第三代半导体材料GaN开始征战四方

近年来，半导体行业一路风驰电掣，好不风光。根据WSTS统计，从2013年到2018年，全球半导体市场规模从3056亿美元迅速提升至4688亿美元，年均复合增长率达到8.93%。在市场爆发式增长下，技术也在更新换代。随着Si和化合物半导体材料GaAs在器件性能的提升到了瓶颈，不足以全面支撑下一代信息技术的可持续发展时，寻找新一代半导体材料成为了发展的重要方向。至此，第三代宽禁带半导体材料氮化镓（GaN）闯入了人们的视线！

GaN的崛起之路

此后，被奉为第三代半导体材料GaN开始征战四方，“拳打”同属第三代的碳化硅（SiC），“脚踢”第二代砷化镓（GaAs），纵横半导体市场多年，受尽人们宠爱，靠的是其禁带宽度大、击穿电压高、热导率大、电子饱和漂移速度高、抗辐射能力强和良好的化学稳定性等优越性质，还有最重要的成本和兼容性。目前主流的GaN技术厂商都在研发以Si为衬底的GaN的器件，以替代昂贵的SiC衬底。不过话虽如此，属于“高配”的SiC衬底一样有自己的市场，SiC衬底氮化镓可以提供最高功率级别的氮化镓产品，可提供其他出色特性，可确保其在最苛刻的环境下使用。在兼容方面，GaN器件是个平面器件，与现有的Si半导体工艺兼容性强，这使其更容易与其他半导体器件集成。比如有厂商已经实现了驱动IC和GaN开关管的集成，进一步降低用户的使用门槛。再有5G的落地，作为关键材料GaN成为了越来越多企业眼中的“宠儿”。

值得一提的是最开始GaN并未用于半导体技术，而是大家都耳熟能详的LED，其有效成分就是GaN，那么为何LED的成熟技术成为了半导体未来的新材料呢？因为随着半导体工艺的发展，全部使用硅基器件过于昂贵，这对一个成熟的产业来说是不必要的。氮化镓比硅基器件贵，但是在系统整体的成本上相差无几，大规模量产后GaN无论是性能还是成本都更胜一筹。

经过了多年的探索和研究之后，氮化镓（GaN）等宽禁带材料终于进入了大爆发前的最后冲刺阶段。尽管与32.8亿美元的硅基功率半导体市场相比，目前功率GaN市场仍然很小，但GaN器件拥有较好的前景。但是面对这个十亿美元级别的市场，国内外厂商正在摩拳擦掌，纷纷推出新品，以求在这个市场与竞争对手一决高下。

行业巨头们的GaN发展现状1英飞凌

全球领先的功率半导体供应商英飞凌在功率半导体及智能卡IC市场上一直占据全球第一的位置，在高压电源技术方面遥遥领先，CoolMOS、IGBT、CoolGaN、CoolSiC等等都有完善的解决方案。2018年11月28日英飞凌更是在深圳首次召开了CoolGaN氮化镓的媒体新品发布会，并带来了CoolGaN 400V和600V增强型HEMT已经量产的消息，且已经有合作公司成功设计了一款基于GaN的6KW ACDC电源。至此，英飞凌成为了市场上唯一一家提供涵盖硅(Si)、碳化硅(SiC)和氮化镓(GaN)等材料的全系列功率产品的公司。

按照英飞凌大中华区副总裁电源管理及多元化市场事业部负责人潘大伟的说法，英飞凌的GaN增强模式高电子迁移率晶体管（ E-HEMT ）产品系列CoolGaN™非常适合高压下运行更高频率的开关，可以将整个系统的成本降低，可以做到更轻薄设计、功率密度扩展，使转换效率大大地提高。其采用独一无二的常闭式概念解决方案，从技术的根本上解决了动态RDS(ON)问题。贴片式(SMD)封装保持了氮化镓的优势。更值得一提的是关于CoolGaN™ 的制造，英飞凌具备完整的价值链，从工艺层到封装、测试等等都可以在英飞凌内部完成。

2Qorvo

在5G的大趋势下，射频氮化镓市场的飞速发展。现阶段在整个射频市场，LDMOS、GaAs和GaN几乎三分天下，但是与其他两类相比，氮化镓器件能够为射频技术提供下一代高频电信网络所需的功率/效率水平。据相关机构分析，RF GaN整体市场规模到2024年将增长至20亿美元。射频领域的龙头企业Qorvo从1999年起推动GaN研究，提供Sub-6GHz、厘米波/毫米波无线射频产品。Qorvo在国防和有线行业的GaN-on-SiC解决方案供应量全球第一。2018年12月推出了行业首款 28 Ghz 氮化镓 (GaN) 前端模块 (FEM)——QPF4001 FEM，扩大了其 5G 业务范围。

这款 GaN FEM 采用了 Qorvo 的高效率 0.15 微米 GaN-on-SiC 技术，让用户能够更高效的达到更高的 EIRP 级别，同时最小化阵列尺寸和功耗，从而降低系统成本。Qorvo IDP事业部总裁 James Klein 表示：“Qorvo的 GaN 技术被用于进行数十次 5G 现场试验，而这个新模块将进一步减小尺寸和功耗，对于对毫米波频率产生关键影响的超小阵列，这一点至关重要。”

