氮化鎵作為第三代半導(dǎo)體材料,或成5G時(shí)代的最大受益者之一

半導(dǎo)體技術(shù)在不斷提升，端設(shè)備對(duì)于半導(dǎo)體器件性能、效率、小型化要求的越來越高。尋找硅（Si）以外新一代的半導(dǎo)體材料也隨之變得更加重要。在50多年前被廣泛用于LED產(chǎn)品的氮化鎵（GaN），再次走入大眾視野。特別是隨著5G的即將到來，也進(jìn)一步推動(dòng)了以氮化鎵代表的第三代半導(dǎo)體材料的快速發(fā)展。

射頻功率放大器（PA）作為射頻前端發(fā)射通路的主要器件，通常用于實(shí)現(xiàn)發(fā)射通道的射頻信號(hào)放大。5G將帶動(dòng)智能移動(dòng)終端、基站端及IOT設(shè)備射頻PA穩(wěn)健增長，智能移動(dòng)終端射頻PA市場規(guī)模將從2017年的50億美元增長到2023年的70億美元，復(fù)合年增長率為7%，高端LTE功率放大器市場的增長，尤其是高頻和超高頻，將彌補(bǔ)2G/3G市場的萎縮。

GaN器件則以高性能特點(diǎn)廣泛應(yīng)用于通信、國防等領(lǐng)域，在5G 時(shí)代需求將迎來爆發(fā)式增長。

氮化鎵的前世今生

氮化鎵，分子式GaN，是氮和鎵的化合物，是一種直接能隙（direct bandgap）的半導(dǎo)體，屬于極穩(wěn)定的化合物，自1990年起常用在發(fā)光二極管中。它的堅(jiān)硬性好，還是高熔點(diǎn)材料，熔點(diǎn)約為1700℃，GaN具有高的電離度，在Ⅲ—Ⅴ族化合物中是最高的（0.5或0.43）。在大氣壓力下，GaN晶體一般是六方纖鋅礦結(jié)構(gòu)。

1998年中國十大科技成果之一是合成納米氮化鎵；

2014年3月，美國雷聲公司氮化鎵晶體管技術(shù)獲得突破，首先完成了歷史性X-波段GaN T/R模塊的驗(yàn)證；

2015年1月，富士通和美國Transphorm在會(huì)津若松量產(chǎn)氮化鎵功率器件；2015年3月，松下和英飛凌達(dá)成共同開發(fā)氮化鎵功率器件的協(xié)議；同月，東芝照明技術(shù)公司開發(fā)出在電源中應(yīng)用氮化鎵功率元件的鹵素LED燈泡；

2016年2月，美國否決中資收購飛利浦，有無數(shù)人猜測(cè)是美帝在阻止中國掌握第三代LED氮化鎵技術(shù)；

2016年3月，科巴姆公司與RFHIC公司將聯(lián)合開發(fā)GaN大功率放大器模塊。

GaN是第三代半導(dǎo)體材料，相比于第一代的硅（Si）以及第二代的砷化鎵（GaAs）等，它具備比較突出的優(yōu)勢(shì)特性。由于禁帶寬度大、導(dǎo)熱率高，GaN器件可在200℃以上的高溫下工作，能夠承載更高的能量密度，可靠性更高；較大禁帶寬度和絕緣破壞電場，使得器件導(dǎo)通電阻減少，有利與提升器件整體的能效；電子飽和速度快，以及較高的載流子遷移率，可讓器件高速地工作。

也就是說，利用GaN人們可以獲得具有更大帶寬、更高放大器增益、更高能效、尺寸更小的半導(dǎo)體器件。

5G帶給GaN新機(jī)遇

5G 將帶來半導(dǎo)體材料革命性的變化，因?yàn)閷?duì)5G的嚴(yán)格要求不僅體現(xiàn)在宏觀上帶來基站密度致密化，還要求在器件級(jí)別上實(shí)現(xiàn)功率密度的增強(qiáng)。特別是隨著通訊頻段向高頻遷移，基站和通信設(shè)備需要支持高頻性能的射頻器件。雖然許多其它化合物半導(dǎo)體和工藝也將在5G發(fā)展中發(fā)揮重要作用，但GaN 的優(yōu)勢(shì)將逐步凸顯。GaN將以其功率水平和高頻性能成為 5G 的關(guān)鍵技術(shù)。

