氮化鎵功率半導體的案例
功率半導體組件的主流爭霸戰(zhàn) —— 硅、碳化硅、氮化鎵的三角習題
Model 3驅(qū)動逆變器（Traction Inverter）部分舍棄傳統(tǒng)絕緣柵雙極晶體管（IGBT），率先引入碳化硅（SiC）金屬氧化物半導體場效晶體管（MOSFET），開啟全球第三類半導體擴產(chǎn)潮。至于氮化鎵（GaN）功率組件市場則由消費性產(chǎn)品（如手機快充）、電信/通訊（如數(shù)據(jù)中心、太空衛(wèi)星通訊）及汽車產(chǎn)業(yè)（如電動車內(nèi)較小電壓的DC-DC converter）所帶動。
Yole Developpement研究機構報告指出，2020-2026年采用碳化硅（SiC）作為功率半導體材料的市場規(guī)模成長至45億美元，氮化鎵（GaN）功率半導體市場規(guī)模達11億美元。預估2027年碳化硅（SiC）功率組件市場規(guī)模可達63億美元，氮化鎵（GaN）功率組件市場可達20億美元；2021-2027年，整體氮化鎵（GaN）功率組件市場的復合年成長率（CAGR）為59%，碳化硅（SiC）功率組件市場的復合年成長率（CAGR）為34%。除了消費性電源大量采用氮化鎵（GaN）功率組件，氮化鎵（GaN）功率組件導入數(shù)據(jù)中心、電信設備電源的速度也愈來愈快。
圖二 : 碳化硅功率半導體材料的市場規(guī)模預估。（source: Yole Developpemen）
圖三 : 氮化鎵功率半導體材料的市場規(guī)模預估。
展開 干貨 | 一文看懂臺灣第三代半導體供應鏈
漢民集團：從基板到代工技術，體系完整
漢民集團則是最早布局化合物半導體的公司，在結束瀚薪之前，漢民從車用化合物半導體芯片設計（瀚薪），基板和外延技術（嘉晶），到代工制造（漢磊），體系十分完整。漢磊也是臺灣少數(shù)同時能制造氮化鎵和碳化硅芯片的公司，也因此，瀚薪的解散更讓人覺得不尋常。
晶成：硅基氮化鎵功率半導體制造技術
此外，富采（原晶電）由于LED 制造原本就需要化合物半導體外延技術，2018 年也將旗下代工事業(yè)分割出來，成立晶成半導體，專攻化合物半導體制造。2019 年，環(huán)宇-KY 也投資晶成，目前晶成也有能力提供硅基氮化鎵功率半導體制造服務。
根據(jù)張翼觀察，目前臺灣在第三代半導體領域，是「制造強，兩端弱」，做代工制造的公司很多，但有能力設計第三代半導體IC 設計的公司卻不多。高頻電路設計需要數(shù)學、物理、電磁波理論基礎，功率IC 設計需機電（機械、電子、電機）整合背景，設計人才非常稀有。另外，臺灣也需要突破基板制造的技術；例如，制造通訊IC 需要絕緣碳化硅基板，如果臺灣有能力自制基板，穩(wěn)懋和宏捷科的發(fā)展會更為快速。
與歐美廠商仍有差距
在發(fā)展第三代半導體上，不管中國臺灣還是中國大陸，與歐美仍有不小的差距。名列全球前10 大半導體廠英飛凌，高級經(jīng)理高金萍接受財訊采訪時表示，目前全球主流車廠電動車規(guī)格已往800 伏特高壓平臺發(fā)展，意即對臺廠來說較為困難的碳化硅將成主流。英飛凌發(fā)展碳化硅技術超過25 年，已有20 家車廠在使用及評估英飛凌的碳化硅產(chǎn)品。
高金萍指出，未來不只電動車需要第三代半導體，從提升太陽能發(fā)電效率，縮短電動車充電時間，到提高數(shù)據(jù)中心的用電效率，縮小行動裝置電源體積，都用得上這項技術。
目前，中國大陸也拼命投資第三代半導體，如華為投資碳化硅外延片廠商瀚天天成；長期生產(chǎn)LED 的三安光電，也因為使用的材料相近，發(fā)展受到矚目。
展開 干貨 | 一文看懂臺灣第三代半導體供應鏈
漢民集團：從基板到代工技術，體系完整
漢民集團則是最早布局化合物半導體的公司，在結束瀚薪之前，漢民從車用化合物半導體芯片設計（瀚薪），基板和外延技術（嘉晶），到代工制造（漢磊），體系十分完整。漢磊也是臺灣少數(shù)同時能制造氮化鎵和碳化硅芯片的公司，也因此，瀚薪的解散更讓人覺得不尋常。
