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5G应用的关键材料,一文看懂GaN产业链!(下)

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发表于 2019-5-8 02:39:33 | 显示全部楼层 |阅读模式
3、GaN 电力电子器件典型应用:快充电源

GaN 电力电子器件方面典型应用市场是电源设备。由于结构中包含可以实现高速性能的异质结二维电子气,GaN 器件相比于 SiC 器件拥有更高的工作频率,加之可承受电压要低于 SiC 器件,所以 GaN 电力电子器件更适合高频率、小体积、成本敏感、功率要求低的电源领域,如轻量化的消费电子电源适配器、无人机用超轻电源、无线充电设备等。

GaN 电力电子器件增速最快的是快充市场。2018 年,世界第一家 GaN IC 厂商Navitas 和 Exagan 推出了带有集成 GaN 解决方案(GaNFast™)的 45W 快速充电电源适配器,此 45W 充电器与 Apple USB-C 充电器相比,两者功率相差不大,但是体积上完全是不同的级别,内置 GaN 充电器比苹果充电器体积减少 40%。目前来看,采用GaN 材料的快速充电器已成星火燎原之势,有望成为行业主流。
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三、GaN 产业链梳理

典型的 GaN 射频器件的加工工艺主要包括外延生长-器件隔离-欧姆接触(制作源极、漏极)-氮化物钝化-栅极制作-场板制作-衬底减薄-衬底通孔等环节。
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▲典型的 GaN 工艺流程
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GaN与SiC产业链类似,GaN器件产业链各环节依次为:GaN单晶衬底(或SiC、蓝宝石、Si)→GaN材料外延→器件设计→器件制造。目前产业以IDM企业为主,但是设计与制造环节已经开始出现分工,如传统硅晶圆代工厂台积电开始提供GaN制程代工服务,国内的三安集成也有成熟的GaN制程代工服务。各环节相关企业来看,基本以欧美企业为主,中国企业已经有所涉足。
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GaN衬底:主流产品以2~3英寸为主,4英寸也已经实现商用。GaN衬底主要由日本公司主导,日本住友电工的市场份额达到90%以上。我国目前已实现产业化的企业包括苏州纳米所的苏州纳维科技公司和北京大学的东莞市中镓半导体科技公司。

GaN外延片:根据衬底的不同主要分为GaN-on-Si、GaN-on-SiC、GaN-on-sapphire、GaN-on-GaN四种。

GaN-on-Si:目前行业生产良率较低,但是在降低成本方面有着巨大的潜力:因为Si是最成熟、无缺陷、成本最低的衬底材料;同时Si可以扩展到8寸晶圆厂,降低单位生产成本,使其晶圆成本与SiC基相比只有其百分之一;Si的生长速度是于SiC晶体材料的200至300倍,还有相应的晶圆厂设备折旧以及能耗成本上的差别等。GaN-on-Si外延片主要用于制造电力电子器件,其技术趋势是优化大尺寸外延技术。

GaN-on-SiC:结合了SiC优异的导热性和的GaN高功率密度和低损耗的能力,是RF的合适材料。受限于SiC的衬底,目前尺寸仍然限制在4寸与6寸,8寸还没有推广。GaN-on-SiC外延片主要用于制造微波射频器件。

GaN-on- sapphire:主要应用在LED市场,主流尺寸为4英寸,蓝宝石衬底GaN LED芯片市场占有率达到90%以上。

GaN- on- GaN:采用同质衬底的GaN主要应用市场是蓝/绿光激光器,应用于激光显示、激光存储、激光照明等领域。
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GaN外延片相关企业主要有比利时的EpiGaN、英国的IQE、日本的NTT-AT。中国厂商有苏州晶湛、苏州能华和世纪金光,苏州晶湛2014年就已研发出8”硅基外延片,现阶段已能批量生产。苏州能华主要面向太阳能发电、电力传输等电力领域。世纪金光在SiC、GaN领域的粉料、单晶、外延、器件和模块都有涉及。