隨著5G網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用的日益臨近，將從2019年開始為 GaN器件帶來巨大的市場機(jī)遇。相比現(xiàn)有的硅LDMOS（橫向雙擴(kuò)散金屬氧化物半導(dǎo)體技術(shù)）和GaAs（砷化鎵）解決方案，GaN器件能夠提供下一代高頻電信網(wǎng)絡(luò)所需要的功率和效能。而且，GaN的寬帶性能也是實(shí)現(xiàn)多頻載波聚合等重要新技術(shù)的關(guān)鍵因素之一。GaN HEMT（高電子遷移率場效晶體管）已經(jīng)成為未來宏基站功率放大器的候選技術(shù)。預(yù)計(jì)到2025年，GaN將主導(dǎo)射頻功率器件市場，搶占基于硅LDMOS技術(shù)的基站PA市場。

（來源：網(wǎng)絡(luò)）

在 Massive MIMO 應(yīng)用中，基站收發(fā)信機(jī)上使用大數(shù)量（如 32/64 等）的陣列天線來實(shí)現(xiàn)了更大的無線數(shù)據(jù)流量和連接可靠性，這種架構(gòu)需要相應(yīng)的射頻收發(fā)單元陣列配套，因此射頻器件的數(shù)量將大為增加，使得器件的尺寸大小很關(guān)鍵，利用 GaN 的尺寸小、效率高和功率密度大的特點(diǎn)可實(shí)現(xiàn)高集化的解決方案，如模塊化射頻前端器件。根據(jù)Yole的預(yù)計(jì) ，2023 年GaN RF在基站中的市場規(guī)模將達(dá)到5.2億美元，年復(fù)合增長率達(dá)到22.8%。

除了基站射頻收發(fā)單元陳列中所需的射頻器件數(shù)量大為增加，基站密度和基站數(shù)量也會(huì)大為增加，因此相比3G、4G時(shí)代，5G 時(shí)代的射頻器件將會(huì)以幾十倍、甚至上百倍的數(shù)量增加。

在 5G 毫米波應(yīng)用上，GaN 的高功率密度特性在實(shí)現(xiàn)相同覆蓋條件及用戶追蹤功能下，可有效減少收發(fā)通道數(shù)及整體方案的尺寸。

國內(nèi)氮化鎵放大器需求顯著

2017 年中國 GaN 射頻市場規(guī)模約為12億元，無線通信基站約占 20%，即2.4億元，2018 年由于5G通信試驗(yàn)基站的建設(shè)，基站端GaN 射頻器件同比增長達(dá)75%，達(dá)4.2億元。

不少人把2019年作為國內(nèi)5G建設(shè)元年，基站建設(shè)成為重中之重。2019年，基站端GaN放大器同比增長達(dá) 71.4%。2020年，基站端 GaN 放大器市場規(guī)模預(yù)計(jì)達(dá) 32.7 億元，同比增長 340.8%；預(yù)計(jì)到2023年基站端 GaN 放大器市場規(guī)模達(dá)121.7億元。

國內(nèi)氮化鎵代表廠商盤點(diǎn)

GaN與SiC產(chǎn)業(yè)鏈類似，GaN器件產(chǎn)業(yè)鏈各環(huán)節(jié)依次為：GaN單晶襯底（或SiC、藍(lán)寶石、Si）→GaN材料外延→器件設(shè)計(jì)→器件制造。目前產(chǎn)業(yè)以IDM企業(yè)為主，但是設(shè)計(jì)與制造環(huán)節(jié)已經(jīng)開始出現(xiàn)分工。這里將列舉國內(nèi)氮化鎵射頻器件及功率器件的主要廠商。

