氮化鎵的未來：IDM 還是 Fabless

今年十月份，日本功率器件大廠羅姆半導(dǎo)體（ROHM）公開表示，將在氮化鎵功率半導(dǎo)體領(lǐng)域加強與臺積電合作，公司旗下的氮化鎵（GaN）產(chǎn)品將全面委托臺積電代工生產(chǎn)。

值得注意的是，羅姆之前主要利用內(nèi)部工廠來生產(chǎn)相關(guān)器件，但是近年來已經(jīng)開始將部分產(chǎn)品委托臺積電代工，只不過羅姆此前并未對外公布。而此次，羅姆將全面委托臺積電代工生產(chǎn)有望運用于廣泛用途的 650V 耐壓產(chǎn)品，借由活用外部資源，應(yīng)對急增的需求，擴大業(yè)務(wù)規(guī)模。

有分析認為，羅姆全面委托臺積電代工氮化鎵產(chǎn)品，旨在降低成本。畢竟，氮化鎵材料雖然性能優(yōu)越，但成本一直居高不下。如果成功，市場格局恐怕會發(fā)生劇變，臺積電和羅姆的合作，或許將成為氮化鎵產(chǎn)業(yè)的重要里程碑，加速行業(yè)的技術(shù)進步和商業(yè)化進程。

而這背后或許也意味著羅姆可能正在逐漸轉(zhuǎn)變代工模式，即從 IDM 轉(zhuǎn)向 Fabless。

性質(zhì)卓越，應(yīng)用廣泛的氮化鎵材料

寬禁帶材料的研究與發(fā)展已歷經(jīng)多年，相較于傳統(tǒng)的硅基器件，寬禁帶器件能實現(xiàn)性能的巨大飛躍，比如寬禁帶半導(dǎo)體能夠在極端溫度下工作，承受更高的功率密度、電壓和頻率。正是這些優(yōu)勢使得寬禁帶材料在新一代電子系統(tǒng)中備受青睞。而在眾多寬禁帶材料中，氮化鎵尤為突出，其不僅在開關(guān)應(yīng)用中展現(xiàn)出巨大潛力，也在射頻功率領(lǐng)域中展現(xiàn)出廣闊前景。

氮化鎵是一種直接能隙（direct bandgap）的半導(dǎo)體，自 1990 年起常用在發(fā)光二極管中。此化合物結(jié)構(gòu)類似纖鋅礦，硬度很高。氮化鎵能隙為 3.4eV，電子遷移率通常在幾百到幾千 cm2/(V·s) 的范圍內(nèi)，可以用在高功率、高速的光電元件中，例如氮化鎵可以用在紫光的激光二極管，可以在不使用非線性半導(dǎo)體泵浦固體激光器（Diode-pumped solid-state laser）的條件下，產(chǎn)生紫光（405nm）激光。日本名古屋大學(xué)和名城大學(xué)教授赤崎勇、名古屋大學(xué)教授天野浩和美國加州大學(xué)圣塔芭芭拉分校教授中村修二，其在氮化鎵和固態(tài)照明和數(shù)據(jù)存儲方面所做工作的巨大影響力而獲得了 2014 年諾貝爾物理學(xué)獎。

1993 年，隨著第 1 個具有微波特性的氮化鎵高電子遷移率晶體管（HEMT）器件被公開報道，第三代半導(dǎo)體迅速進入微波射頻的研發(fā)和應(yīng)用領(lǐng)域，尤其是氮化鎵射頻器件，以其特有的高功率、高效率、高線性、高工作電壓、抗輻照等優(yōu)異特性，成為硅（Si）、砷化鎵（GaAs）等器件的理想替代者，在軍事裝備、航空航天、第五代移動通信（5G）技術(shù)等領(lǐng)域發(fā)揮了重要的作用，并展現(xiàn)出了廣闊的發(fā)展前景。21 世紀初，以 S 波段固態(tài)微波射頻器件為代表，美國首先將碳化硅（SiC）應(yīng)用到裝備中，盡管隨后逐漸被氮化鎵取代，但其具有的高耐壓、高頻率特性得到電力電子領(lǐng)域的青睞，正逐步成為 Si 電力電子器件的替代者。

事實上，全球主要國家初期的產(chǎn)業(yè)奠基發(fā)展規(guī)劃都具備了明顯的國防軍事傾向與應(yīng)用需求。目前，氮化鎵基 HEMT 的微波射頻技術(shù)基本實現(xiàn)了相對于前代半導(dǎo)體的大跨越。全球布局氮化鎵基半導(dǎo)體射頻器件的重要廠商有美國的 Cree（現(xiàn) Wolfspeed）、Qorvo、MACOM 和 Raytheon 等，還有德國的 Infineon，加拿大的 GaN Systems，日本的三菱電機，以及荷蘭的 NXP 等。從制造成熟度方面看，美國 Raytheon 公司和 Qorvo 公司的氮化鎵產(chǎn)品已達到其國防部制造成熟度評估最高級，氮化鎵射頻器件的制造工藝已滿足最佳性能、成本和容量的目標要求，并已具備支持全速率生產(chǎn)的能力。2014 年，Raytheon 公司宣布在「愛國者」防空系統(tǒng)部署使用氮化鎵模塊的先進雷達；2021 年，將其 GaN-on-Si 技術(shù)授權(quán)給了 GlobalFoundries 公司，以共同開發(fā)出能處理 5G 和 6G 毫米波信號的 IC 制程，將氮化鎵基射頻器件（RF）規(guī)模化量產(chǎn)水平升至一個新臺階，進一步壓縮了 RF 的成本。

