作為第三代化合物半導(dǎo)體的代表，氮化鎵（GaN）具有諸多優(yōu)點，如高熔點、出色的擊穿能力、更高的電子密度和電子速度，以及更高的工作溫度，且GaN的能隙很寬，達(dá)到3.4eV，具有低導(dǎo)通損耗和高電流密度。
GaN主要用于微波射頻（RF）和功率電子領(lǐng)域。
目前，GaN廠商主要有Cree，Efficient Power Conversion Corporation，F(xiàn)ujitsu，GaN Systems，Infineon，NXP，NextGen Power Systems，Qorvo，東芝，Texas Instruments等。
Strategy Analytics的市場研究報告顯示，2020年，基于RF GaN的設(shè)備收入又經(jīng)歷了快速增長的一年，增長率達(dá)到30％，首次突破10億美元大關(guān)。
“基站仍然是RF GaN收入的主要來源，且增長最快，” Strategy Analytics高級半導(dǎo)體應(yīng)用（ASA）和高級防御系統(tǒng)（ADS）服務(wù)總監(jiān)Eric Higham指出：“去年，華為繼續(xù)在中國積極部署基站，以緩沖美國的貿(mào)易制裁。我們可能會看到短期波動，具體取決于中國的5G部署計劃，但是RF GaN器件在商業(yè)和國防應(yīng)用中的基本面仍然強勁，我預(yù)計到2025年收入將接近20億美元。”
2020年，疫情對市場產(chǎn)生了短暫影響，意法半導(dǎo)體（ST Microelectronics）和英飛凌（Infineon）等歐洲巨頭曾短暫減產(chǎn)。預(yù)計在預(yù)測期內(nèi)，GaN在5G基站制造中的采用將越來越多，將帶動市場增長。
2020年10月，NXP在其位于美國亞利桑那州錢德勒的工廠建設(shè)了一座耗資1億美元的GaN晶圓廠，新工廠將生產(chǎn)6英寸GaN 5G基站射頻功率放大器（PA）。
2021年2月，小米Mi GaN充電器Type-C 33W在中國以79日元（12美元）的價格推出。這款型號為AD33G的充電器是GaN在功率電子應(yīng)用的一個重要標(biāo)志，在中國掀起了一陣熱潮。
下面分別介紹一下GaN在射頻和功率應(yīng)用領(lǐng)域的發(fā)展情況。
射頻
GaN 在射頻市場更關(guān)注高功率、高頻率場景。由于GaN在高頻下具有較高的功率輸出和較小的面積，已被射頻行業(yè)廣泛采用。隨著5G到來，GaN在Sub-6GHz宏基站和毫米波（24GHz 以上）小基站中找到了用武之地。
在射頻應(yīng)用中，PA是GaN的主戰(zhàn)場。5G對于設(shè)備性能和功率效率提出了更高的要求，特別是在基站端，基站數(shù)量和單個基站成本雙雙上漲，這將會帶來市場空間的巨大增長。依據(jù)蜂窩通信理論計算，要達(dá)到相同的覆蓋率，估計中國5G宏基站數(shù)量要達(dá)到約500萬個。2021年全球5G宏基站PA和濾波器市場將達(dá)到243.1億元人民幣，年均復(fù)合增長率CAGR為162.31%，2021年全球4G和5G小基站射頻器件市場將達(dá)到21.54億元人民幣，CAGR為140.61%。
由于基站越來越多地用到了多天線MIMO技術(shù)，這對PA提出了更多需求。預(yù)計到2022年，4G/ 5G基礎(chǔ)用的射頻半導(dǎo)體市場規(guī)模將達(dá)到16億美元，其中，MIMO PA的年復(fù)合增長率將達(dá)到135%，射頻前端模塊的年復(fù)合增長率將達(dá)到 119%。
相對于4G，5G基站用到的PA數(shù)會加倍增長。4G基站采用4T4R方案，按照三個扇區(qū)，對應(yīng)的射頻PA需求量為12個，5G基站中，預(yù)計64T64R將成為主流方案，對應(yīng)的PA需求量高達(dá)192個。
目前的PA市場，包括基站和手機端用的，制造工藝主要包括傳統(tǒng)的LDMOS、GaAs，以及新興的GaN。而在基站端，傳統(tǒng)LDMOS工藝用的更多，但是，LDMOS 技術(shù)適用于低頻段，在高頻應(yīng)用領(lǐng)域存在局限性。而為了適應(yīng)5G網(wǎng)絡(luò)對性能和功率效率的需求，越來越多地應(yīng)用到了GaN，它能較好地適用于大規(guī)模MIMO。
