集微網(wǎng)報(bào)道 9月初的股市，并沒有秋后的天高氣爽之勢，反而是不斷滑落的大盤指數(shù)帶給股民陣陣涼意。然而，有一個(gè)板塊卻逆勢而動(dòng)，在破萬億成交額的護(hù)航下一路飄紅。

這就是第三代半導(dǎo)體板塊。在整個(gè)產(chǎn)業(yè)即將進(jìn)入國家戰(zhàn)略規(guī)劃消息的鼓舞下，第三代半導(dǎo)體技術(shù)再次成為了網(wǎng)紅。作為行業(yè)雙星之一的氮化鎵（GaN），也因?yàn)樵?a href="http://m.makelele.cn/v/tag/1225/" target="_blank">5G和功率市場的表現(xiàn)而再受矚目。

破圈的2020年

小米在2020年初的一場發(fā)布會(huì)改變了GaN的命運(yùn)。雷軍展示了小米研發(fā)的65W GaN充電器，GaN材料也因此破圈成名。盡管已被業(yè)界內(nèi)看做天選之子，GaN可從未獲得如此高的待遇。

在媒體一輪又一輪的密集轟炸之下，GaN的優(yōu)勢已經(jīng)人盡皆知：更大的禁帶寬度更大，更高的臨界擊穿電場，更高的熱導(dǎo)率更高，更高的飽和電子速率和電子遷移率等。因?yàn)樾阅苌陷^第一、二代半導(dǎo)體材料有質(zhì)的飛躍，GaN成為制作短波長發(fā)光器件、光電探測器以及高溫、高頻、大功率電子器件的不二之選。

LED照明、激光器與探測器方向是目前GaN最大的應(yīng)用市場，在2019年就達(dá)到了400億美元的營收規(guī)模。但是，業(yè)界更希望GaN在5G射頻和功率器件兩個(gè)方向?qū)崿F(xiàn)突破，因?yàn)槟抢镉懈蟮氖袌隹臻g。

5G系統(tǒng)需要更高的峰值功率、更寬的帶寬以及更高的頻率，這些因素都促成了對(duì)GaN器件的接受。業(yè)內(nèi)人士告訴記者，憑借高頻下更高的功率輸出和更小的占板面積，GaN已經(jīng)在射頻領(lǐng)域贏得良好的口碑。根據(jù)Yole預(yù)測，GaN 射頻市場將從 2018 年的 6.45 億美元增長到 2024 年的約 20 億美元，這主要受電信基礎(chǔ)設(shè)施和國防兩個(gè)方向應(yīng)用的推動(dòng)。

商業(yè)化GaN射頻器件產(chǎn)品目前有三大類:一種是應(yīng)用于 4G 宏基站等系統(tǒng)的大功率PA（功率放大器），飽和功率等級(jí)為100～300W甚至更大;另一種是應(yīng)用于0.5～6GHz的5G 宏基站的GaN PA，單模塊輸出平均功率為5～10W，要求高集成、小體積；第三種是應(yīng)用于5G高頻頻段的GaN單片集成電路(MMIC)，飽和輸出功率為2～10W，主要用于人員密集的場所。

PA是射頻系統(tǒng)中的關(guān)鍵組成，目前以GaAs（砷化鎵）PA為主流。但隨著5G的到來，GaAs器件將無法滿足在如此高的頻率下保持高集成度，GaN得以大展身手。

5G宏基站以64通道的大規(guī)模陣列天線為主，按三個(gè)扇區(qū)計(jì)算，單基站PA需求量將高達(dá) 192 個(gè)。根據(jù)拓墣產(chǎn)業(yè)研究院的預(yù)測，國內(nèi)5G宏基站建設(shè)將于2023年左右達(dá)到高峰，年新增 115 萬個(gè)以上，對(duì)應(yīng)PA需求高達(dá) 2.21 億個(gè)。隨著GaN器件成本的下降和工藝的成熟，GaN PA滲透率將不斷提升，拓墣產(chǎn)業(yè)研究院估計(jì)2019年5G宏基站PA中GaN占比在50%左右，預(yù)計(jì)到2023年GaN占比將達(dá)到80%。

相較光電和射頻，GaN在功率器件中的應(yīng)用爆發(fā)最晚，可謂是厚積薄發(fā)?！皬倪^去三年來看，成本每年以20%～30%的比重在下降，終于讓GaN接近爆發(fā)式增長的關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)?！奔{微（Navitas）中國區(qū)總經(jīng)理查瑩杰這樣認(rèn)為。

GaN功率器件開關(guān)頻率高、導(dǎo)通電阻小、電容小，可在高頻情況下保持高效率水平。并且，由于是平面架構(gòu)，GaN功率器件可以集成外圍驅(qū)動(dòng)和控制電路，將IC體積做小，顯著降低成本。

