作為第三代化合物半導(dǎo)體的代表,，氮化鎵（GaN）具有諸多優(yōu)點(diǎn),，如高熔點(diǎn),、出色的擊穿能力,、更高的電子密度和電子速度,，以及更高的工作溫度,，且GaN的能隙很寬,，達(dá)到3.4eV，具有低導(dǎo)通損耗和高電流密度,。

　　GaN主要用于微波射頻（RF）和功率電子領(lǐng)域,。

　　目前，GaN廠商主要有Cree,，Efficient Power Conversion Corporation,，F(xiàn)ujitsu，GaN Systems,，Infineon,，NXP，NextGen Power Systems，Qorvo,，東芝,，Texas Instruments等。

　　Strategy Analytics的市場研究報(bào)告顯示,，2020年,，基于RF GaN的設(shè)備收入又經(jīng)歷了快速增長的一年，增長率達(dá)到30％,，首次突破10億美元大關(guān),。

　　“基站仍然是RF GaN收入的主要來源，且增長最快,，” Strategy Analytics高級半導(dǎo)體應(yīng)用（ASA）和高級防御系統(tǒng)（ADS）服務(wù)總監(jiān)Eric Higham指出：“去年,，華為繼續(xù)在中國積極部署基站，以緩沖美國的貿(mào)易制裁,。我們可能會看到短期波動(dòng),，具體取決于中國的5G部署計(jì)劃，但是RF GaN器件在商業(yè)和國防應(yīng)用中的基本面仍然強(qiáng)勁,，我預(yù)計(jì)到2025年收入將接近20億美元,。”

　　2020年,，疫情對市場產(chǎn)生了短暫影響,，意法半導(dǎo)體（ST Microelectronics）和英飛凌（Infineon）等歐洲巨頭曾短暫減產(chǎn)。預(yù)計(jì)在預(yù)測期內(nèi),，GaN在5G基站制造中的采用將越來越多,，將帶動(dòng)市場增長。

　　2020年10月,，NXP在其位于美國亞利桑那州錢德勒的工廠建設(shè)了一座耗資1億美元的GaN晶圓廠,，新工廠將生產(chǎn)6英寸GaN 5G基站射頻功率放大器（PA）。

　　2021年2月,，小米Mi GaN充電器Type-C 33W在中國以79日元（12美元）的價(jià)格推出。這款型號為AD33G的充電器是GaN在功率電子應(yīng)用的一個(gè)重要標(biāo)志,，在中國掀起了一陣熱潮,。

　　下面分別介紹一下GaN在射頻和功率應(yīng)用領(lǐng)域的發(fā)展情況。

　　射頻

　　GaN 在射頻市場更關(guān)注高功率,、高頻率場景,。由于GaN在高頻下具有較高的功率輸出和較小的面積，已被射頻行業(yè)廣泛采用,。隨著5G到來,，GaN在Sub-6GHz宏基站和毫米波（24GHz 以上）小基站中找到了用武之地。

　　在射頻應(yīng)用中，PA是GaN的主戰(zhàn)場,。5G對于設(shè)備性能和功率效率提出了更高的要求,，特別是在基站端，基站數(shù)量和單個(gè)基站成本雙雙上漲,，這將會帶來市場空間的巨大增長,。依據(jù)蜂窩通信理論計(jì)算，要達(dá)到相同的覆蓋率,，估計(jì)中國5G宏基站數(shù)量要達(dá)到約500萬個(gè),。2021年全球5G宏基站PA和濾波器市場將達(dá)到243.1億元人民幣，年均復(fù)合增長率CAGR為162.31%,，2021年全球4G和5G小基站射頻器件市場將達(dá)到21.54億元人民幣,，CAGR為140.61%。

　　由于基站越來越多地用到了多天線MIMO技術(shù),，這對PA提出了更多需求,。預(yù)計(jì)到2022年，4G/ 5G基礎(chǔ)用的射頻半導(dǎo)體市場規(guī)模將達(dá)到16億美元,，其中,，MIMO PA的年復(fù)合增長率將達(dá)到135%，射頻前端模塊的年復(fù)合增長率將達(dá)到 119%,。