GaN具有優(yōu)異的高功率密度和高頻特性。GaAs擁有微波頻率和5V至7V的工作電壓，多年來一直廣泛應(yīng)用于PA。硅基LDMOS技術(shù)的工作電壓為28V，已經(jīng)在電信領(lǐng)域使用了許多年，但其主要在4GHz以下頻率發(fā)揮作用，在寬帶應(yīng)用中的使用并不廣泛。相比之下，GaN的工作電壓為28V至50V，具有更高的功率密度和截止頻率，在MIMO應(yīng)用中，可實現(xiàn)高整合性解決方案。
在宏基站PA應(yīng)用中，GaN憑借高頻、高輸出功率的優(yōu)勢，正在逐漸取代LDMOS；在小基站中，未來一段時間內(nèi)仍然以GaAs工藝為主，這是因為它具備可靠性和高性價比的優(yōu)勢，但隨著GaN器件成本的降低和技術(shù)的提高，GaN PA有望在小基站應(yīng)用中逐步拓展。
在手機端，射頻前端PA還是以GaAs工藝為主，短期內(nèi)還看不到GaN的機會，主要原因是成本和高電壓特性，這在手機內(nèi)難以接受。
如前文所述，在射頻應(yīng)用方面，GaN在5G和軍工當(dāng)中的應(yīng)用前景最佳，也正是因為如此，近期，美國雷神技術(shù)（Raytheon Technologies）公司與晶圓代工廠GlobalFoundries合作，開發(fā)和商業(yè)化用于5G和6G RF的硅基氮化鎵（GaN）工藝。為此，雷神公司將其專有的GaN硅技術(shù)授權(quán)給了Globalfoundries，以在佛蒙特州伯靈頓的GF Fab 9工廠開發(fā)一種新工藝。
據(jù)悉，該GaN工藝技術(shù)將在保持生產(chǎn)和運營成本的同時提高RF性能，從而實現(xiàn)5G和6G RF毫米波工作頻率標(biāo)準(zhǔn)的功率水平和功率效率。
功率
在功率電子方面，用GaN制造電源轉(zhuǎn)換器（簡稱Power GaN），是當(dāng)下最熱門的。過去生產(chǎn)相關(guān)產(chǎn)品，最難的部分是取得碳化硅的基板，一片6英寸的晶圓，要價高達(dá)8萬元臺幣。
近幾年，市場上開始出現(xiàn)將GaN堆棧在硅基板上的技術(shù)（GaN on Si）。這種技術(shù)大幅降低了化合物半導(dǎo)體的成本，用在生產(chǎn)處理數(shù)百伏特的電壓轉(zhuǎn)換，可以做到又小又省電。目前，市面上已經(jīng)可以看到，原本便當(dāng)大小的筆電電源適配器，已經(jīng)能做到只有餅干大小，OPPO、聯(lián)想等公司，更要把這種技術(shù)內(nèi)建在高端手機和筆電里。
3月，野村證券發(fā)表了題為“A GaN Changer”的產(chǎn)業(yè)報告，認(rèn)為未來2~3年，第三代半導(dǎo)體將重塑全球消費類電源市場，取代用硅制作的IGBT電源管理芯片。野村證券報告預(yù)估，2023年，這個市場產(chǎn)值每年將以6成以上速度增長。第三代半導(dǎo)體能源轉(zhuǎn)換效率能達(dá)到95%以上，一旦被大幅采用，能實現(xiàn)很好的節(jié)能效果。
除此之外，在功率電子方面，GaN的應(yīng)用也在不斷創(chuàng)新，例如，近期，意法半導(dǎo)體（ST）正在開發(fā)一種將其BCD硅技術(shù)中內(nèi)置的微控制器與GaN器件相結(jié)合的工藝，以實現(xiàn)智能電源。
據(jù)悉，這是建立在Bipolar-CMOS-DMOS（BCD）技術(shù)基礎(chǔ)上的。BCD的開發(fā)始于35年前，它在4英寸晶圓上以4微米工藝結(jié)合了模擬，邏輯，存儲器和功率組件。不久后，其第10代技術(shù)將開始以90nm工藝生產(chǎn)，這將導(dǎo)致40nm工藝與高度集成的微控制器一起用于有線和無線充電設(shè)備以及許多其他電源應(yīng)用。
ST的智能電源技術(shù)研發(fā)總經(jīng)理Guiseppe Croce表示：“當(dāng)前一代產(chǎn)品使用具有相變非易失性存儲器的90nm工藝，下一代產(chǎn)品的開發(fā)基于我們微控制器產(chǎn)品的40nm專有技術(shù)，但集成面臨許多挑戰(zhàn)，包括表征域之間的串?dāng)_。”
下一步的研發(fā)重點是將GaN高功率技術(shù)添加到BCD工藝中。驅(qū)動已經(jīng)集成在單芯片上，但是增加微控制器的步驟意義重大。