在蘋果、三星、華為、小米等手機(jī)廠商均入局GaN電源適配器的形勢下，預(yù)計(jì)2024年全球GaN功率半導(dǎo)體市場規(guī)模將超過 7.5億美元。

從光電到射頻器件，再到功率器件，GaN在應(yīng)用上經(jīng)歷了一個(gè)不斷擴(kuò)展，層層突破的過程。

全面爆發(fā)？還要等等

“第三代半導(dǎo)體現(xiàn)在是一片欣欣向榮的景象，走到哪里都能收到這方面的BP（項(xiàng)目計(jì)劃書）?！睋?dān)任芯力量·云路演點(diǎn)評(píng)嘉賓的盛世投資管理合伙人陳立志曾發(fā)出這樣的感慨。

媒體熱捧、資本追逐、項(xiàng)目遍地開花，無論是GaN還是SiC，都給人以行業(yè)進(jìn)入“井噴狀態(tài)”的印象。

實(shí)際上，從GaN本身來說，還只是處在爆發(fā)前夜。以紅得發(fā)紫的GaN快充為例，半導(dǎo)體行業(yè)資深投資人老周（化名）給記者算了筆賬：“小米GaN快充的單價(jià)是149元，目標(biāo)是年銷售100萬個(gè)，這就是1.5億元銷售額。對(duì)一個(gè)產(chǎn)品來說，是很不錯(cuò)的成績。但如果把使用的GaN芯片換算成晶圓，也就是300～500片的數(shù)量。對(duì)于晶圓廠，這都不算量產(chǎn)，至多是個(gè)樣品生產(chǎn)階段?！?/p>

老周一直在關(guān)注GaN功率市場的狀況。據(jù)他連續(xù)5年的觀察來看，整個(gè)市場還沒有真正起量。

蘇州能訊總經(jīng)理任勉亦認(rèn)為，功率GaN還是一個(gè)充滿競爭的領(lǐng)域，對(duì)其成本要求比較高，需要與硅材料比拼成本、性能，其產(chǎn)業(yè)發(fā)展還不夠成熟。

5G市場情況同樣如此。根據(jù)業(yè)界的共識(shí)，2W以下的場景主要使用了GaAs PA，2W以上的場景由LDMOS（橫向擴(kuò)散金屬氧化物半導(dǎo)體）PA和GaN PA占據(jù)。GaAs比較適合微基站，而GaN工藝適合用于宏基站大功率輸出場景。

LDMOS是GaN在宏基站中最主要的對(duì)手。5G頻譜分布在6GHz以下及28GHz以上毫米波的波段，頻率越高，LDMOS工藝的器件性能下降越多，因此其主要用在低頻段部署中。

國內(nèi)一家做宏基站PA的公司負(fù)責(zé)人趙林（化名）說：“5G的宏基站中，3GHz以上GaN在替代LDMOS，但是3GHz以內(nèi)仍然以LDMOS為主?！?/p>

價(jià)格是一個(gè)重要的因素。根據(jù)5G 基站的上游采購價(jià)格，拓璞分析，目前用于 3.5GHz 頻段的 5G 宏基站，采用 LDMOS 工藝的PA單扇區(qū)的價(jià)格超過了400美元，采用 GaN 工藝的PA價(jià)格則超過了700 美元?！?/p>

不過，5G基礎(chǔ)設(shè)施對(duì)高密度、小尺寸天線陣列的需求，導(dǎo)致射頻系統(tǒng)中對(duì)功率和熱管理處理的難度大增，GaN能效高、功率密度高，適應(yīng)頻率范圍更寬，有能力應(yīng)對(duì)5G基站小型化的趨勢。

因此，GaN占主導(dǎo)的趨勢愈發(fā)明顯。國內(nèi)的基站設(shè)備商在部署5G時(shí)采用了大量GaN PA，其他國家的基站廠商在PA技術(shù)上也在跟隨。

雖然形勢大好，但是因?yàn)榧夹g(shù)成熟度和5G部署的原因，“這個(gè)市場真正要起量，還是在明年?！崩现芘袛唷?/p>

GaN-on-Si還是GaN-on-SiC

GaN產(chǎn)業(yè)鏈包括上游的材料（襯底和外延）、中游的器件和模組、下游的系統(tǒng)和應(yīng)用。

GaN材料的制備，主要包括襯底制備和外延工藝兩大環(huán)節(jié)。襯底是由半導(dǎo)體單晶材料制造而成的晶圓片，可以直接進(jìn)入晶圓制造環(huán)節(jié)生產(chǎn)半導(dǎo)體器件，也可以進(jìn)行外延工藝加工生產(chǎn)外延片。外延是指在單晶襯底上生長一層新單晶的過程，新單晶可以與襯底為同一材料，也可以是不同材料。外延可以生產(chǎn)種類更多的材料，使器件設(shè)計(jì)有更多選擇。

