GaN射頻應(yīng)用優(yōu)勢(shì)明顯，功率玩家厚積薄發(fā)
GaN中游我們可以將其分為器件設(shè)計(jì)、晶圓制造、封裝測(cè)試三個(gè)部分。作為化合物半導(dǎo)體的一類，與SiC類似，全球產(chǎn)能普遍集中在IDM廠商上，不過(guò)相比于SiC，GaN在設(shè)計(jì)和制造環(huán)節(jié)正在往垂直分工的模式轉(zhuǎn)變，不少專注GaN器件的Fabless公司正在有著越來(lái)越大的影響力。
GaN器件設(shè)計(jì)根據(jù)類型我們可以分為三個(gè)部分，分別是：射頻、功率和光電子，這次主要關(guān)注的是射頻以及功率方面的應(yīng)用。
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GaN射頻器件設(shè)計(jì)GaN射頻器件主要可以分為三種：大功率功放管（比如GaN射頻 HEMT）、PA模塊、5G毫米波等高頻段MMIC（單片微波集成電路）。目前GaN已經(jīng)在射頻功率應(yīng)用中成為L(zhǎng)DMOS和GaAS的有力競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手。 為了提升性能，降低器件尺寸，GaN射頻器件集成度在不斷提高。隨著5G等高頻應(yīng)用以及小尺寸需求提高，GaN工藝制程正在從0.25μm-0.5μm，向0.15μm推進(jìn)，射頻領(lǐng)域領(lǐng)先的Qorvo甚至早已開(kāi)始推進(jìn)60nm工藝，用于毫米波等更高頻應(yīng)用。 GaN射頻器件目前主流采用GaN-on-SiC技術(shù)，占比約90%，其余采用GaN-on-Si技術(shù)。Wolfspeed憑借先發(fā)優(yōu)勢(shì)以及GaN-on-SiC技術(shù)，在射頻應(yīng)用的GaN HEMT專利上擁有領(lǐng)先地位。 Si基GaN技術(shù)在近幾年由于成本優(yōu)勢(shì)、以及解決缺陷密度問(wèn)題后，在射頻領(lǐng)域有崛起的趨勢(shì)。2022年5月，ST和MACOM宣布射頻GaN-on-Si原型芯片制造成功，ST表示相關(guān)器件已達(dá)到成本和性能目標(biāo)，完全能夠與市場(chǎng)上現(xiàn)有的LDMOS和GaN-on-SiC技術(shù)展開(kāi)有效競(jìng)爭(zhēng)，同時(shí)這些原型即將進(jìn)入認(rèn)證測(cè)試和量產(chǎn)階段，GaN-on-Si射頻商用進(jìn)程正在加速。 在GaN射頻器件設(shè)計(jì)領(lǐng)域，海外主要玩家有：Wolfspeed、住友電工、東芝、富士通、三菱電機(jī)、MACOM、英飛凌、NXP、Qorvo、ADI、Raytheon。 國(guó)內(nèi)主要玩家有：蘇州能訊、中興微電子、Ampleon（埃賦隆半導(dǎo)體，2015年建廣資本全資收購(gòu)NXP射頻功率事業(yè)部后成立）、蘇州本然微電子、中電科十三所、OMMIC（四川益豐） GaN功率器件設(shè)計(jì)
GaN功率器件目前大多采用GaN-on-Si的技術(shù)，相比于昂貴的SiC襯底，采用Si襯底的GaN功率器件優(yōu)勢(shì)主要在中低壓領(lǐng)域，市面上產(chǎn)品工作電壓主流產(chǎn)品在1000V以下，但近年也出現(xiàn)1200V甚至更高電壓的GaN-on-Si功率器件。在中低壓領(lǐng)域，GaN-on-Si功率器件有望可以部分取代傳統(tǒng)的Si基功率器件，比如在600V以下，取代硅基IGBT。 除此之外，隨著GaN單晶襯底的進(jìn)一步成熟，垂直型GaN-on-GaN器件也受到很多廠商關(guān)注，各大高校、以及相關(guān)企業(yè)都在進(jìn)行研究。