一文看懂GaN的兴起与未来

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本文来自微波星云
 
GaN:承上启下的宽禁带半导体材料
 
GaN 材料与Si/SiC相比有独特优势
 
GaN与SiC同属于第三代宽禁带半导体材料,相较于已经发展十多年的SiC,GaN 功率器件是后进者,它拥有类似SiC性能优势的宽禁带材料,但拥有更大的成本控制潜力。与传统Si材料相比,基于GaN材料制备的功率器件拥有更高的功率密度输出,以及更高的能量转换效率,并可以使系统小型化、轻量化,有效降低电力电子装置的体积和重量,从而极大降低系统制作及生产成本。
 
GaN 是极稳定的化合物,又是坚硬的高熔点材料,熔点约为 1700℃,GaN具有高的电离度,在Ⅲ—Ⅴ族化合物中是最高的(0.5 或0.43)。在大气压力下,GaN晶体一般是六方纤锌矿结构。
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GaN 器件逐步步入成熟阶段
 
基于GaN的LED自上世纪90年代开始大放异彩,目前已是LED的主流,自20世纪初以来,GaN功率器件已经逐步商业化。2010年,第一个GaN功率器件由IR投入市场,2014年以后,600V GaN HEMT 已经成为GaN器件主流。2014年,行业首次在8 英寸 SiC 上生长GaN器件。
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随成本降低,GaN市场空间持续放大
 
GaN与SiC、Si材料各有其优势领域,但是也有重叠的地方。GaN材料电子饱和漂移速率最高,适合高频率应用场景,但是在高压高功率场景不如 SiC;随着成本的下降,GaN 有望在中低功率领域替代二极管、IGBT、MOSFET 等硅基功率器件。以电压来分,0~300V 是Si材料占据优势,600V以上是SiC占据优势,300V~600V之间则是GaN材料的优势领域。根据Yole估计,在 0~900V的低压市场,GaN都有较大的应用潜力,这一块占据整个功率市场约 68%的比重,按照整体市场154 亿美元来看,GaN潜在市场超过100 亿美元。
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GaN RF市场即将大放异彩
 
根据 Yole估计,大多数低于 6GHz 的宏网络单元将使用GaN器件,到2023年,GaN RF器件市场规模达到13亿美元。
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在电力电子领域与微波射频领域均有优势
 
GaN 在电力电子领域优势
 
GaN 在电力电子领域主要优势在于高效率、低损耗与高频率。GaN 材料的这一特性使得其在消费电子充电器、新能源充电桩、数据中心等领域具有很大的应用前景。
 
低导通损耗:
 
GaN的禁带宽度是Si的3 倍,击穿电场是Si的10 倍。因此,同样额定电压的GaN开关功率器件的导通电阻比 Si 器件低 3个数级,大大降低了开关的导通损耗。
 
高工作频率:
 
GaN 开关器件寄生电容小,工作效率可以比 Si 器件 提升至少 20 倍,大大减小了电路中储能原件如电容、电感的体积,从而成倍地减少设备体积,减少铜等贵重原材料的消耗。
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GaN在微波射频领域主要优势
 
GaN在微波射频领域主要优势在于高效率、大带宽与高功率。为射频元件材料,GaN在电信基础设施和国防军工方面应用已经逐步铺展开来。
 
更高的效率:
 
降低功耗,节省电能,降低散热成本,降低总运行成本。
 
更大的带宽: 
 
提高信息携带量,用更少的器件实现多频率覆盖,降低客户产品成本。也适用于扩频通信、电子对抗等领域。 
 
更高的功率:
 
在 4GHz 以上频段,可以输出比 GaAs 高得多的频率,特别适合雷达、卫星通信、中继通信等领域。
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海外企业为主,国内企业逐步涉足
 
GaN 产业链
 
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可观的潜力: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 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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市场:射频是主战场,5G 是重要机遇
 
GaN 是射频器件的合适材料
 
目前射频市场主要有三种工艺:GaAs 工艺,基于 Si 的 LDMOS(横向扩散金属氧化物半导体)工艺,以及 GaN 工艺。
 
GaAs 器件的缺点是器件功率较低,低于 50W。
 
LDMOS 器件的缺点是工作频率存在极限,最高有效频率在 3GHz 以下。
 
GaN 弥补了GaAs 和 Si 基 LDMOS 两种老式技术之间的缺陷,在体现 GaAs 高频性能的同时,结合了 Si 基 LDMOS 的功率处理能力。
 
在射频 PA 市场,LDMOS PA 带宽会随着频率的增加而大幅减少,仅在不超过约3.5GHz 的频率范围内有效,采用 0.25 微米工艺的 GaN 器件频率可以高达其 4 倍,带宽可增加20%,功率密度可达 6~8 W/mm (LDMOS 为 1~2W/mm),且无故障工作时间可达 100 万小时,更耐用,综合性能优势明显。
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在更高的频段,GaAs PA 是市场主流
 
