDMOS 原始功率密度的 5-8 倍，在高于 2GHz 的頻率工作時(shí)，成本與同等性能的 LDMOS 相差不大。還有一點(diǎn)很重要，那就是 GaN-on-Si 是硅基技術(shù)，與 CMOS 工藝兼容性好，使 GaN 器件與 CMOS 工藝器件能很好地集成在一個(gè)芯片上，可以利用現(xiàn)有硅晶圓代工廠已有的規(guī)模生產(chǎn)優(yōu)勢，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的規(guī)模量產(chǎn)和快速上市。這使得 GaN-on-Si 成為市場的潛力股，未來有望大量導(dǎo)入 5G 基站用射頻 PA。

從應(yīng)用發(fā)展角度來看，5G 通信對(duì)射頻元器件的需求正在快速增加過程中，需要大批量、低成本的 GaN 射頻芯片，而這也給 GaN-on-Si 提供了發(fā)展契機(jī)。

目前來看，GaN-on-Si 商用仍處于起步階段，但基于該材料制造的射頻 PA 憑借高帶寬和小尺寸吸引了智能手機(jī) OEM。隨著關(guān)鍵廠商的技術(shù)進(jìn)步，一些低于 6GHz 的 5G 手機(jī)很可能很快采用。

隨著晶圓代工廠的進(jìn)入，以及與新興 GaN-on-Si 功率電子器件產(chǎn)業(yè)的協(xié)同效應(yīng)正在加速其 RF 應(yīng)用發(fā)展。有統(tǒng)計(jì)顯示，在手持設(shè)備、國防和 5G 電信基礎(chǔ)設(shè)施的推動(dòng)下，預(yù)計(jì)到 2026 年，GaN-on-Si 器件市場復(fù)合年增長率將達(dá)到 86%。

外延片

由于 GaN 的熔點(diǎn)很高，且飽和蒸汽壓較高，在自然界無法以單晶形式存在，必須采用外延法進(jìn)行制備。MOCVD（金屬有機(jī)物氣相沉積法），MBE（分子束外延法），HVPE（氫化物氣相外延法）等是比較傳統(tǒng)的 GaN 外延片制備方法。

MOCVD 工藝以三甲基鎵作為鎵源，氨氣（NH3）作為氮源，以藍(lán)寶石 (Al2O3) 作為襯底，并用氫氣和氮?dú)獾幕旌蠚怏w作為載氣，將反應(yīng)物載入反應(yīng)腔內(nèi)，加熱到一定溫度，使其發(fā)生反應(yīng)，在襯底表面上吸附、成核、生長，最終形成一層 GaN 單晶薄膜。采用 MOCVD 法制備外延片的產(chǎn)量大，生長周期短，適合用于大批量生產(chǎn)。

MBE 法制備 GaN 與 MOCVD 法類似，主要區(qū)別在于鎵源的不同。MBE 法的鎵源通常采用 Ga 的分子束，用該方法可以在相對(duì)低的溫度下實(shí)現(xiàn) GaN 的生長，一般為 700 ℃左右。但外延層較厚的膜反應(yīng)時(shí)間較長，在生產(chǎn)中發(fā)揮的效率欠佳，因此，該方法尚不能用于大規(guī)模生產(chǎn)。

HVPE 法與上述兩種方法的區(qū)別在于鎵源，通常以氯化物 GaCl3 為鎵源，NH3 為氮源，在襯底上以 1000 ℃左右的溫度生長出 GaN 晶體。此方法生成的 GaN 晶體質(zhì)量較好，高溫下生長速度快，但高溫反應(yīng)對(duì)設(shè)備、成本與技術(shù)要求都比較高。