相比于Si、SiC等襯底上的GaN外延層會(huì)因?yàn)榫Ц癫黄ヅ涠a(chǎn)生缺陷，GaN襯底或GaN-on-GaN允許垂直傳導(dǎo)的GaN 晶體管具有更少的缺陷。同時(shí)，垂直型結(jié)構(gòu)GaN器件相比目前市面上主流的橫向GaN器件，可以支持更高電壓的應(yīng)用。不過(guò)，目前垂直型GaN器件距離商業(yè)化還很遙遠(yuǎn)。 在GaN功率器件設(shè)計(jì)領(lǐng)域，海外主要玩家有：Wolfspeed、EPC、GaN Systems、 Power Integrations（PI）、Transphorm、Navitas、英飛凌、TI、安森美、松下、瑞薩、ST、GaNPower 國(guó)內(nèi)主要玩家有：安世半導(dǎo)體、英諾賽科、氮矽科技、芯冠科技、東科半導(dǎo)體、聚能創(chuàng)芯、能華微電子、鎵未來(lái)、芯干線
目前來(lái)看，GaN射頻器件領(lǐng)域供應(yīng)商以IDM為主，GaN功率領(lǐng)域則偏向于選擇代工，設(shè)計(jì)與制造環(huán)節(jié)分工，也就是Fablss模式要相比SiC產(chǎn)業(yè)更加廣泛。不過(guò)與此同時(shí)，GaN國(guó)際企業(yè)上下游互相滲透的趨勢(shì)也在一些傳統(tǒng)IDM大廠中體現(xiàn)出來(lái)，比如Wolfspeed收購(gòu)英飛凌的射頻功率業(yè)務(wù)，利用其SiC襯底優(yōu)勢(shì)，加強(qiáng)其射頻GaN-on-SiC技術(shù)的優(yōu)勢(shì)地位；NXP旗下6英寸射頻GaN晶圓廠在2020年投產(chǎn)；ST收購(gòu)GaN外延、器件廠商Exagan等等。 在制程工藝上，GaN HEMT射頻器件的制程目前主流在0.5μm-0.25μm左右，逐漸向0.15μm發(fā)展。而比如Qorvo、OMMIC等廠商，已經(jīng)開(kāi)始嘗試60nm的工藝去制造射頻GaN器件，工藝制程的提升意味著可以實(shí)現(xiàn)更小的柵極長(zhǎng)度，可以達(dá)到的頻率也就越高。通常來(lái)說(shuō)，器件工作頻率越高，需要用到的工藝制程也越高。不過(guò)另一方面，據(jù)Qorvo介紹，GaN HEMT器件中電壓和柵極長(zhǎng)度也成正比，所以當(dāng)采用更高的工藝制程，獲得更高頻率時(shí)，往往器件輸出功率也會(huì)較低。 海外主要玩家有：Wolfspeed、住友電工、東芝、富士通、松下、三菱電機(jī)、MACOM、英飛凌、NXP、Qorvo、ADI、、TI、Transphorm、ST、X-Fab、UMS、OMMIC、環(huán)宇通訊半導(dǎo)體（GCS） 國(guó)內(nèi)主要玩家有：海威華芯、三安集成、英諾賽科、能華微電子、蘇州能訊、芯冠科技、東科半導(dǎo)體、中電科十三所、安世半導(dǎo)體、聚能創(chuàng)芯、OMMIC（四川益豐）、TSMC（中國(guó)臺(tái)灣）、穩(wěn)懋（中國(guó)臺(tái)灣）、世界先進(jìn)（中國(guó)臺(tái)灣）、漢磊科技（中國(guó)臺(tái)灣）
GaN領(lǐng)域的封測(cè)環(huán)節(jié)，在光電子領(lǐng)域有比如德豪潤(rùn)達(dá)、木林森等專注LED封裝的企業(yè)，射頻以及功率應(yīng)用的封測(cè)部分企業(yè)如下. 海外主要企業(yè)：Wolfspeed、住友電工、東芝、富士通、松下、三菱電機(jī)、英飛凌、TI、NXP、Qorvo、ADI、MACOM、Transphorm、Amkor 國(guó)內(nèi)主要企業(yè)：英諾賽科、蘇州能訊、東科半導(dǎo)體、長(zhǎng)電科技、通富微電、天水華天、TSMC（中國(guó)臺(tái)灣）、日月光（中國(guó)臺(tái)灣）