晶成：硅基氮化鎵功率半導體制造技術
此外，富采（原晶電）由于LED 制造原本就需要化合物半導體外延技術，2018 年也將旗下代工事業(yè)分割出來，成立晶成半導體，專攻化合物半導體制造。2019 年，環(huán)宇-KY 也投資晶成，目前晶成也有能力提供硅基氮化鎵功率半導體制造服務。
根據(jù)張翼觀察，目前臺灣在第三代半導體領域，是「制造強，兩端弱」，做代工制造的公司很多，但有能力設計第三代半導體IC 設計的公司卻不多。高頻電路設計需要數(shù)學、物理、電磁波理論基礎，功率IC 設計需機電（機械、電子、電機）整合背景，設計人才非常稀有。另外，臺灣也需要突破基板制造的技術；例如，制造通訊IC 需要絕緣碳化硅基板，如果臺灣有能力自制基板，穩(wěn)懋和宏捷科的發(fā)展會更為快速。
與歐美廠商仍有差距
在發(fā)展第三代半導體上，不管中國臺灣還是中國大陸，與歐美仍有不小的差距。名列全球前10 大半導體廠英飛凌，高級經(jīng)理高金萍接受財訊采訪時表示，目前全球主流車廠電動車規(guī)格已往800 伏特高壓平臺發(fā)展，意即對臺廠來說較為困難的碳化硅將成主流。英飛凌發(fā)展碳化硅技術超過25 年，已有20 家車廠在使用及評估英飛凌的碳化硅產(chǎn)品。
高金萍指出，未來不只電動車需要第三代半導體，從提升太陽能發(fā)電效率，縮短電動車充電時間，到提高數(shù)據(jù)中心的用電效率，縮小行動裝置電源體積，都用得上這項技術。
目前，中國大陸也拼命投資第三代半導體，如華為投資碳化硅外延片廠商瀚天天成；長期生產(chǎn)LED 的三安光電，也因為使用的材料相近，發(fā)展受到矚目。
展開 半導體材料：GaN（氮化鎵）的詳細介紹
三代半導體即寬禁帶半導體，以碳化硅和氮化鎵為代表，具備高頻、高效、高功率、耐高壓、耐高溫、抗輻射能力強等優(yōu)越性能，切合節(jié)能減排、智能制造、信息安全等國家重大戰(zhàn)略需求，是支撐新一代移動通信、新能源汽車、高速軌道列車、能源互聯(lián)網(wǎng)等產(chǎn)業(yè)自主創(chuàng)新發(fā)展和轉(zhuǎn)型升級的重點核心材料和電子元器件，已成為全球半導體技術和產(chǎn)業(yè)競爭焦點。
氮化鎵是一種寬能隙材料，它能夠提供與碳化硅（SiC）相似的性能優(yōu)勢，但降低成本的可能性卻更大。業(yè)界認為，在未來數(shù)年間，氮化鎵功率器件的成本可望壓低到和硅MOSFET、IGBT及整流器同等價格。
氮化鎵電力電子器件具有更高的工作電壓、更高的開關頻率、更低的導通電阻等優(yōu)勢，并可與成本極低、技術成熟度極高的硅基半導體集成電路工藝相兼容，在新一代高效率、小尺寸的電力轉(zhuǎn)換與管理系統(tǒng)、電動機車、工業(yè)電機等領域具有巨大的發(fā)展?jié)摿Α?由于對高速、高溫和大功率半導體器件需求的不斷增長，使得半導體業(yè)重新考慮半導體所用設計和材料。隨著多種更快、更小計算器件的不斷涌現(xiàn)，硅材料已難以維持摩爾定律。由于氮化鎵材料所具有的獨特優(yōu)勢，如噪聲系數(shù)優(yōu)良、最大電流高、擊穿電壓高、振蕩頻率高等，為多種應用提供了獨特的選擇，如軍事、宇航和國防、汽車領域，以及工業(yè)、太陽能、發(fā)電和風力等高功率領域。
推薦一款來自臺灣美祿的GaN/氮化鎵 - MGZ31N65，該芯片常溫常壓下是纖鋅礦結構。是現(xiàn)今半導體照明中藍光發(fā)光二極管的核心材料。工業(yè)上采用MOCVD和HVPE設備來外延生長。
GaN半導體材料有二種基本結構:纖鋅礦(Wurtzite, WZ)和閃鋅礦(Zinc blende, ZB)。常溫常壓下惟有纖鋅礦結構為穩(wěn)定相。纖鋅礦結構由兩套六角密堆積子格子沿c軸方向平移3c/8套構而形成，所屬空間群為或P63mc。