產(chǎn)業(yè)格局

從 GaN 產(chǎn)業(yè)鏈各環(huán)節(jié)來看，歐美日企業(yè)發(fā)展較早，技術(shù)積累、專利申請(qǐng)數(shù)量、規(guī)模制造能力等方面均處于絕對(duì)優(yōu)勢。中國在自主替代大趨勢下，目前在產(chǎn)業(yè)鏈各環(huán)節(jié)均有所涉足，在政策支持下已在技術(shù)與生產(chǎn)方面取得一定進(jìn)步。

全球范圍內(nèi)，無論是上游的襯底和外延片，還是中下游的芯片設(shè)計(jì)、制造，GaN 產(chǎn)業(yè)鏈大都被美日歐的龍頭企業(yè)把持著，如日本住友、羅姆，美國的 Wolfspeed（Cree 改名后的）、II-VI，德國英飛凌，韓國 LG、三星等。

GaN-on-SiC 襯底方面，Wolfspeed 等傳統(tǒng)大廠都傾向于采用該方案，GaN-on-Si 方面，目前來看，MACOM，Ommic 等國際廠商在重點(diǎn)研發(fā)基站用 GaN-on-Si 射頻和功率芯片（包括 Sub-6GHz 和毫米波兩大頻段）。特別是 MACOM，該公司是 GaN-on-Si 工藝的主要倡導(dǎo)者。

在射頻應(yīng)用方面，Wolfspeed 擁有最強(qiáng)的實(shí)力，在射頻應(yīng)用的 GaN HEMT 專利競爭中，尤其在 GaN-on-SiC 技術(shù)方面，該公司處于領(lǐng)先地位。英特爾和 MACOM 是最活躍的射頻 GaN 專利申請(qǐng)者，主要聚焦在 GaN-on-Si 技術(shù)領(lǐng)域。

意法半導(dǎo)體和 MACOM 聯(lián)合研制出了 RF GaN-on-Si 原型芯片。據(jù)悉，意法半導(dǎo)體制造的 RF GaN-on-Si 原型晶圓和相關(guān)器件已達(dá)到成本和性能目標(biāo)，完全能夠與市場上現(xiàn)有的 LDMOS 和 GaN-on-SiC 技術(shù)展開有效競爭?，F(xiàn)在，這些原型已經(jīng)進(jìn)入認(rèn)證測試和量產(chǎn)階段。該公司正在和 MACOM 研究如何加大投入力度，以加快 RF GaN-on-Si 產(chǎn)品上市。

今年 3 月，英飛凌以 8.3 億美元（57 億人民幣）收購了 GaN Systems 公司，并斥資 20 億歐元擴(kuò)充其位于馬來西亞居林和奧地利菲拉赫晶圓廠的 GaN 芯片產(chǎn)能。英飛凌功率和傳感器系統(tǒng)總裁懷特表示，英飛凌特別看好 GaN，該公司預(yù)測，到 2027 年，GaN 芯片市場將以每年 56% 的速度增長。

在中國大陸地區(qū)，GaN 產(chǎn)業(yè)還處于起步階段。本土 IDM 代表企業(yè)有三安光電、英諾賽科、士蘭微電子、蘇州能訊、江蘇能華、大連芯冠科技等，F(xiàn)abless 企業(yè)主要有華為海思、安譜隆等，同時(shí)，海威華芯和三安集成可提供 GaN 芯片晶圓代工服務(wù)。

在襯底材料方面，天岳先進(jìn)、三安光電、天科合達(dá)、英諾賽科等中國本土企業(yè)在全球范圍內(nèi)的合計(jì)市占率比較低，在 10% 左右，三安光電，英諾賽科等廠商在重點(diǎn)研發(fā)基站用 GaN-on-Si 射頻和功率芯片（包括 Sub-6GHz 和毫米波兩大頻段）。外延片方面，代表企業(yè)包括蘇州晶湛、聚能晶源和聚燦光電。GaN 射頻 HEMT 相關(guān)專利方面，中國的海威華芯、三安集成和華進(jìn)創(chuàng)威等開始涉足，爭取在國際大廠把持的 GaN 專利領(lǐng)域分得一杯羹。