無(wú)論是在射頻還是功率應(yīng)用中，GaN器件是處于多種技術(shù)路線百花齊放的局面，包括襯底、結(jié)構(gòu)等，都未有行業(yè)公認(rèn)的最佳發(fā)展路線。這或許意味著，GaN器件未來(lái)會(huì)針對(duì)更多細(xì)分應(yīng)用，通過(guò)多種技術(shù)路線的優(yōu)勢(shì)去打細(xì)分市場(chǎng)，畢竟技術(shù)路線沒(méi)有好壞之分，只是需要衡量性能與成本找到合適的應(yīng)用領(lǐng)域。 而從中游的情況來(lái)看，越來(lái)越多廠商加入到GaN功率器件的領(lǐng)域中，隨著電力電子行業(yè)的發(fā)展，傳統(tǒng)Si功率器件也將會(huì)受到越來(lái)越大的沖擊。與此同時(shí)，GaN中游設(shè)計(jì)、制造、封測(cè)三方面，海外公司的技術(shù)實(shí)力和產(chǎn)能優(yōu)勢(shì)都較為明顯，特別在射頻領(lǐng)域上。但隨著GaN電力電子應(yīng)用進(jìn)一步鋪開(kāi)，國(guó)內(nèi)企業(yè)將會(huì)在GaN市場(chǎng)上占得一席之地。 下一期，我們將會(huì)帶來(lái)GaN產(chǎn)業(yè)下游的內(nèi)容，包括射頻器件、功率器件的市場(chǎng)格局和中外產(chǎn)業(yè)現(xiàn)狀對(duì)比等。
器件設(shè)計(jì)
GaN器件設(shè)計(jì)根據(jù)類型我們可以分為三個(gè)部分，分別是：射頻、功率和光電子，這次主要關(guān)注的是射頻以及功率方面的應(yīng)用。
??GaN射頻器件設(shè)計(jì)GaN射頻器件主要可以分為三種：大功率功放管（比如GaN射頻 HEMT）、PA模塊、5G毫米波等高頻段MMIC（單片微波集成電路）。目前GaN已經(jīng)在射頻功率應(yīng)用中成為L(zhǎng)DMOS和GaAS的有力競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手。 為了提升性能，降低器件尺寸，GaN射頻器件集成度在不斷提高。隨著5G等高頻應(yīng)用以及小尺寸需求提高，GaN工藝制程正在從0.25μm-0.5μm，向0.15μm推進(jìn)，射頻領(lǐng)域領(lǐng)先的Qorvo甚至早已開(kāi)始推進(jìn)60nm工藝，用于毫米波等更高頻應(yīng)用。 GaN射頻器件目前主流采用GaN-on-SiC技術(shù)，占比約90%，其余采用GaN-on-Si技術(shù)。Wolfspeed憑借先發(fā)優(yōu)勢(shì)以及GaN-on-SiC技術(shù)，在射頻應(yīng)用的GaN HEMT專利上擁有領(lǐng)先地位。 Si基GaN技術(shù)在近幾年由于成本優(yōu)勢(shì)、以及解決缺陷密度問(wèn)題后，在射頻領(lǐng)域有崛起的趨勢(shì)。2022年5月，ST和MACOM宣布射頻GaN-on-Si原型芯片制造成功，ST表示相關(guān)器件已達(dá)到成本和性能目標(biāo)，完全能夠與市場(chǎng)上現(xiàn)有的LDMOS和GaN-on-SiC技術(shù)展開(kāi)有效競(jìng)爭(zhēng)，同時(shí)這些原型即將進(jìn)入認(rèn)證測(cè)試和量產(chǎn)階段，GaN-on-Si射頻商用進(jìn)程正在加速。 在GaN射頻器件設(shè)計(jì)領(lǐng)域，海外主要玩家有：Wolfspeed、住友電工、東芝、富士通、三菱電機(jī)、MACOM、英飛凌、NXP、Qorvo、ADI、Raytheon。 國(guó)內(nèi)主要玩家有：蘇州能訊、中興微電子、Ampleon（埃賦隆半導(dǎo)體，2015年建廣資本全資收購(gòu)NXP射頻功率事業(yè)部后成立）、蘇州本然微電子、中電科十三所、OMMIC（四川益豐） GaN功率器件設(shè)計(jì)