在更高的频段(以及低功率范围),GaAs PA 是目前市场主流,出货占比占9 成以上。GaAs RF 器件相比,GaN 优势主要在于带隙宽度与热导率。带隙宽度方面,GaN 的带隙电压高于 GaAs(3.4eV VS1.42 eV),GaN 器件具有更高的击穿电压,能满足更高的功率需求。热导率方面, GaN-on-SiC 的热导率远高于 GaAs,这意味着器件中的功耗可以更容易地转移到周围环境中,散热性更好。
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GaN是 5G 应用的关键技术
 
5G将带来半导体材料革命性的变化,随着通讯频段向高频迁移,基站和通信设备需要支持高频性能的射频器件,GaN的优势将逐步凸显,这正是前一节讨论的地方。正是这一优势,使得GaN 成为5G的关键技术。
 
在Massive MIMO应用中,基站收发信机上使用大数量(如32/64 等)的阵列天线来实现了更大的无线数据流量和连接可靠性,这种架构需要相应的射频收发单元阵列配套,因此射频器件的数量将大为增加,使得器件的尺寸大小很关键,利用GaN的尺寸小、效率高和功率密度大的特点可实现高集化的解决方案,如模块化射频前端器件。除了基站射频收发单元陈列中所需的射频器件数量大为增加,基站密度和基站数量也会大为增加,因此相比3G、4G时代,5G时代的射频器件将会以几十倍、甚至上百倍的数量增加。在5G毫米波应用上,GaN的高功率密度特性在实现相同覆盖条件及用户追踪功能下,可有效减少收发通道数及整体方案的尺寸。
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在电力电子器件领域多用于电源设备
 
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。
 
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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重要 GaN企业梳理
 
■   Macom
 
Macom是硅基 GaN 的引领者,公司在北美、欧洲和亚洲拥有多个研发中心,具备超过 65 年的射频微波器件生产历史。公司产品线广泛,从射频到光器件都有所涉及,下游客户主要包括数据中心,电信以及工业和国防等。Macom的硅基 GaN 器件主要用于基站,目标是替代 LDMOS 以及 SiC 基GaN。
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■  Transphorm
 
Transphorm创立于 2007 年,覆盖 GaN 完整产业链,从EPI 到设计、制造,是业内领先的 GaN 器件供应商。公司能生产业内唯一符合 JEDEC 认证、AEC-Q101 认证的 GaN 产品,能够满足汽车行业的高标准要求。从 2014 年发布第一代产品开始,至今已经到第三代,产品线逐步完善。公司于2015 年获得 KKR 7000 万美元投资,于 2017 年获得 1500 万美元投资。
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■   苏州能讯
 
创立于 2007 年,是国内一家 GaN 电子器件生产企业,主要聚焦于 GaN 在微波射频与电力电子领域。公司采用 IDM 模式,自主开发了氮化镓材料生长、芯片设计、晶圆工艺、封装测试、可靠性与应用电路技术。2009年公司生产出第一个 2000V 高压开关功率器件产品,并在2010 年完成了中国第一个通讯基站用 120W 氮化镓功放芯片的开发, 2014 年全球发布业界领先的量产氮化镓射频微波器件。n苏州能讯在江苏昆山国家高新区建成了中国第一家氮化镓(GaN)电子器件工厂,厂区占地 55 亩,累计投资 10 亿元。首期产能为3 寸 GaN 晶圆 6000 片,2018 年生产线通过升级改造达到年处理 4 寸氮化镓 5 万片的能力。
 
■    三安光电
 
三安光电是 LED 芯片龙头,在2014 年进入三五族化合物半导体领域,目前已经搭建成涵盖微波射频、高功率电力电子、光通讯等领域的化合物半导体制造平台,具备衬底材料、外延生长、以及芯片制造的产业整合能力,拥有大规模、先进制程能力的 MOCVD 外延生长制造线。在微波射频领域,当前已推出具有国际竞争力的 GaAs HBT、pHEMT以及 GaN、SiC 等面向射频应用的先进制程工艺,已建成专业化、规模化的 4 寸、6寸化合物晶圆制造产线,来满足射频无线通信及毫米波客户的代工需求,是国内稀缺的5G 射频器件代工商。
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展望
 
GaN行业仍处于生命周期早期阶段,技术尚不成熟,行业成长有可能不及预期,存在期望泡沫破灭的可能性。
 
GaN 的最大驱动因素来自 5G,若5G 行业发展不及预期,有可能使 GaN 应用推迟。
 
GaN 性能上优于现有半导体材料,但是若成本下降不及预期,有可能得不到大规模应用。
 
GaN 大部分关键技术仍掌握在国外企业手中,国内企业材料和器件制备技术上差距较远,国内企业的发展有可能受到国外企业的挤压。
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