　　相對于4G,，5G基站用到的PA數(shù)會加倍增長。4G基站采用4T4R方案,，按照三個(gè)扇區(qū),，對應(yīng)的射頻PA需求量為12個(gè)，5G基站中,，預(yù)計(jì)64T64R將成為主流方案,，對應(yīng)的PA需求量高達(dá)192個(gè)。

　　目前的PA市場,，包括基站和手機(jī)端用的,，制造工藝主要包括傳統(tǒng)的LDMOS、GaAs,，以及新興的GaN,。而在基站端，傳統(tǒng)LDMOS工藝用的更多,，但是,，LDMOS 技術(shù)適用于低頻段，在高頻應(yīng)用領(lǐng)域存在局限性,。而為了適應(yīng)5G網(wǎng)絡(luò)對性能和功率效率的需求,，越來越多地應(yīng)用到了GaN，它能較好地適用于大規(guī)模MIMO。

　　GaN具有優(yōu)異的高功率密度和高頻特性,。GaAs擁有微波頻率和5V至7V的工作電壓,，多年來一直廣泛應(yīng)用于PA。硅基LDMOS技術(shù)的工作電壓為28V,，已經(jīng)在電信領(lǐng)域使用了許多年,，但其主要在4GHz以下頻率發(fā)揮作用，在寬帶應(yīng)用中的使用并不廣泛,。相比之下,，GaN的工作電壓為28V至50V，具有更高的功率密度和截止頻率,，在MIMO應(yīng)用中，可實(shí)現(xiàn)高整合性解決方案,。

　　在宏基站PA應(yīng)用中,，GaN憑借高頻、高輸出功率的優(yōu)勢,，正在逐漸取代LDMOS,；在小基站中，未來一段時(shí)間內(nèi)仍然以GaAs工藝為主,，這是因?yàn)樗邆淇煽啃院透咝詢r(jià)比的優(yōu)勢，但隨著GaN器件成本的降低和技術(shù)的提高,，GaN PA有望在小基站應(yīng)用中逐步拓展,。

　　在手機(jī)端,，射頻前端PA還是以GaAs工藝為主，短期內(nèi)還看不到GaN的機(jī)會,，主要原因是成本和高電壓特性,，這在手機(jī)內(nèi)難以接受。

　　如前文所述,，在射頻應(yīng)用方面，GaN在5G和軍工當(dāng)中的應(yīng)用前景最佳,，也正是因?yàn)槿绱耍?，美國雷神技術(shù)（Raytheon Technologies）公司與晶圓代工廠GlobalFoundries合作,，開發(fā)和商業(yè)化用于5G和6G RF的硅基氮化鎵（GaN）工藝。為此,，雷神公司將其專有的GaN硅技術(shù)授權(quán)給了Globalfoundries,，以在佛蒙特州伯靈頓的GF Fab 9工廠開發(fā)一種新工藝。

　　據(jù)悉,，該GaN工藝技術(shù)將在保持生產(chǎn)和運(yùn)營成本的同時(shí)提高RF性能,，從而實(shí)現(xiàn)5G和6G RF毫米波工作頻率標(biāo)準(zhǔn)的功率水平和功率效率。

　　功率

　　在功率電子方面,，用GaN制造電源轉(zhuǎn)換器（簡稱Power GaN）,，是當(dāng)下最熱門的。過去生產(chǎn)相關(guān)產(chǎn)品,，最難的部分是取得碳化硅的基板,，一片6英寸的晶圓，要價(jià)高達(dá)8萬元臺幣,。

　　近幾年,，市場上開始出現(xiàn)將GaN堆棧在硅基板上的技術(shù)（GaN on Si）。這種技術(shù)大幅降低了化合物半導(dǎo)體的成本,，用在生產(chǎn)處理數(shù)百伏特的電壓轉(zhuǎn)換,，可以做到又小又省電。目前,，市面上已經(jīng)可以看到,，原本便當(dāng)大小的筆電電源適配器，已經(jīng)能做到只有餅干大小,，OPPO,、聯(lián)想等公司，更要把這種技術(shù)內(nèi)建在高端手機(jī)和筆電里,。

