作為第三代化合物半導體的代表，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，達到3.4eV，具有低導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的設備收入又經歷了快速增長的一年，增長率達到30％，首次突破10億美元大關。
“基站仍然是RF GaN收入的主要來源，且增長最快，” Strategy Analytics高級半導體應用（ASA）和高級防御系統(tǒng)（ADS）服務總監(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)和國防應用中的基本面仍然強勁，我預計到2025年收入將接近20億美元。”
2020年，疫情對市場產生了短暫影響，意法半導體（ST Microelectronics）和英飛凌（Infineon）等歐洲巨頭曾短暫減產。預計在預測期內，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了一座耗資1億美元的GaN晶圓廠，新工廠將生產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在功率電子應用的一個重要標志，在中國掀起了一陣熱潮。
下面分別介紹一下GaN在射頻和功率應用領域的發(fā)展情況。
射頻
GaN 在射頻市場更關注高功率、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。
在射頻應用中，PA是GaN的主戰(zhàn)場。5G對于設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。依據蜂窩通信理論計算，要達到相同的覆蓋率，估計中國5G宏基站數量要達到約500萬個。2021年全球5G宏基站PA和濾波器市場將達到243.1億元人民幣，年均復合增長率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，這對PA提出了更多需求。預計到2022年，4G/ 5G基礎用的射頻半導體市場規(guī)模將達到16億美元，其中，MIMO PA的年復合增長率將達到135%，射頻前端模塊的年復合增長率將達到 119%。
相對于4G，5G基站用到的PA數會加倍增長。4G基站采用4T4R方案，按照三個扇區(qū)，對應的射頻PA需求量為12個，5G基站中，預計64T64R將成為主流方案，對應的PA需求量高達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 技術適用于低頻段，在高頻應用領域存在局限性。而為了適應5G網絡對性能和功率效率的需求，越來越多地應用到了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，多年來一直廣泛應用于PA。硅基LDMOS技術的工作電壓為28V，已經在電信領域使用了許多年，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應用中，可實現(xiàn)高整合性解決方案。
在宏基站PA應用中，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的提高，GaN PA有望在小基站應用中逐步拓展。
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，這在手機內難以接受。
如前文所述，在射頻應用方面，GaN在5G和軍工當中的應用前景最佳，也正是因為如此，近期，美國雷神技術（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硅技術授權給了Globalfoundries，以在佛蒙特州伯靈頓的GF Fab 9工廠開發(fā)一種新工藝。
據悉，該GaN工藝技術將在保持生產和運營成本的同時提高RF性能，從而實現(xiàn)5G和6G RF毫米波工作頻率標準的功率水平和功率效率。
功率
在功率電子方面，用GaN制造電源轉換器（簡稱Power GaN），是當下最熱門的。過去生產相關產品，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（GaN on Si）。這種技術大幅降低了化合物半導體的成本，用在生產處理數百伏特的電壓轉換，可以做到又小又省電。目前，市面上已經可以看到，原本便當大小的筆電電源適配器，已經能做到只有餅干大小，OPPO、聯(lián)想等公司，更要把這種技術內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”的產業(yè)報告，認為未來2~3年，第三代半導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。野村證券報告預估，2023年，這個市場產值每年將以6成以上速度增長。第三代半導體能源轉換效率能達到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的應用也在不斷創(chuàng)新，例如，近期，意法半導體（ST）正在開發(fā)一種將其BCD硅技術中內置的微控制器與GaN器件相結合的工藝，以實現(xiàn)智能電源。
據悉，這是建立在Bipolar-CMOS-DMOS（BCD）技術基礎上的。BCD的開發(fā)始于35年前，它在4英寸晶圓上以4微米工藝結合了模擬，邏輯，存儲器和功率組件。不久后，其第10代技術將開始以90nm工藝生產，這將導致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備以及許多其他電源應用。
ST的智能電源技術研發(fā)總經理Guiseppe Croce表示：“當前一代產品使用具有相變非易失性存儲器的90nm工藝，下一代產品的開發(fā)基于我們微控制器產品的40nm專有技術，但集成面臨許多挑戰(zhàn)，包括表征域之間的串擾?！?/span>
下一步的研發(fā)重點是將GaN高功率技術添加到BCD工藝中。驅動已經集成在單芯片上，但是增加微控制器的步驟意義重大。
在SiC的引領下，使用諸如寬帶隙的替代半導體材料已成為主流。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，”意法半導體技術，制造和質量總裁Orio Bellezza說： “通過將GaN的優(yōu)勢與傳統(tǒng)硅材料相結合，我們可以滿足眾多應用的需求。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)。”
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硅技術與GaN的結合是可以實現(xiàn)的。”
晶圓襯底
目前，GaN晶圓主要以4英寸和6英寸為主。隨著市場應用需求的增長和工藝技術的不斷成熟，當下，有越來越多的廠商開發(fā)出了多種滿足實際應用需求的晶圓和襯底技術。
例如，2021年3月，三菱化學透露，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上半年在日本建設大規(guī)模生產線，以將4英寸GaN襯底進行商業(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GaN單晶襯底的示范生產線，并與三菱化學共同進行示范實驗。而且他們將會從明年4月開始供應4英寸GaN單晶襯底。
據悉，三菱化學的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），這項技術是聯(lián)合日本東北大學開發(fā)的，好處是可制造大直徑、高質量和低成本的GaN襯底。
近期，晶圓代工廠世界先進表示，其在GaN制程研發(fā)方面取得突破。世界先進與設備材料廠Kyma，以及轉投資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 GaN-on-QST。
世界先進透露，客戶對GaN-on-QST 技術的驗證也有成果，有幾個客戶正在進行產品設計，且進度順利，預期最快今年底、慢則明年上半年，就可小量量產。
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與德國半導體設備制造商Aixtron合作，在8英寸QST襯底上生長了用于1200V應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還在考慮從橫向轉移到垂直結構，可進一步降低成本，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的首選技術。基于GaN的電源技術可在高通量CMOS晶圓廠中的較大晶圓上進行處理，與昂貴的SiC技術相比，具有明顯的成本優(yōu)勢。
高擊穿電壓的關鍵是對復雜的外延材料堆疊的精心設計，并結合使用Qromis的IIAP程序開發(fā)的QST基板。
結語
據Yole預測，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，這主要受電信基礎設施和國防兩個應用驅動，衛(wèi)星通信、有線寬帶和射頻功率也做出了一定貢獻。
此外，受消費者快速充電器應用推動，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用發(fā)展推力的作用下，GaN的前景非常值得期待。
轉自《半導體行業(yè)觀察》