此外，氮化鎵具有優(yōu)良的電子遷移率和電子飽和漂移速度，這使得它在射頻和微波電子器件中具有出色的性能，例如 5G 通信系統(tǒng)中的射頻功率放大器。5G 基站對射頻器件提出更高的要求，傳統(tǒng)的橫向擴散金屬氧化物半導(dǎo)體（LDMOS）無法適應(yīng) 5G 的高頻率，而氮化鎵適應(yīng)的頻率范圍拓展到了 40GHz 甚至更高，可適應(yīng) 5G 高頻的需求；氮化鎵具有軟壓縮特性，更容易預(yù)失真和線性化，實現(xiàn)更高的效率；氮化鎵可以做到更高的功率密度，達到 LDMOS 器件功率密度的 4 倍左右；氮化鎵封裝尺寸僅是 LDMOS 的 1/4~1/7，氮化鎵射頻器件更適用于 5G 基站。2010 年，氮化鎵基高功率微波放大器件首先應(yīng)用于小體積、高線性度等高端基站設(shè)備，開始向移動通信市場投放。隨著第四代移動通信（4G）無線網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的全面鋪開，2014 年氮化鎵應(yīng)用明顯增多，而 2GHz 以上 Si 基 LDMOS 器件的市場占有率從 92% 下降至 76%。而 5G 的推出，讓氮化鎵微波功率放大器接受度更高，在高頻段下，只能依賴氮化鎵基 HEMT 器件。目前，氮化鎵基 HEMT 的微波射頻技術(shù)基本實現(xiàn)了第三代半導(dǎo)體相對于前代半導(dǎo)體（Si 基 LDMOS、GaAs/InP 基 pHEMT 等）的大跨越。

目前，隨著 MBE 技術(shù)在氮化鎵材料應(yīng)用中的進展和關(guān)鍵薄膜生長技術(shù)的突破，成功地生長出了氮化鎵多種異質(zhì)結(jié)構(gòu)。用氮化鎵材料制備出了金屬場效應(yīng)晶體管（MESFET）、異質(zhì)結(jié)場效應(yīng)晶體管 (HFET)、調(diào)制摻雜場效應(yīng)晶體管（MODFET）等新型器件。調(diào)制摻雜的 AlGaN/GaN 結(jié)構(gòu)具有高的電子遷移率 (2000cm2/v·s)、高的飽和速度 (1×107cm/s)、較低的介電常數(shù)，是制作微波器件的優(yōu)先材料；此外，氮化鎵及藍寶石等材料作襯底，散熱性能好，有利于器件在大功率條件下工作。

產(chǎn)業(yè)鏈不斷完善，產(chǎn)能增長迅速

20 世紀 80 年代初，第三代半導(dǎo)體初露崢嶸，率先在化合物照明領(lǐng)域取得重大突破，目前已經(jīng)在全球形成萬億級的市場規(guī)模。近 3 年受新冠疫情影響，第三代半導(dǎo)體發(fā)展有所緩滯，但全球體量仍以每年約 10% 的復(fù)合增長率提高。隨著深紫外發(fā)光二極管（LED）、Mini-LED、Micro-LED 等革新技術(shù)的出現(xiàn)，第三代半導(dǎo)體在光電子領(lǐng)域又開辟出新型顯示、智慧農(nóng)業(yè)、醫(yī)療健康等新的應(yīng)用場景，將進一步擴大市場規(guī)模。

近年來，氮化鎵技術(shù)取得了一系列重大突破。例如，德國芯片巨頭英飛凌成功開發(fā)出 300 毫米氮化鎵功率半導(dǎo)體晶圓技術(shù)，顯著降低了生產(chǎn)成本，有助于推動氮化鎵技術(shù)的大規(guī)模商業(yè)化應(yīng)用。

隨著氮化鎵技術(shù)的不斷成熟和應(yīng)用領(lǐng)域的不斷拓展，氮化鎵產(chǎn)業(yè)鏈也在不斷完善。從襯底到外延到功率器件、射頻器件、光電器件的全覆蓋，各企業(yè)都在努力完善自身的產(chǎn)業(yè)鏈布局。

來源：弗若斯特沙利文、英諾賽科招股書

而在英諾賽科招股書中把氮化鎵產(chǎn)業(yè)鏈分為上游供應(yīng)商包括設(shè)備供應(yīng)商及原材料供應(yīng)商，其中原料主要涉及氮化鎵襯底，可分為藍寶石、硅、碳化硅、氮化鎵自支撐襯底四種材料。中游的氮化鎵功率半導(dǎo)體廠商負責氮化鎵功率半導(dǎo)體的設(shè)計、制造、封裝和測試等，具體又包含了 IDM 和 Fabless 兩種模式。在下游，氮化鎵功率半導(dǎo)體適用于應(yīng)用場景廣泛的各種功率器件，包括消費電子、電動汽車、數(shù)據(jù)中心、光伏、儲能等。