　　3月,，野村證券發(fā)表了題為“A GaN Changer”的產(chǎn)業(yè)報(bào)告，認(rèn)為未來2~3年,，第三代半導(dǎo)體將重塑全球消費(fèi)類電源市場,，取代用硅制作的IGBT電源管理芯片。野村證券報(bào)告預(yù)估,，2023年,，這個(gè)市場產(chǎn)值每年將以6成以上速度增長。第三代半導(dǎo)體能源轉(zhuǎn)換效率能達(dá)到95%以上,，一旦被大幅采用,，能實(shí)現(xiàn)很好的節(jié)能效果。

　　除此之外,，在功率電子方面,，GaN的應(yīng)用也在不斷創(chuàng)新,，例如，近期,，意法半導(dǎo)體（ST）正在開發(fā)一種將其BCD硅技術(shù)中內(nèi)置的微控制器與GaN器件相結(jié)合的工藝,，以實(shí)現(xiàn)智能電源。

　　據(jù)悉,，這是建立在Bipolar-CMOS-DMOS（BCD）技術(shù)基礎(chǔ)上的,。BCD的開發(fā)始于35年前，它在4英寸晶圓上以4微米工藝結(jié)合了模擬,，邏輯,，存儲器和功率組件。不久后,，其第10代技術(shù)將開始以90nm工藝生產(chǎn),，這將導(dǎo)致40nm工藝與高度集成的微控制器一起用于有線和無線充電設(shè)備以及許多其他電源應(yīng)用。

　　ST的智能電源技術(shù)研發(fā)總經(jīng)理Guiseppe Croce表示：“當(dāng)前一代產(chǎn)品使用具有相變非易失性存儲器的90nm工藝,，下一代產(chǎn)品的開發(fā)基于我們微控制器產(chǎn)品的40nm專有技術(shù),，但集成面臨許多挑戰(zhàn)，包括表征域之間的串?dāng)_,?！?/p>

　　下一步的研發(fā)重點(diǎn)是將GaN高功率技術(shù)添加到BCD工藝中。驅(qū)動(dòng)已經(jīng)集成在單芯片上,，但是增加微控制器的步驟意義重大,。

　　在SiC的引領(lǐng)下，使用諸如寬帶隙的替代半導(dǎo)體材料已成為主流,。GaN在提高效率和電壓的未來單片電源集成方面看起來很有希望，“意法半導(dǎo)體技術(shù),，制造和質(zhì)量總裁Orio Bellezza說：”通過將GaN的優(yōu)勢與傳統(tǒng)硅材料相結(jié)合,，我們可以滿足眾多應(yīng)用的需求。集成解決方案在微型BCD平臺上嵌入了無芯變壓器,，但挑戰(zhàn)在于高電壓，其中6KV隔離是一個(gè)明顯的趨勢,。盡管使用了介電層,，但所需的層厚度卻給集成帶來了很大的挑戰(zhàn)?！?/p>

　　他說：”智能電源存在兩個(gè)主要挑戰(zhàn)，首先是功率和模擬部分的擴(kuò)展,，其次是成本優(yōu)化,。只要解決了這兩點(diǎn),，BCD硅技術(shù)與GaN的結(jié)合是可以實(shí)現(xiàn)的,。“

　　晶圓襯底

　　目前,，GaN晶圓主要以4英寸和6英寸為主。隨著市場應(yīng)用需求的增長和工藝技術(shù)的不斷成熟,，當(dāng)下,，有越來越多的廠商開發(fā)出了多種滿足實(shí)際應(yīng)用需求的晶圓和襯底技術(shù),。

　　例如，2021年3月,，三菱化學(xué)透露,，他們已開發(fā)出4英寸GaN單晶襯底,，還在開發(fā)6英寸的產(chǎn)品，而且晶體缺陷僅為普通GaN襯底的1/100-1/1000,，”幾乎沒有缺陷“,。

