近些年，下游行業(yè)應(yīng)用對(duì)半導(dǎo)體材料性能要求不斷提高,，在射頻（RF）和功率電子方面,，氮化鎵（GaN）芯片在消費(fèi)電子領(lǐng)域滲透率不斷提升，市場(chǎng)在高速增長(zhǎng),。

　　TrendForce預(yù)計(jì),，2021年，GaN功率器件市場(chǎng)規(guī)模將達(dá)到6100萬美元,，年增長(zhǎng)率達(dá)到90.6%,，年增長(zhǎng)率有望在2022年達(dá)到最高峰，后續(xù)隨著廠商采用逐漸普及,，增長(zhǎng)態(tài)勢(shì)將趨緩,。

　　作為第三代化合物半導(dǎo)體的代表，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,。

　　主要應(yīng)用

　　GaN主要用于微波射頻和功率電子領(lǐng)域,。

　　GaN 在射頻市場(chǎng)更關(guān)注高功率、高頻率場(chǎng)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,。

　　2020年，疫情對(duì)市場(chǎng)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(cè)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(chǎng)增長(zhǎng),。

　　在射頻應(yīng)用中，PA是GaN的主戰(zhàn)場(chǎng),。5G對(duì)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(huì)帶來市場(chǎng)空間的巨大增長(zhǎng),。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(guó)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(chǎng)將達(dá)到243.1億元人民幣,，年均復(fù)合增長(zhǎng)率CAGR為162.31%,，2021年全球4G和5G小基站射頻器件市場(chǎng)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(duì)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(chǎng)規(guī)模將達(dá)到16億美元,，其中，MIMO PA的年復(fù)合增長(zhǎng)率將達(dá)到135%，射頻前端模塊的年復(fù)合增長(zhǎng)率將達(dá)到 119%,。

　　相對(duì)于4G,，5G基站用到的PA數(shù)會(huì)加倍增長(zhǎng)。4G基站采用4T4R方案,，按照三個(gè)扇區(qū),，對(duì)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(duì)應(yīng)的PA需求量高達(dá)192個(gè)。

　　目前的PA市場(chǎng),，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(duì)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(shì),，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(shì),，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(huì)，主要原因是成本和高電壓特性,，這在手機(jī)內(nèi)難以接受,。

　　功率電子方面，用GaN制造電源轉(zhuǎn)換器,，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(tái)幣。

　　近幾年,，市場(chǎng)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。

　　野村證券發(fā)表的題為“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(chǎng)，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(chǎng)產(chǎn)值每年將以6成以上速度增長(zhǎng),。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,。

　　在功率電子方面，GaN的應(yīng)用也在不斷創(chuàng)新，例如,，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(chǔ)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。

　　GaN外延片技術(shù)

　　GaN外延片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）,。當(dāng)然，除了以上這兩種主流技術(shù)外,，還有GaN on sapphire,，以及GaN on GaN技術(shù)。目前,，GaN on Si應(yīng)用較多,。

　　雖然GaN on SiC性能相對(duì)較佳，但價(jià)格明顯高于GaN on Si,。另外,，GaN on Si生長(zhǎng)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 出入不大,。另外，硅基技術(shù)也將對(duì)CMOS工藝兼容,，使GaN器件與CMOS工藝器件集成在一塊芯片上,。這些使得GaN on Si成為市場(chǎng)主流，而且主要應(yīng)用于電力電子領(lǐng)域,，未來有望大量導(dǎo)入5G基站的功率放大器 （PA）,。

　　GaN on SiC則結(jié)合了SiC優(yōu)異的導(dǎo)熱性和GaN的高功率密度和低損耗的能力，與Si相比,，SiC是一種非?！昂纳ⅰ钡囊r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,，因此射頻性能更好,，是射頻應(yīng)用的合適材料。在相同的耗散條件下,，SiC器件的可靠性和使用壽命更好,。但是，受限于SiC襯底,，目前仍然限制在4英寸與6英寸晶圓,，8英寸的還沒有推廣。

　　在射頻應(yīng)用方面,，Cree（Wolfspeed）擁有最強(qiáng)的實(shí)力,，在射頻應(yīng)用的 GaN HEMT 專利競(jìng)爭(zhēng)中，尤其在GaN on SiC技術(shù)方面,，該公司處于領(lǐng)先地位,，遠(yuǎn)遠(yuǎn)領(lǐng)先于其主要競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手住友電工和富士通。英特爾和MACOM是目前最活躍的射頻GaN專利申請(qǐng)者,，主要聚焦在GaN on Si技術(shù)領(lǐng)域,。GaN射頻HEMT相關(guān)專利領(lǐng)域的新進(jìn)入者主要是中國(guó)廠商，如HiWafer（海威華芯）,、三安集成和華進(jìn)創(chuàng)威,。

　　局限性

　　與Si相比，GaN具有許多重要優(yōu)勢(shì),，更節(jié)能,，更快，甚至更好的恢復(fù)特性,。然而,，它在一段時(shí)間內(nèi)不會(huì)在所有應(yīng)用中取代Si。

　　GaN需要克服的第一個(gè)障礙是晶體管的耗盡性質(zhì),，有效功率和邏輯電路需要常開和常關(guān)兩種類型的晶體管,，雖然可以生產(chǎn)常關(guān)型GaN晶體管，但它們要么依賴于典型的Si MOSFET,，要么需要特殊的附加層,，這使得它們難以收縮，不能以與當(dāng)前Si晶體管相同的規(guī)模生產(chǎn)GaN晶體管,，這意味著其難以在CPU和其他微控制器中使用,。