GaN器件设计与制造:GaN器件分为射频器件和电力电子器件,射频器件产品包括PA、LNA、开关器、MMIC等,面向基站卫星、雷达等市场;电力电子器件产品包括SBD、常关型FET、常开型FET、级联(Cascode)FET等产品,面向无线充电、电源开关、包络跟踪、逆变器、变流器等市场。

按工艺分,则分为HEMT、HBT射频工艺和SBD、Power FET电力电子器件工艺两大类。
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GaN器件设计厂商(Fabless)方面,有美国的EPC、MACOM、Transphom、Navitas,德国的Dialog,国内有被中资收购的安谱隆(Ampleon)等。

全球 GaN 射频器件独立设计生产供应商(IDM)中,住友电工和 Cree 是行业的龙头企业,市场占有率均超过 30%,其次为 Qorvo 和 MACOM。住友电工在无线通信领域市场份额较大,其已成为华为核心供应商,为华为 GaN射频器件最大供应商。Cree 收购英飞凌 RF 部门后实力大增,LDMOS产品和 GaN 产品在全球都比较有竞争力。Qorvo 在国防和航天领域市场份额排名第一。此外,还有法国Exagan、荷兰NXP、德国英飞凌、日本三菱电机、美国Ⅱ-Ⅵ等。

中国 GaN 器件 IDM 企业有苏州能讯、英诺赛科、江苏能华等,大连芯冠科技正在布局,海威华芯和三安集成可提供 GaN 器件代工服务,其中海威华芯主要为军工服务。中电科 13 所、55 所同样拥有 GaN 器件制造能力。

GaN代工厂商主要有美国环宇通讯半导体(GCS)、稳懋半导体、日本富士通、Cree、台湾嘉晶电子、台积电、欧洲联合微波半导体公司(UMS),以及中国的三安集成和海威华芯。此前恩智浦 RF 部门(安谱隆前身) 、英飞凌 RF 部门(已出售给 Cree)、韩国 RFHIC 将 GaN 射频器件委托Cree 公司代工。MACOM 收购 Nitronex 在 2011 年就与环宇通讯半导体(GCS)公司合作生产 Si 基 GaN 器件,一直合作至今。2016 年三安光电收购 GCS 被美国否决,其后三安光电与 GCS 合资设立厦门三安环宇集成电路公司,前期主要生产 6 英寸 GaAs 晶圆。

总结来看,目前美日欧厂商在GaN等第三代半导体材料技术上处于领先地位。相比之下,大陆在GaN领域还是较为弱势,主要还是依赖于国外代工厂商。

四、专利分布

从专利角度看,住友电工是 RF GaN 器件的市场的领军者,但是相比于 Cree 仍然有不小差距。住友电工在专利方面目前有所放缓,而其他日本公司如富士通,东芝和三菱电机正在增加其专利申请,目前也拥有强大的专利组合。英特尔和 MACOM 目前是 RF GaN 领域最活跃申请专利的两家公司,尤其是 GaN-on-Silicon 技术,如今这两家公司在 RF GaN 专利领域拥有重要 IP。参与 RF GaN 市场的其他公司,如 Qorvo,Raytheon,Northrop Grumman,恩智浦/飞思卡尔和英飞凌,拥有一些关键专利,但知识产权地位仍然相对薄弱。
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▲RF GaN 方面关键 IP 玩家
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中国电子科技集团和西安电子科技大学在中国专利领域占主导地位,拥有针对微波和毫米波应用的 GaN 射频技术专利。中国公司 HiWafer 作为新兴的代工厂,也逐渐在 GaN专利方面占有一席之地。

总体来说,RF GaN 领域方面,依然是被美国和日本公司主导。

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发表于 2019-5-9 08:21:44 | 显示全部楼层
学习一下 增长知识,感谢您的分享
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