　　三菱還表示,，他們將于2021上半年在日本建設(shè)大規(guī)模生產(chǎn)線，以將4英寸GaN襯底進(jìn)行商業(yè)化實(shí)驗(yàn),。5月18日,，日本制鐵所宣布,，他們將在日本室蘭工廠安裝一條批量生產(chǎn)GaN單晶襯底的示范生產(chǎn)線，并與三菱化學(xué)共同進(jìn)行示范實(shí)驗(yàn),。而且他們將會從明年4月開始供應(yīng)4英寸GaN單晶襯底,。

　　據(jù)悉，三菱化學(xué)的4英寸GaN襯底采用的是獨(dú)特的液相生長方法——低壓酸性氨熱法（LPAAT）,，這項(xiàng)技術(shù)是聯(lián)合日本東北大學(xué)開發(fā)的,，好處是可制造大直徑、高質(zhì)量和低成本的GaN襯底,。

　　近期,，晶圓代工廠世界先進(jìn)表示,，其在GaN制程研發(fā)方面取得突破。世界先進(jìn)與設(shè)備材料廠Kyma,，以及轉(zhuǎn)投資GaN硅基板廠Qromis合作,，開發(fā)了可做到8英寸的新襯底高功率氮化鎵技術(shù) GaN-on-QST。

　　世界先進(jìn)透露,，客戶對GaN-on-QST 技術(shù)的驗(yàn)證也有成果,，有幾個(gè)客戶正在進(jìn)行產(chǎn)品設(shè)計(jì)，且進(jìn)度順利,，預(yù)期最快今年底,、慢則明年上半年，就可小量量產(chǎn),。

　　同樣是在近期,，比利時(shí)的imec研究實(shí)驗(yàn)室展示了一種8英寸晶圓GaN工藝。imec與德國半導(dǎo)體設(shè)備制造商Aixtron合作,，在8英寸QST襯底上生長了用于1200V應(yīng)用的橫向晶體管的較厚外延GaN緩沖層,，其硬擊穿電壓超過1800V。它可以在兼容CMOS的工藝中以大批量,，低成本的8英寸晶圓廠制造,，與SiC器件相比，大大降低了成本,。imec還在考慮從橫向轉(zhuǎn)移到垂直結(jié)構(gòu),，可進(jìn)一步降低成本，因?yàn)榭梢栽趩蝹€(gè)晶圓上制造更多器件,。

　　以前,，GaN器件僅適合650V或800V的電壓，而SiC用于高于800V和1200V的電動(dòng)汽車和太陽能電池板逆變器等應(yīng)用中的電壓,。

　　GaN現(xiàn)在可以成為20V至1200V整個(gè)工作電壓范圍內(nèi)的首選技術(shù),。基于GaN的電源技術(shù)可在高通量CMOS晶圓廠中的較大晶圓上進(jìn)行處理,，與昂貴的SiC技術(shù)相比,，具有明顯的成本優(yōu)勢。

　　高擊穿電壓的關(guān)鍵是對復(fù)雜的外延材料堆疊的精心設(shè)計(jì),，并結(jié)合使用Qromis的IIAP程序開發(fā)的QST基板,。

　　結(jié)語

　　據(jù)Yole預(yù)測，GaN射頻市場將從2018年的6.45億美元增長到2024年的20億美元,，這主要受電信基礎(chǔ)設(shè)施和國防兩個(gè)應(yīng)用驅(qū)動(dòng),，衛(wèi)星通信、有線寬帶和射頻功率也做出了一定貢獻(xiàn),。

　　此外,，受消費(fèi)者快速充電器應(yīng)用推動(dòng),，到2024年，GaN功率市場規(guī)模將超過3.5億美元,，CAGR為85％,，有極大增長空間。

　　因此,，在射頻和功率兩股應(yīng)用發(fā)展推力的作用下,，GaN的前景非常值得期待。