展開 
智芯研報 | 化合物半導體之氮化鎵&碳化硅
化合物半導體面向射頻、高電壓大功率、光電子等領域，無需先進工藝。GaAs 和 GaN 器件以 0.13、0.18μm以上工藝為主。
Qorvo 正在進行 90nm 工藝研發(fā)。此外由于受 GaAs 和 SiC 襯底尺寸限制，目前生產(chǎn)線基本全為 4 英寸和 6 英寸。以 Qorvo 為例，我們統(tǒng)計下來氮化鎵制程基本線寬在 0.25-0.50um，生產(chǎn)線以 4 英寸為主。
氮化鎵&碳化硅：高壓高頻優(yōu)勢顯著
氮化鎵(GaN)和碳化硅(SiC)并稱為第三代半導體材料的雙雄，由于性能不同，二者的應用領域也不相同。由于氮化鎵具有禁帶寬度大、擊穿電場高、飽和電子速率大、熱導 率高、化學性質(zhì)穩(wěn)定和抗輻射能力強等優(yōu)點，成為高溫、高頻、大功率微波器件的首選 材料之一。
氮化鎵：5G 時代來臨，射頻應用前景廣闊
目前氮化鎵器件有三分之二應用于軍工電子，如軍事通訊、電子干擾、雷達等領域；在 民用領域，氮化鎵主要被應用于通訊基站、功率器件等領域。氮化鎵基站 PA 的功放效 率較其他材料更高，因而能節(jié)省大量電能，且其可以幾乎覆蓋無線通訊的所有頻段，功 率密度大，能夠減少基站體積和質(zhì)量。
特色工藝代工廠崛起，分工大勢所趨。全球半導體分為 IDM(IntegratedDevice Manufacture，集成電路制造)模式和垂直分工模式兩種商業(yè)模式，老牌大廠由于歷史原因，多為 IDM 模式。
隨著集成電路技術演進，摩爾定律逼近極限，各環(huán)節(jié)技術、資金壁 壘日漸提高，傳統(tǒng) IDM 模式弊端凸顯，新銳廠商多選擇 Fabless（無晶圓廠）模式，輕裝追趕。同時英飛凌、TI、AMD 等老牌大廠也逐漸將全部或部分制造、封測環(huán)節(jié)外包，轉(zhuǎn)向 Fab-Lite（輕晶圓廠）甚至 Fabless 模式。
展開 氮化鎵半導體材料研究與應用現(xiàn)狀
本文歸納總結公開資料，梳理G aN半導體材料的應用概況，結合文獻計量和專利分析，進一步研究國內(nèi)外GaN半導體材料的技術研發(fā)態(tài)勢。
1 GaN 半導體材料應用概況
當 前，GaN半 導 體 材 料 的 應 用領域主要有半導體照明、電力電子器件、激光器與探測器等。此外，在太陽能電池、生物傳感器等新興領域亦有應用，但是目前仍處于實驗室研發(fā)階段。
1.1 半導體照明
半導體照明行業(yè)是GaN當前主流應用領域中發(fā)展最為迅速的，產(chǎn)業(yè)規(guī)模超百億美元。從材料體系劃分上看，半導體照明行業(yè)主要用到藍寶石基氮化鎵（GaN—on—Sapphire）、SiC基氮化鎵（GaN—on—SiC）和Si基氮化鎵（GaN—on—Si）3種材料體系，分別對應不同的產(chǎn)品應用。其中，最成熟的是GaN—on—Sapphire體系，應用于大部分L E D照明。G aN—o n—Si C散熱效果較好，適用于低能耗、大功率的照明器件，但是較高的制造成本制約了其進一步推廣與運用。G aN—on—Si具有較大的成本優(yōu)勢，提高散熱表現(xiàn)，因此GaN—on—Si LED技術也是業(yè)界一直關注的方向。
1.2 電力電子器件
GaN在電力電子領域的應用仍處于起步階段，市場規(guī)模僅為數(shù)億美元。其應用主要集中在軍事通訊、電子干擾、雷達等軍用領域。在民用領域，主要應用于通訊基站、功率器件等領域。
展開 氮化鎵正在改變世界，中國企業(yè)發(fā)力強勁
越來越多的人在使用手機快充充電器的時候可能不經(jīng)意間會發(fā)現(xiàn)氮化鎵（GaN）這個專業(yè)名詞，實際上，正是“氮化鎵”這一第三代半導體材料的技術突破，讓第三代半導體能實現(xiàn)更多的場景應用，例如氮化鎵電子器件具有高頻、高轉(zhuǎn)換效率、高擊穿電壓等特性，讓微顯示、手機快充、氮化鎵汽車等有了無限可能。