藍(lán)寶石是GaN最初使用的襯底材料，也是最成熟的材料，大部分光電應(yīng)用的GaN器件都是通過這種襯底制造的。新興的兩種襯底是Si和SiC，即GaN-on-Si（硅基氮化鎵）和GaN-onON-SiC（碳化硅基氮化鎵）。

圖GaN-on-SiC、GaN-on-Si、GaN-on-Diamond 發(fā)展預(yù)測（來自Yole De?veloppement）

大部分的廠商使用GaN-on-SiC來生產(chǎn)GaN射頻器件。SiC和GaN的晶格匹配度良好，而且SiC還有高熱導(dǎo)率的性能，便于功率密度很高的GaN射頻器件快速導(dǎo)出熱量。

后起之秀Si襯底有更低的價(jià)格，但同時(shí)熱導(dǎo)率也比SiC低。憑借成熟的Si工藝，GaN-ONon-Si可以用標(biāo)準(zhǔn)工藝處理更大的晶圓，大幅降低了生產(chǎn)成本，其晶圓成本只有SiC基的百分之一。

SiC 襯底的主流尺寸是 4～6 英寸，8 英寸襯底已由 II-VI 公司和 Cree 公司研制成功。其中，半導(dǎo)電型 SiC 襯底以 n 型襯底為主，主要用于光電子器件、電力電子器件等。半絕緣型 SiC 襯底主要用于外延制造GaN 高功率射頻器件。

相比之下，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。

MACOM公司就公布了一組數(shù)據(jù)，顯示如果設(shè)計(jì)恰當(dāng)，Si基GaN的性能是可以和SiC基GaN性能一樣可靠的。

ST（意法半導(dǎo)體）是GaN-on-Si RF行業(yè)的領(lǐng)先者，目前在與MACOM合作，瞄準(zhǔn)全球5G基站應(yīng)用，正在擴(kuò)大6英寸GaN-on-Si產(chǎn)能，并計(jì)劃進(jìn)一步擴(kuò)展至8英寸晶圓。雙方在意大利 Catania 和新加坡分別建設(shè)射頻放大器晶圓廠，主要是 6寸/8寸的 GaN-onON-Si 產(chǎn)品，兩個(gè)基地在 2022 年產(chǎn)值預(yù)計(jì)達(dá) 30 億美元，制程工藝由 0.5μm向 0.25μm 和 0.15μm 演進(jìn)。

看好GaN的前景，臺(tái)積電、英特爾等巨頭也開始涉足于該領(lǐng)域，進(jìn)行GaN-onON-Si的代工開發(fā)。由于這些公司掌握了先進(jìn)的制程工藝和龐大的資源，整個(gè)行業(yè)的天平已經(jīng)開始向GaN-onON-Si傾斜了。

同一個(gè)起跑線 競爭更激烈

從1986年兩步生長法得到高質(zhì)量GaN外延遲開始，該材料已經(jīng)在歐美日等國經(jīng)歷了三十多年的發(fā)展歷程，形成了較為成熟的產(chǎn)業(yè)體系。

國內(nèi)開展GaN的大規(guī)模正式研究是在2008年之后，以政府部門為主導(dǎo)，通過專項(xiàng)的形式開展。經(jīng)過十多年的發(fā)展，現(xiàn)在已經(jīng)初具規(guī)模。特別是近幾年，由于產(chǎn)業(yè)投資熱度居高不下，行業(yè)發(fā)展迅速。2019 年，據(jù) CASA（第三代半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)技術(shù)創(chuàng)業(yè)戰(zhàn)略聯(lián)盟）統(tǒng)計(jì)，GaN相關(guān)的重大投資就有3起，涉及金額45億元。

與國外企業(yè)相比，中國本土企業(yè)在技術(shù)積累上有著較大的差距。但是，雙方現(xiàn)在站在了同一起跑線上?！罢麄€(gè)市場才剛剛起步，像手機(jī)快充這種市場，本土廠商有更多的機(jī)會(huì)切入，這樣就能獲得很多的驗(yàn)證和迭代的機(jī)會(huì)?！崩现苷J(rèn)為本土廠商更接近終端市場，有很多機(jī)會(huì)拉進(jìn)距離，“如果本土公司能跟終端廠能夠把戰(zhàn)略協(xié)同做好，完全有機(jī)會(huì)成為一個(gè)世界級(jí)的氮化鎵器件公司?！?/p>

機(jī)遇都是伴隨著挑戰(zhàn)的。由于技術(shù)的演進(jìn)，巨頭的加入，整個(gè)GaN行業(yè)也正在分化。傳統(tǒng)的IDM模式和新興的Fabless+代工模式并存，給國內(nèi)廠商的路徑選擇也帶來一定的困惑。