GaN功率器件目前大多采用GaN-on-Si的技術(shù)，相比于昂貴的SiC襯底，采用Si襯底的GaN功率器件優(yōu)勢(shì)主要在中低壓領(lǐng)域，市面上產(chǎn)品工作電壓主流產(chǎn)品在1000V以下，但近年也出現(xiàn)1200V甚至更高電壓的GaN-on-Si功率器件。在中低壓領(lǐng)域，GaN-on-Si功率器件有望可以部分取代傳統(tǒng)的Si基功率器件，比如在600V以下，取代硅基IGBT。 除此之外，隨著GaN單晶襯底的進(jìn)一步成熟，垂直型GaN-on-GaN器件也受到很多廠商關(guān)注，各大高校、以及相關(guān)企業(yè)都在進(jìn)行研究。相比于Si、SiC等襯底上的GaN外延層會(huì)因?yàn)榫Ц癫黄ヅ涠a(chǎn)生缺陷，GaN襯底或GaN-on-GaN允許垂直傳導(dǎo)的GaN 晶體管具有更少的缺陷。同時(shí)，垂直型結(jié)構(gòu)GaN器件相比目前市面上主流的橫向GaN器件，可以支持更高電壓的應(yīng)用。不過(guò)，目前垂直型GaN器件距離商業(yè)化還很遙遠(yuǎn)。 在GaN功率器件設(shè)計(jì)領(lǐng)域，海外主要玩家有：Wolfspeed、EPC、GaN Systems、 Power Integrations（PI）、Transphorm、Navitas、英飛凌、TI、安森美、松下、瑞薩、ST、GaNPower 國(guó)內(nèi)主要玩家有：安世半導(dǎo)體、英諾賽科、氮矽科技、芯冠科技、東科半導(dǎo)體、聚能創(chuàng)芯、能華微電子、鎵未來(lái)、芯干線
晶圓制造
目前來(lái)看，GaN射頻器件領(lǐng)域供應(yīng)商以IDM為主，GaN功率領(lǐng)域則偏向于選擇代工，設(shè)計(jì)與制造環(huán)節(jié)分工，也就是Fablss模式要相比SiC產(chǎn)業(yè)更加廣泛。不過(guò)與此同時(shí)，GaN國(guó)際企業(yè)上下游互相滲透的趨勢(shì)也在一些傳統(tǒng)IDM大廠中體現(xiàn)出來(lái)，比如Wolfspeed收購(gòu)英飛凌的射頻功率業(yè)務(wù)，利用其SiC襯底優(yōu)勢(shì)，加強(qiáng)其射頻GaN-on-SiC技術(shù)的優(yōu)勢(shì)地位；NXP旗下6英寸射頻GaN晶圓廠在2020年投產(chǎn)；ST收購(gòu)GaN外延、器件廠商Exagan等等。 在制程工藝上，GaN HEMT射頻器件的制程目前主流在0.5μm-0.25μm左右，逐漸向0.15μm發(fā)展。而比如Qorvo、OMMIC等廠商，已經(jīng)開(kāi)始嘗試60nm的工藝去制造射頻GaN器件，工藝制程的提升意味著可以實(shí)現(xiàn)更小的柵極長(zhǎng)度，可以達(dá)到的頻率也就越高。通常來(lái)說(shuō)，器件工作頻率越高，需要用到的工藝制程也越高。不過(guò)另一方面，據(jù)Qorvo介紹，GaN HEMT器件中電壓和柵極長(zhǎng)度也成正比，所以當(dāng)采用更高的工藝制程，獲得更高頻率時(shí)，往往器件輸出功率也會(huì)較低。 海外主要玩家有：Wolfspeed、住友電工、東芝、富士通、松下、三菱電機(jī)、MACOM、英飛凌、NXP、Qorvo、ADI、、TI、Transphorm、ST、X-Fab、UMS、OMMIC、環(huán)宇通訊半導(dǎo)體（GCS） 國(guó)內(nèi)主要玩家有：海威華芯、三安集成、英諾賽科、能華微電子、蘇州能訊、芯冠科技、東科半導(dǎo)體、中電科十三所、安世半導(dǎo)體、聚能創(chuàng)芯、OMMIC（四川益豐）、TSMC（中國(guó)臺(tái)灣）、穩(wěn)懋（中國(guó)臺(tái)灣）、世界先進(jìn)（中國(guó)臺(tái)灣）、漢磊科技（中國(guó)臺(tái)灣）