智慧芽旗下智慧芽創(chuàng)新研究中心最新發(fā)布《第三代半導體-氮化鎵(GaN)技術洞察報告》（下稱“報告”），從技術角度全面洞察分析了氮化鎵這一產(chǎn)業(yè)的誕生、產(chǎn)業(yè)發(fā)展和未來突破。
報告顯示，國內(nèi)產(chǎn)業(yè)鏈基本形成，產(chǎn)業(yè)結構相對聚焦中游，中國企業(yè)紛紛入場。全球在氮化鎵產(chǎn)業(yè)已申請16萬多件專利，有效專利6萬多件。其中，保護類型以發(fā)明專利為主，行業(yè)技術創(chuàng)新度比較高。報告指出，該領域中美日技術實力較強，中美日市場較熱。
在報告展示的氮化鎵技術的日常應用場景中， 豐田與日本名古屋大學合作開發(fā)“全氮化鎵汽車”，且目前寶馬也已經(jīng)加入氮化鎵汽車應用這一陣營 ；與此同時， 氮化鎵快充走進日常生活，華為氮化鎵快充充電器面市 ，擁有大功率、超級快充、輕巧便捷的特點，支持手機、平板、PC電腦等設備充電。
氮化鎵產(chǎn)業(yè)初步形成
氮化鎵（GaN）主要是指一種由人工合成的半導體材料，是第三代半導體材料的典型代表, 研制微電子器件、光電子器件的新型材料。氮化鎵技術及產(chǎn)業(yè)鏈已經(jīng)初步形成，相關器件快速發(fā)展。第三代半導體氮化鎵產(chǎn)業(yè)范圍 涵蓋氮化鎵單晶襯底、半導體器件芯片設計、制造、封測以及芯片 等主要應用場景。
氮化鎵應用范圍廣泛，作為支撐“新基建”建設的關鍵核心器件，其 下游應用切中了 “新基建”中5G基站、特高壓、新能源充電樁、城際高鐵等主要領域。
展開 氮化鎵半導體材料在5G時代的應用前景
氮化鎵，分子式為GaN，是研制微電子器件、光電子器件的新型半導體材料，并與SiC、金剛石等半導體材料一起，被譽為是繼第一代Ge、Si半導體材料、第二代GaAs、InP化合物半導體材料之后的第三代半導體材料。
GaN和SiC同屬于第三代高大禁帶寬度的半導體材料，和第一代的Si以及第二代GaAs相比，其在特性上優(yōu)勢突出。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，有利于提升器件的能效；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。
5G商用到來，射頻氮化鎵技術必不可少
射頻氮化鎵技術是5G的絕配，基站功放使用氮化鎵。隨著全球移動數(shù)據(jù)流量的不斷增長，各移動運營商正在竭盡全力滿足爆炸式增長的流量需求。通過載波聚合可以緩解移動互聯(lián)網(wǎng)對于數(shù)據(jù)帶寬的需求，載波聚合和大規(guī)模多入多出技術促使基站去采用性能更好的功放。基站中以前采用的射頻功放主要基于LDMOS技術，但LDMOS技術的極限頻率不超過3.5GHz，也不能滿足視頻應用所需的300MHz以上帶寬。
因為上述原因，基站開始采用射頻氮化鎵器件來替代LDMOS器件。LDMOS器件物理上已經(jīng)遇到極限，這就是氮化鎵器件進入市場的原因。基站應用需要更高的峰值功率、更寬的帶寬以及更高的頻率，這些因素都促成了基站接受氮化鎵器件。
GaN可以實現(xiàn)更高的功率密度，對于既定功率水平，GaN具有體積小的優(yōu)勢。有了更小的器件，就可以減小器件電容，從而使得較高帶寬系統(tǒng)的設計變得更加輕松。氮化鎵作為一種寬禁帶半導體，可承受更高的工作電壓，意味著其功率密度及可工作溫度更高，因而具有高功率密度、低能耗、適合高頻率、支持寬帶寬等特點。
展開 增幅185%！3項GaN技術強攻汽車市場
據(jù)分析，雖然GaN功率器件在汽車市場的滲透率較低，但未來幾年它的復合年增長率將達到185%。