目前，各個環(huán)節(jié)國內(nèi)均有企業(yè)涉足，如在射頻領(lǐng)域，氮化鎵襯底有維微科技、科恒晶體、鎵鋁光電等公司。外延片涉足企業(yè)有晶湛半導(dǎo)體、聚能晶源、英諾賽科等。蘇州能訊、四川益豐電子、中科院蘇州納米所等公司則同時涉足多環(huán)節(jié)，力圖形成全產(chǎn)業(yè)鏈公司。

IDM 還是 Fabless？

目前在硅基半導(dǎo)體領(lǐng)域，主要有 Fabless 和 IDM 兩種模式。IDM 模式是一種垂直整合型商業(yè)模式，即企業(yè)自行設(shè)計芯片，并將自行生產(chǎn)加工、封裝、測試后的成品進行銷售。與 IDM 模式不同，F(xiàn)abless 模式是一種專注于設(shè)計的商業(yè)模式。在這種模式下，企業(yè)主要負責集成電路的設(shè)計、測試和銷售環(huán)節(jié)，而將晶圓制造、封裝和測試等生產(chǎn)環(huán)節(jié)外包給專業(yè)的代工合作伙伴來完成。

而在氮化鎵領(lǐng)域，IDM 模式的代表廠商有三安光電、英諾賽科、士蘭微電子、蘇州能訊、江蘇能華、大連芯冠科技等公司，F(xiàn)abless 廠商主要有華為海思、安譜隆等，同時海威華芯和三安集成可提供 GaN 器件代工服務(wù) (Foundry 模式)。

當下，很多過去致力于硅基半導(dǎo)體代工的廠商也早已觀察到氮化鎵市場的廣闊前景，并提前開始布局。例如，代工龍頭臺積電就一直很關(guān)注氮化鎵產(chǎn)業(yè)，其程度甚至超過當前風頭正盛的碳化硅。早在 2020 年，臺積電就宣布，要與意法半導(dǎo)體合作加速氮化鎵制程的開發(fā)，并將分離式與整合式氮化鎵元件導(dǎo)入市場。透過此合作，意法半導(dǎo)體將采用臺積電公司的氮化鎵制程來生產(chǎn)其氮化鎵產(chǎn)品。

很多氮化鎵廠商已經(jīng)開始與臺積電進行合作，而臺積電所進行的氮化鎵代工業(yè)務(wù)也多是目前主流的 GaN-on-Si。而一直將臺積電視為其競爭對手的三星，也在氮化鎵領(lǐng)域上進行了投資。為填補本身在晶圓代工上的劣勢，三星已經(jīng)開始培育韓國國內(nèi)半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)的新創(chuàng)公司，其中就包括三星投資部門的 80 億韓元投資的 IVworks，該公司是韓國第一家開發(fā) 8 英寸 GaN-on-Si 外延片和 4 英寸 GaN-on-SiC 外延片的晶圓代工廠。

其他還有像聯(lián)電、世界先進、穩(wěn)懋半導(dǎo)體、三安集成、X-Fab 等代工廠商均有氮化鎵的代工業(yè)務(wù)。

IDM 模式強調(diào)全生命周期控制和垂直整合，適用于技術(shù)密集型和資金密集型的行業(yè)；而 Fabless 模式則專注于設(shè)計和技術(shù)創(chuàng)新，適用于規(guī)模較小、資源有限但具有創(chuàng)新能力的企業(yè)。在實際應(yīng)用中，企業(yè)應(yīng)根據(jù)自身的技術(shù)實力、資金狀況和市場定位等因素來選擇適合自己的商業(yè)模式。同時，隨著半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)的不斷發(fā)展和市場需求的不斷變化，企業(yè)也應(yīng)不斷調(diào)整和優(yōu)化自己的商業(yè)模式以適應(yīng)市場變化。

為提高競爭力并確保穩(wěn)定供應(yīng)，氮化鎵功率半導(dǎo)體企業(yè)通常結(jié)合資源和技術(shù)優(yōu)勢，以建立涵蓋氮化鎵功率半導(dǎo)體設(shè)計與生產(chǎn)的完整產(chǎn)業(yè)鏈系統(tǒng)。因此，近年領(lǐng)先的 IDM 功率半導(dǎo)體公司多次收購氮化鎵功率半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)的參與者，以建立本身的地位。早期布局 IDM 的企業(yè)可獲得先發(fā)優(yōu)勢和長期競爭力。

氮化鎵市場前景大，已經(jīng)孵化了大量企業(yè)。對于后發(fā)企業(yè)來說，選擇 Fabless 不失為一個好的選擇。短期內(nèi)，兩種模式可能共存。但隨著硅基半導(dǎo)體代工企業(yè)的介入，憑借強大的資本積累有望打破這種平衡局面。