封裝測(cè)試
GaN領(lǐng)域的封測(cè)環(huán)節(jié)，在光電子領(lǐng)域有比如德豪潤(rùn)達(dá)、木林森等專注LED封裝的企業(yè)，射頻以及功率應(yīng)用的封測(cè)部分企業(yè)如下. 海外主要企業(yè)：Wolfspeed、住友電工、東芝、富士通、松下、三菱電機(jī)、英飛凌、TI、NXP、Qorvo、ADI、MACOM、Transphorm、Amkor 國(guó)內(nèi)主要企業(yè)：英諾賽科、蘇州能訊、東科半導(dǎo)體、長(zhǎng)電科技、通富微電、天水華天、TSMC（中國(guó)臺(tái)灣）、日月光（中國(guó)臺(tái)灣）
小結(jié)
無(wú)論是在射頻還是功率應(yīng)用中，GaN器件是處于多種技術(shù)路線百花齊放的局面，包括襯底、結(jié)構(gòu)等，都未有行業(yè)公認(rèn)的最佳發(fā)展路線。這或許意味著，GaN器件未來(lái)會(huì)針對(duì)更多細(xì)分應(yīng)用，通過(guò)多種技術(shù)路線的優(yōu)勢(shì)去打細(xì)分市場(chǎng)，畢竟技術(shù)路線沒(méi)有好壞之分，只是需要衡量性能與成本找到合適的應(yīng)用領(lǐng)域。 而從中游的情況來(lái)看，越來(lái)越多廠商加入到GaN功率器件的領(lǐng)域中，隨著電力電子行業(yè)的發(fā)展，傳統(tǒng)Si功率器件也將會(huì)受到越來(lái)越大的沖擊。與此同時(shí)，GaN中游設(shè)計(jì)、制造、封測(cè)三方面，海外公司的技術(shù)實(shí)力和產(chǎn)能優(yōu)勢(shì)都較為明顯，特別在射頻領(lǐng)域上。但隨著GaN電力電子應(yīng)用進(jìn)一步鋪開(kāi)，國(guó)內(nèi)企業(yè)將會(huì)在GaN市場(chǎng)上占得一席之地。 下一期，我們將會(huì)帶來(lái)GaN產(chǎn)業(yè)下游的內(nèi)容，包括射頻器件、功率器件的市場(chǎng)格局和中外產(chǎn)業(yè)現(xiàn)狀對(duì)比等。
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GaN晶體管的基本結(jié)構(gòu)和性能優(yōu)勢(shì)
GaN（氮化鎵）晶體管，特別是GaN HEMT（高電子遷移率晶體管），是近年來(lái)在電力電子和高頻通信領(lǐng)域受到廣泛關(guān)注的一種新型功率器件。其結(jié)構(gòu)復(fù)雜而精細(xì)，融合了多種材料和工藝，以實(shí)現(xiàn)高效、高頻率和高
1200V GaN又有新玩家入場(chǎng)，已進(jìn)入量產(chǎn)
電子發(fā)燒友網(wǎng)報(bào)道（文/梁浩斌）最近，又有國(guó)內(nèi)GaN廠商成功突破1200V GaN器件技術(shù)。7月26日，宇騰科技在社交平臺(tái)上宣布公司自主研發(fā)生產(chǎn)的藍(lán)寶石基GaN功率器件工作電壓達(dá)到120
采用GaN功率IC簡(jiǎn)化電力電子設(shè)計(jì)
早期的氮化鎵(GaN)功率器件需要復(fù)雜、昂貴且頻率受限的外部電路，以及復(fù)雜的封裝來(lái)保護(hù)和控制脆弱的柵極，這嚴(yán)重限制了市場(chǎng)的采用。單片集成的GaN功率IC的引入，將驅(qū)動(dòng)、邏輯和場(chǎng)效應(yīng)管集
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