　　GaN晶體管的第二個(gè)問題是，用于制造增強(qiáng)型GaN晶體管的唯一已知方法,，是使用松下公司獲得的專利技術(shù),，這意味著涉及這種晶體管類型的任何創(chuàng)新都將依賴于松下,，直到研究出其他方法。

　　成本控制

　　GaN功率元件價(jià)格已經(jīng)出現(xiàn)很大的降幅,，但成本仍是打開市場(chǎng)的關(guān)鍵,，其與Si產(chǎn)品相比,，目前成本還比較高,。

　　英飛凌是率先使用12英寸晶圓工廠生產(chǎn)Si基功率元件的廠商，近年來,，隨著手機(jī),、電腦充電器的發(fā)展，GaN芯片得到越來越廣的應(yīng)用,，相關(guān)制造技術(shù)也在快速推進(jìn)中,。近期，英飛凌公司表示,，其GaN等新材料產(chǎn)品已經(jīng)進(jìn)入量產(chǎn)階段,，未來這類功率芯片的制造將從主流的6英寸轉(zhuǎn)移到8英寸晶圓廠生產(chǎn)。這將有助于降低成本,。

　　英飛凌預(yù)測(cè),，未來在生產(chǎn)規(guī)模、產(chǎn)能投資,、良率控制等方面的共同推進(jìn)下,，GaN功率元件的成本有望下降，預(yù)計(jì)3~5年后有機(jī)會(huì)把成本降到跟Si基元件相仿的程度,。

　　中國(guó)表現(xiàn)

　　無論是國(guó)際大廠,，如Qorvo、英飛凌,、NXP,、Cree、日本住友等,，還是中國(guó)本土廠商,，如三安光電、海特高新（海威華芯）,、蘇州能訊和英諾賽科等,，都在GaN上不斷加大投入力度，以求占得市場(chǎng)先機(jī),。

　　近些年,，中國(guó)陸續(xù)有相關(guān)的外延片項(xiàng)目投產(chǎn)，如2019下半年,，北京耐威科技控股子公司聚能晶源投資建設(shè)的第三代半導(dǎo)體材料制造項(xiàng)目（一期）于9月正式投產(chǎn),。本項(xiàng)目設(shè)計(jì)產(chǎn)能為年產(chǎn)1萬片GaN外延片,，既可生產(chǎn)提供標(biāo)準(zhǔn)結(jié)構(gòu)的 GaN 外延片，也可根據(jù)客戶需求開發(fā),、量產(chǎn)定制化外延晶圓,。

　　與此同時(shí)，西部地區(qū)首個(gè)GaN外延片工廠聚力成成功試產(chǎn),。在電力電子領(lǐng)域,，聚力成具備開發(fā)6英寸650V/100V硅基氮化鎵外延片技術(shù)能力，實(shí)現(xiàn)650V/15A硅基氮化鎵功率器件的生產(chǎn)工藝,。在微波射頻領(lǐng)域,，該公司同樣具有研發(fā)GaN on SiC外延材料的技術(shù)能力，產(chǎn)品主要定位在射頻通訊和射頻能量市場(chǎng),。

　　目前,，國(guó)內(nèi)已有多家企業(yè)布局GaN外延片產(chǎn)業(yè)，除了聚力成以外,，還有江蘇能華,、英諾賽科、三安集成,、江蘇華功,、大連芯冠和海威華芯等，其中英諾賽科的8英寸Si基GaN生產(chǎn)線已經(jīng)相繼開始啟用,。

　　最近,，中國(guó)本土廠商在GaN晶圓廠建設(shè)的腳步不斷提速，例如,，英諾賽科（蘇州）半導(dǎo)體有限公司宣布其8英寸硅基氮化鎵芯片生產(chǎn)線一期第一階段產(chǎn)能擴(kuò)展建設(shè)項(xiàng)目量產(chǎn),。預(yù)計(jì)2021年實(shí)現(xiàn)產(chǎn)能可達(dá)6000片/月。項(xiàng)目全部達(dá)產(chǎn)后預(yù)計(jì)將實(shí)現(xiàn)年產(chǎn)能78萬片8英寸硅基氮化鎵晶圓,。據(jù)悉,，該項(xiàng)目主要建設(shè)從器件設(shè)計(jì)、驅(qū)動(dòng)IC設(shè)計(jì)開發(fā),、材料制造,、器件制備、后段封測(cè)以及模塊加工的全產(chǎn)業(yè)鏈寬禁帶半導(dǎo)體器件制造平臺(tái),。

　　無獨(dú)有偶,，就在不久前，中國(guó)本土另一家化合物半導(dǎo)體大廠賽微電子發(fā)布了關(guān)于與青州市人民政府簽署《合作協(xié)議》的公告,，賽微電子擬在青州經(jīng)濟(jì)開發(fā)區(qū)發(fā)起投資10億元分期建設(shè)聚能國(guó)際6-8英寸硅基氮化鎵功率器件半導(dǎo)體制造項(xiàng)目,，一期建成投產(chǎn)后將形成5000片/月的6-8英寸氮化鎵晶圓生產(chǎn)能力，二期建成投產(chǎn)后將形成12000片/月的6-8英寸氮化鎵晶圓生產(chǎn)能力。

　　據(jù)統(tǒng)計(jì),，在GaN電力電子產(chǎn)線方面,，截至2020年底，我國(guó)已有7條GaN on Si晶圓制造產(chǎn)線,，另有約4條GaN電力電子產(chǎn)線正在建設(shè),。GaN射頻產(chǎn)線方面，截至2020年底,，我國(guó)有5條4英寸GaN on SiC生產(chǎn)線,，有5條GaN射頻產(chǎn)線正在建設(shè)。