随后Qorvo再度推出了第一款面向5G基站和终端的MMIC前端模块QPF4006，采用了0.15微米栅极技术和沉积在碳化硅衬底上的AlGaN/GaN外延结构。除了MMIC外，该器件还包括TaN电阻、SiN电容和三级金属互联。

3意法半导体

同样是RF领域，意法半导体是GaN-on-Si RF行业的领先厂商，在2019年3月宣布了与全球领先的半导体解决方案供应商MACOM的合作，瞄准全球5G基站应用，正在扩大6英寸GaN-on-Si产能，并计划进一步扩展至8英寸晶圆。此外，意法半导体还宣布了对GaN-on-Si在智能手机应用中的兴趣，或将为GaN RF业务带来喜人的新市场机遇。其实早在2018年年初 MACOM和ST就已经宣布达成了广泛的硅基GaN协议，旨在支持全球5G电信网建设，即由ST负责生产，供MACOM在各种射频应用中使用。在扩大MACOM供应来源的同时，该协议还赋予ST针对手机、无线基站和相关商业电信基础设施应用以外的射频市场生产及销售其自己的硅基氮化镓产品的权利。

不仅如此，意法半导体和CEA Leti也宣布合作开发基于200mm晶圆的二极管和晶体管GaN-on-Si技术，并期望在2019年验证工程样品。同时，意法半导体将创建一条产线，用于生产GaN-on-Si异质外延等产品，将于2020年在法国的前端晶圆厂投产。

4三菱电机

作为GaN和SiC功率半导体市场的主要参与者三菱电机公司在2019年1月开发出了首款超宽带数字控制的氮化镓功率放大器，该款放大器将会兼容一系列专注于第五代（5G）移动通信系统的6GHz以下频段。

新型超宽带数字控制GaN功率放大器采用先进的负载调制电路，并具有两个并联的GaN晶体管。该电路设计扩展了负载调制的带宽，适用于宽带（1.4－4.8GHz）操作，并支持多个频段，这是放大器高效率的关键因素。

随着产业发展的大趋势，越来越多的公司加入GaN产业链，不仅有上文中的几家代表性企业，还有松下、安森美半导体、罗姆半导体、Cree、MACOM等等，以及初创公司EPC、GaN System、Transphorm、Navitas...

坐上“牌桌”的中国玩家

终上所述，功率GaN技术、产品及市场主要还是掌控在美、日、欧企业手中，不过近年来，我国一直大力发展集成电路产业，2013 年科技部在“863”计划新材料技术领域项目征集指南中明确将第三代半导体材料及其应用列为重要内容。2015 年和 2016 年国家02专项（即:《极大规模集成电路制造技术及成套工艺》项目）也对第三代半导体功率器件的研制和应用进行立项。2016年，福建、广东、江苏、北京、青海等27个地区出台第三代半导体相关政策（不包括LED）近30条。一方面，多地均将第三代半导体写入“十三五”相关规划，另一方面，不少地方政府有针对性对当地具有一定优势的SiC和GaN材料企业进行扶持。

苏州能讯，中国比较领先的GaN射频功率器件的IDM公司。2014年5月，发布650V normal-off 的GaN晶体管，四款是E-mode，一款是cascade，PQFN封装。发布五款100V normal-off 的GaN晶体管产品，采用Cool Switching技术。

苏州晶湛，主要生产GaN外延材料，应用于微波射频和电力电子领域；目前已可以提供6英寸、8英寸硅基氮化镓晶圆材料。

珠海英诺赛科，成立于2015年12月，引进美国英诺赛科公司SGOS 技术。2017年11月，国内首条8英寸硅基氮化镓生产线正式投产，主要包括100V-650V氮化镓功率器件。

重庆华润微，2017年12月，华润微电子对中航（重庆）微电子有限公司完成收购，拥有8英寸硅基氮化镓生产线，国内首个8英寸600V/10A GaN功率器件产品，用于电源管理。

杭州士兰微，国内知名IDM企业，建设6英寸硅基氮化镓功率器件中试线。2018年10月，杭州士兰微电子股份有限公司厦门12英寸芯片生产线暨先进化合物半导体生产线正式开工。

重庆聚力成，2018年11月，聚力成半导体（重庆）有限公司奠基仪式在大足高新区举行，项目总投资50亿元，以研发、生产全球半导体领域前沿的氮化镓外延片、芯片为主，将打造集氮化镓外延片制造、晶圆制造、芯片设计、封装、测试、产品应用设计于一体的全产业链基地。

不难看出，国内的GaN产业正在快步追赶，但是与国际领先水平相比，我国在第三代半导体的整体技术水平仍然落后不少。在GaN领域缺少原始创新的专利，仍需要积极引进国外优秀技术人才，多方面借鉴国外发展经验，逐步提升国内技术水平。

慕尼黑上海电子展是电子行业展览，也是行业内重要的盛事，其中功率半导体主题展区是展会重要展区之一。2019年慕尼黑上海电子展吸引92,695位专业观众到场，37%的观众表达了对功率半导体展区的浓厚兴趣。历年来，半导体展区荟萃行业顶尖企业，展出全球最新科技，帮助观众窥探未来发展趋势，获悉最新产品、技术和解决方案。