GaN射頻器件廠商

中晶半導(dǎo)體

東莞市中晶半導(dǎo)體科技有限公司成立于2010年，公司以北京大學(xué)為技術(shù)依托，引進(jìn)海內(nèi)外優(yōu)秀的產(chǎn)學(xué)研一體化團(tuán)隊(duì)，技術(shù)涵蓋Mini/MicroLED、器件等核心領(lǐng)域。

中晶半導(dǎo)體主要以HVPE設(shè)備等系列精密半導(dǎo)體設(shè)備制造技術(shù)為支撐，以GaN襯底為基礎(chǔ)，重點(diǎn)發(fā)展Mini/MicroLED外延、芯片技術(shù)，并向新型顯示模組方向延展；同時(shí)，中晶半導(dǎo)體將以GaN襯底材料技術(shù)為基礎(chǔ)，孵化VCSEL、電力電子器件、化合物半導(dǎo)體射頻器件、車燈封裝模組、激光器封裝模組等國際前沿技術(shù)，并進(jìn)行全球產(chǎn)業(yè)布局。

英諾賽科

英諾賽科（珠海）科技有限公司是2015年12月由海歸團(tuán)隊(duì)發(fā)起，并集合了數(shù)十名國內(nèi)外精英聯(lián)合創(chuàng)辦的第三代半導(dǎo)體電力電子器件研發(fā)與生產(chǎn)的高科技企業(yè)。公司的主要產(chǎn)品包括30V-650V氮化鎵功率與5G射頻器件，產(chǎn)品設(shè)計(jì)及性能均達(dá)到國際先進(jìn)水平。

2017年11月英諾賽科的8英寸硅基氮化鎵生產(chǎn)線通線投產(chǎn)，成為國內(nèi)首條實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)的8英寸硅基氮化鎵生產(chǎn)線。

蘇州能訊

蘇州能訊高能半導(dǎo)體有限公司是由海外歸國人員創(chuàng)辦的高新技術(shù)企業(yè)，能訊半導(dǎo)體采用整合設(shè)計(jì)與制造（IDM）的模式，自主開發(fā)了氮化鎵材料生長、芯片設(shè)計(jì)、晶圓工藝、封裝測(cè)試、可靠性與應(yīng)用電路技術(shù)。目前公司擁有專利280項(xiàng)，在國際一流團(tuán)隊(duì)的帶領(lǐng)下，能訊已經(jīng)擁有全套自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的氮化鎵電子器件設(shè)計(jì)、制造技術(shù)。

GaN功率器件廠商

華潤微電子

2017年12月，華潤微電子完成對(duì)中航（重慶）微電子有限公司的收購，擁有8英寸硅基氮化鎵生產(chǎn)線和國內(nèi)首個(gè)8英寸600V/10A GaN功率器件產(chǎn)品，用于電源管理。

華潤微規(guī)劃建設(shè)的化合物半導(dǎo)體項(xiàng)目,判斷生產(chǎn)線主要是GaN工藝。該項(xiàng)目將分兩期實(shí)施,其中一期項(xiàng)目投資20億元,二期投資30億元。

杭州士蘭微

2017年三季度士蘭微打通了一條6英寸的硅基氮化鎵功率器件中試線。2018年10月，杭州士蘭微電子股份有限公司廈門12英寸芯片生產(chǎn)線暨先進(jìn)化合物半導(dǎo)體生產(chǎn)線正式開工。士蘭微電子公司與廈門半導(dǎo)體投資集團(tuán)有限公司共同投資220億元人民幣，在廈門規(guī)劃建設(shè)兩條12英寸90～65nm的特色工藝芯片（功率半導(dǎo)體芯片及MEMS傳感器）生產(chǎn)線和一條4/6英寸兼容先進(jìn)化合物半導(dǎo)體器件（第三代功率半導(dǎo)體、光通訊器件、高端LED芯片）生產(chǎn)線。

寫在最后

氮化鎵作為第三代半導(dǎo)體材料，是5G時(shí)代的最大受益者之一。不止在射頻器件方面，未來5G全行業(yè)上下游都可能采用這一新材料。未來市場值得期待。