在GaN射頻端，供應(yīng)商以IDM企業(yè)為主，主要有日本住友電工旗下的 SEDI 公司（Sumitomo Electric Device Innovations）、Infineon（RF 部門已出售給 Cree）、美國 Cree 旗下 Wolfspeed 公司、Qorvo 公司、MACOM 公司、Ampleon、韓國 RFHIC 等。

圖 全球主要射頻GaN廠商（來自Yole De?veloppement）

IDM模式的優(yōu)點(diǎn)是全生產(chǎn)鏈自我控制，可減少風(fēng)險(xiǎn)。特別是面向基站和汽車等行業(yè)市場，產(chǎn)品偏向定制化，更新?lián)Q代周期長，產(chǎn)品性能的可靠性和穩(wěn)定性要求更高，技術(shù)難度大。加之市場空間較小，難以有足夠的利潤空間供設(shè)計(jì)企業(yè)和制造企業(yè)分享，采用IDM模式更能保證產(chǎn)品性能和利潤。

蘇州能訊總經(jīng)理任勉就表示，IDM模式是從外延材料的生長、器件的設(shè)計(jì)，到工藝制造基本都由一個(gè)工廠獨(dú)立完成。這就相當(dāng)于把過去傳統(tǒng)的材料、設(shè)計(jì)、工藝整合在一起。只是，在這樣的一個(gè)背景下，射頻器件的大量出貨，供應(yīng)鏈運(yùn)營是一個(gè)最大的難題。

不過，隨著產(chǎn)品的集成度提升，代工模式也自然的在GaN行業(yè)產(chǎn)生了。尤其是在功率器件領(lǐng)域，GaN的成本更敏感，需要更大尺寸的晶圓來降低成本，這只有代工廠能走做到。

中國臺(tái)灣的穩(wěn)懋就瞄準(zhǔn)5G基站，主打GaN-on-SiC領(lǐng)域。環(huán)宇也擁有4寸GaN-on-SiC高功率PA 產(chǎn)能，且6寸GaN-on-SiC 晶圓代工產(chǎn)能已通過認(rèn)證。

在GaN-on-Si方面，臺(tái)積電目前已提供小批量6寸GaN-on-Si晶圓代工服務(wù)，650V和 100V GaN芯片技術(shù)平臺(tái)，預(yù)計(jì)今年開發(fā)完成。世界先進(jìn)也在2020年對(duì)GaN產(chǎn)品將進(jìn)行小量樣品送樣。

此外，EPC，GaN Systems，Transphorm和VisIC之類的GaN市場初創(chuàng)企業(yè)中的早期參與者與成熟的硅功率半導(dǎo)體制造商結(jié)成聯(lián)盟，例如Transphorm和Fujitsu，GaN Systems和ROHM Semiconductor之間的聯(lián)系。

在中國大陸地區(qū)，三安集成和海威華芯具有量產(chǎn)GaN功率器件的能力。三安集成是三安光電下屬子公司，主營GaN和GaAs技術(shù)相關(guān)業(yè)務(wù)，是一家專門從事化合物半導(dǎo)體制造的代工廠。海威華芯則是國內(nèi)首家提供6寸GaAs/GaN微波集成電路（GaAs/GaN MMIC）的純晶圓代工服務(wù)的制造企業(yè)。據(jù)悉，公司的氮化鎵已成功突破6寸GaN晶圓鍵合技術(shù)。

選擇IDM還是代工模式并無定論，最終還是要看公司在市場中的定位和自身的水平。目前最關(guān)鍵的是，對(duì)全行業(yè)來說，起跑后能否沖出包圍。

任勉認(rèn)為：“與國外公司相比，國內(nèi)企業(yè)無論是技術(shù)的全面性，還是產(chǎn)能規(guī)模、供應(yīng)鏈的運(yùn)營水平，以及整個(gè)解決方案落地能力、客戶渠道等等，都存在差距。所以說我們無法迅速超車，我們應(yīng)該要正視這個(gè)現(xiàn)實(shí)?！?/p>

“技術(shù)層面不是一天兩天能趕上的，近幾年產(chǎn)業(yè)頻出彎道超車的說法，但我個(gè)人不太認(rèn)同，公司還是需要吸納人才，耐得住寂寞，不斷積累，練好內(nèi)功，才能不斷縮小與國際廠商的差距?！壁w林表示。

原文標(biāo)題：【芯視野】紅出圈的氮化鎵（GaN）：爆發(fā)前的黎明，突圍還要蓄力

文章出處：【微信公眾號(hào)：半導(dǎo)體投資聯(lián)盟】歡迎添加關(guān)注！文章轉(zhuǎn)載請(qǐng)注明出處。