在SiC的引領(lǐng)下，使用諸如寬帶隙的替代半導(dǎo)體材料已成為主流。GaN在提高效率和電壓的未來單片電源集成方面看起來很有希望，”意法半導(dǎo)體技術(shù)，制造和質(zhì)量總裁Orio Bellezza說： “通過將GaN的優(yōu)勢與傳統(tǒng)硅材料相結(jié)合，我們可以滿足眾多應(yīng)用的需求。集成解決方案在微型BCD平臺上嵌入了無芯變壓器，但挑戰(zhàn)在于高電壓，其中6KV隔離是一個明顯的趨勢。盡管使用了介電層，但所需的層厚度卻給集成帶來了很大的挑戰(zhàn)?！?/span>
他說：“智能電源存在兩個主要挑戰(zhàn)，首先是功率和模擬部分的擴展，其次是成本優(yōu)化。只要解決了這兩點，BCD硅技術(shù)與GaN的結(jié)合是可以實現(xiàn)的?！?/span>
晶圓襯底
目前，GaN晶圓主要以4英寸和6英寸為主。隨著市場應(yīng)用需求的增長和工藝技術(shù)的不斷成熟，當(dāng)下，有越來越多的廠商開發(fā)出了多種滿足實際應(yīng)用需求的晶圓和襯底技術(shù)。
例如，2021年3月，三菱化學(xué)透露，他們已開發(fā)出4英寸GaN單晶襯底，還在開發(fā)6英寸的產(chǎn)品，而且晶體缺陷僅為普通GaN襯底的1/100-1/1000，“幾乎沒有缺陷”。
三菱還表示，他們將于2021上半年在日本建設(shè)大規(guī)模生產(chǎn)線，以將4英寸GaN襯底進(jìn)行商業(yè)化實驗。5月18日，日本制鐵所宣布，他們將在日本室蘭工廠安裝一條批量生產(chǎn)GaN單晶襯底的示范生產(chǎn)線，并與三菱化學(xué)共同進(jìn)行示范實驗。而且他們將會從明年4月開始供應(yīng)4英寸GaN單晶襯底。
據(jù)悉，三菱化學(xué)的4英寸GaN襯底采用的是獨特的液相生長方法——低壓酸性氨熱法（LPAAT），這項技術(shù)是聯(lián)合日本東北大學(xué)開發(fā)的，好處是可制造大直徑、高質(zhì)量和低成本的GaN襯底。
近期，晶圓代工廠世界先進(jìn)表示，其在GaN制程研發(fā)方面取得突破。世界先進(jìn)與設(shè)備材料廠Kyma，以及轉(zhuǎn)投資GaN硅基板廠Qromis合作，開發(fā)了可做到8英寸的新襯底高功率氮化鎵技術(shù) GaN-on-QST。
世界先進(jìn)透露，客戶對GaN-on-QST 技術(shù)的驗證也有成果，有幾個客戶正在進(jìn)行產(chǎn)品設(shè)計，且進(jìn)度順利，預(yù)期最快今年底、慢則明年上半年，就可小量量產(chǎn)。
同樣是在近期，比利時的imec研究實驗室展示了一種8英寸晶圓GaN工藝。imec與德國半導(dǎo)體設(shè)備制造商Aixtron合作，在8英寸QST襯底上生長了用于1200V應(yīng)用的橫向晶體管的較厚外延GaN緩沖層，其硬擊穿電壓超過1800V。它可以在兼容CMOS的工藝中以大批量，低成本的8英寸晶圓廠制造，與SiC器件相比，大大降低了成本。imec還在考慮從橫向轉(zhuǎn)移到垂直結(jié)構(gòu)，可進(jìn)一步降低成本，因為可以在單個晶圓上制造更多器件。
以前，GaN器件僅適合650V或800V的電壓，而SiC用于高于800V和1200V的電動汽車和太陽能電池板逆變器等應(yīng)用中的電壓。
GaN現(xiàn)在可以成為20V至1200V整個工作電壓范圍內(nèi)的首選技術(shù)?；贕aN的電源技術(shù)可在高通量CMOS晶圓廠中的較大晶圓上進(jìn)行處理，與昂貴的SiC技術(shù)相比，具有明顯的成本優(yōu)勢。
高擊穿電壓的關(guān)鍵是對復(fù)雜的外延材料堆疊的精心設(shè)計，并結(jié)合使用Qromis的IIAP程序開發(fā)的QST基板。
結(jié)語
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20億美元，這主要受電信基礎(chǔ)設(shè)施和國防兩個應(yīng)用驅(qū)動，衛(wèi)星通信、有線寬帶和射頻功率也做出了一定貢獻(xiàn)。
此外，受消費者快速充電器應(yīng)用推動，到2024年，GaN功率市場規(guī)模將超過3.5億美元，CAGR為85％，有極大增長空間。
因此，在射頻和功率兩股應(yīng)用發(fā)展推力的作用下，GaN的前景非常值得期待。
轉(zhuǎn)自《半導(dǎo)體行業(yè)觀察》