氮化鎵作為第三代半導體材料,或成5G時代的最大受益者之一

2020-12-07 電子發燒友

半導體技術在不斷提升，端設備對於半導體器件性能、效率、小型化要求的越來越高。尋找矽（Si）以外新一代的半導體材料也隨之變得更加重要。在50多年前被廣泛用於LED產品的氮化鎵（GaN），再次走入大眾視野。特別是隨著5G的即將到來，也進一步推動了以氮化鎵代表的第三代半導體材料的快速發展。

射頻功率放大器（PA）作為射頻前端發射通路的主要器件，通常用於實現發射通道的射頻信號放大。5G將帶動智能移動終端、基站端及IOT設備射頻PA穩健增長，智能移動終端射頻PA市場規模將從2017年的50億美元增長到2023年的70億美元，複合年增長率為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2G/3G市場的萎縮。

GaN器件則以高性能特點廣泛應用於通信、國防等領域，在5G 時代需求將迎來爆發式增長。

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）的半導體，屬於極穩定的化合物，自1990年起常用在發光二極體中。它的堅硬性好，還是高熔點材料，熔點約為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構。

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電晶體技術獲得突破，首先完成了歷史性X-波段GaN T/R模塊的驗證；

2015年1月，富士通和美國Transphorm在會津若松量產氮化鎵功率器件；2015年3月，松下和英飛凌達成共同開發氮化鎵功率器件的協議；同月，東芝照明技術公司開發出在電源中應用氮化鎵功率元件的滷素LED燈泡；

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

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

GaN是第三代半導體材料，相比於第一代的矽（Si）以及第二代的砷化鎵（GaAs）等，它具備比較突出的優勢特性。由于禁帶寬度大、導熱率高，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、尺寸更小的半導體器件。

5G帶給GaN新機遇

5G 將帶來半導體材料革命性的變化，因為對5G的嚴格要求不僅體現在宏觀上帶來基站密度緻密化，還要求在器件級別上實現功率密度的增強。特別是隨著通訊頻段向高頻遷移，基站和通信設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體和工藝也將在5G發展中發揮重要作用，但GaN 的優勢將逐步凸顯。GaN將以其功率水平和高頻性能成為 5G 的關鍵技術。

隨著5G網絡應用的日益臨近，將從2019年開始為 GaN器件帶來巨大的市場機遇。相比現有的矽LDMOS（橫向雙擴散金屬氧化物半導體技術）和GaAs（砷化鎵）解決方案，GaN器件能夠提供下一代高頻電信網絡所需要的功率和效能。而且，GaN的寬帶性能也是實現多頻載波聚合等重要新技術的關鍵因素之一。GaN HEMT（高電子遷移率場效電晶體）已經成為未來宏基站功率放大器的候選技術。預計到2025年，GaN將主導射頻功率器件市場，搶佔基於矽LDMOS技術的基站PA市場。

（來源：網絡）

在 Massive MIMO 應用中，基站收發信機上使用大數量（如 32/64 等）的陣列天線來實現了更大的無線數據流量和連接可靠性，這種架構需要相應的射頻收發單元陣列配套，因此射頻器件的數量將大為增加，使得器件的尺寸大小很關鍵，利用 GaN 的尺寸小、效率高和功率密度大的特點可實現高集化的解決方案，如模塊化射頻前端器件。根據Yole的預計 ，2023 年GaN RF在基站中的市場規模將達到5.2億美元，年複合增長率達到22.8%。

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

在 5G 毫米波應用上，GaN 的高功率密度特性在實現相同覆蓋條件及用戶追蹤功能下，可有效減少收發通道數及整體方案的尺寸。

國內氮化鎵放大器需求顯著

2017 年中國 GaN 射頻市場規模約為12億元，無線通信基站約佔 20%，即2.4億元，2018 年由於5G通信試驗基站的建設，基站端GaN 射頻器件同比增長達75%，達4.2億元。

不少人把2019年作為國內5G建設元年，基站建設成為重中之重。2019年，基站端GaN放大器同比增長達 71.4%。2020年，基站端 GaN 放大器市場規模預計達 32.7 億元，同比增長 340.8%；預計到2023年基站端 GaN 放大器市場規模達121.7億元。 

國內氮化鎵代表廠商盤點

GaN與SiC產業鏈類似，GaN器件產業鏈各環節依次為：GaN單晶襯底（或SiC、藍寶石、Si）→GaN材料外延→器件設計→器件製造。目前產業以IDM企業為主，但是設計與製造環節已經開始出現分工。這裡將列舉國內氮化鎵射頻器件及功率器件的主要廠商。

GaN射頻器件廠商

中晶半導體

東莞市中晶半導體科技有限公司成立於2010年，公司以北京大學為技術依託，引進海內外優秀的產學研一體化團隊，技術涵蓋Mini/MicroLED、器件等核心領域。

中晶半導體主要以HVPE設備等系列精密半導體設備製造技術為支撐，以GaN襯底為基礎，重點發展Mini/MicroLED外延、晶片技術，並向新型顯示模組方向延展；同時，中晶半導體將以GaN襯底材料技術為基礎，孵化VCSEL、電力電子器件、化合物半導體射頻器件、車燈封裝模組、雷射器封裝模組等國際前沿技術，並進行全球產業布局。

英諾賽科

英諾賽科（珠海）科技有限公司是2015年12月由海歸團隊發起，併集合了數十名國內外精英聯合創辦的第三代半導體電力電子器件研發與生產的高科技企業。公司的主要產品包括30V-650V氮化鎵功率與5G射頻器件，產品設計及性能均達到國際先進水平。

2017年11月英諾賽科的8英寸矽基氮化鎵生產線通線投產，成為國內首條實現量產的8英寸矽基氮化鎵生產線。

蘇州能訊

蘇州能訊高能半導體有限公司是由海外歸國人員創辦的高新技術企業，能訊半導體採用整合設計與製造（IDM）的模式，自主開發了氮化鎵材料生長、晶片設計、晶圓工藝、封裝測試、可靠性與應用電路技術。目前公司擁有專利280項，在國際一流團隊的帶領下，能訊已經擁有全套自主智慧財產權的氮化鎵電子器件設計、製造技術。

GaN功率器件廠商

華潤微電子

2017年12月，華潤微電子完成對中航（重慶）微電子有限公司的收購，擁有8英寸矽基氮化鎵生產線和國內首個8英寸600V/10A GaN功率器件產品，用於電源管理。

華潤微規劃建設的化合物半導體項目,判斷生產線主要是GaN工藝。該項目將分兩期實施,其中一期項目投資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英寸的矽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英寸晶片生產線暨先進化合物半導體生產線正式開工。士蘭微電子公司與廈門半導體投資集團有限公司共同投資220億元人民幣，在廈門規劃建設兩條12英寸90～65nm的特色工藝晶片（功率半導體晶片及MEMS傳感器）生產線和一條4/6英寸兼容先進化合物半導體器件（第三代功率半導體、光通訊器件、高端LED晶片）生產線。

寫在最後

氮化鎵作為第三代半導體材料，是5G時代的最大受益者之一。不止在射頻器件方面，未來5G全行業上下遊都可能採用這一新材料。未來市場值得期待。

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