為此，眾多氮化鎵企業(yè)已經(jīng)在奔赴汽車賽道（.點這里.）。近日，又有3家氮化鎵企業(yè)瞄準汽車市場，推出了3項新技術。
CGD：
GaN HEMT柵壓高達20V
4月6日，Cambridge GaN Devices (
CGD
)公開介紹了他們的
ICeGaN技術
，他們首條采用ICeGaN技術的
產(chǎn)品線
將于2022年上半年發(fā)布。
據(jù)CGD業(yè)務發(fā)展副總裁 Andrea Bricconi 介紹，傳統(tǒng)的GaN HEMT器件，柵極驅(qū)動困難、研發(fā)耗時且成本高昂，柵極電壓還被限制在6-7V左右。而CGD的結合了Cascode和eMode氮化鎵的優(yōu)勢，具有3V閾值電壓，并且柵極電壓可以擴展到大約20V。
因此他們的GaN器件具有2個優(yōu)勢：
● 易于使用：GaN HEMT 可以輕松連接到驅(qū)動器和控制器。
● 節(jié)省成本：不需要額外的組件、電壓鉗位或昂貴的柵極驅(qū)動器。
加入氮化鎵大佬群，請加VX：hangjiashuo666
Bricconi 透露，他們正在牽頭GaNext等國際項目，GaNext 項目旨在開發(fā)適用于車載充電器 (OBC)、光伏逆變器等領域的氮化鎵功率器件，“首批配備 GaN 晶體管的汽車將在2024年至2025年問世，使用GaN可以使OBC的功率密度翻倍。"
CGD估計，到2026年，全球功率 GaN 市場將增長到超過10億美元，這主要得益于電動汽車和混合動力汽車對更輕、更高效的電源以及更緊湊和更強大的OBC的需求。
展開 聚焦 | 功率半導體預測，氧化鎵前景可期
2021年6月，富士經(jīng)濟對SiC（碳化硅）、Si（硅）功率半導體等下一代功率半導體的全球市場進行了調(diào)查。功率半導體市場預計到 2030 年將達到 40471 億日元，而 2020 年為 28043 億日元。
該調(diào)查針對使用SiC、GaN（氮化鎵）、Ga 2 O 3（氧化鎵）和 Si 功率半導體（例如 MOSFET 和 IGBT）的下一代功率半導體。我們還調(diào)查了與功率半導體相關的組件和制造設備市場。調(diào)查時間為2020年11月至2021年2月。
2020年，Si功率半導體將占功率半導體市場的大部分，達27529億日元。Si功率半導體在中國市場擴大，但在其他地區(qū)，汽車和工業(yè)設備的銷售額下降，與2019年相比下降了4.0%。從 2021 年開始，汽車和 5G（第 5 代移動通信）相關產(chǎn)品的需求有望增加，預計 2030 年將達到 37,981 億日元。
預計到 2030 年，下一代功率半導體市場將達到 2490 億日元，而 2020 年為 514 億日元。雖然市場規(guī)模仍然較小，但預計2021年后年增長率仍將接近20%。
展開 要挑戰(zhàn)SiC和GaN的功率半導體氧化鎵是何方神圣？
目前，以碳化硅（SiC）和氮化鎵（GaN）為代表的第三代化合物半導體受到的關注度越來越高，它們在未來的大功率、高溫、高壓應用場合將發(fā)揮傳統(tǒng)的硅器件無法實現(xiàn)的作用。特別是在未來三大新興應用領域（汽車、5G和物聯(lián)網(wǎng)）之一的汽車方面，會有非常廣闊的發(fā)展前景。
然而，SiC和GaN并不是終點，最近，氧化鎵（Ga2O3）再一次走入了人們的視野，憑借其比SiC和GaN更寬的禁帶，該種化合物半導體在更高功率的應用方面具有獨特優(yōu)勢。因此，近幾年關于氧化鎵的研究又熱了起來。
實際上，氧化鎵并不是很新的技術，多年前就有公司和研究機構對其在功率半導體領域的應用進行鉆研，但就實際應用場景來看，過去不如SiC和GaN的應用面廣，所以相關研發(fā)工作的風頭都被后二者搶去了。而隨著應用需求的發(fā)展愈加明朗，未來對高功率器件的性能要求越來越高，這使得人們更深切地看到了氧化鎵的優(yōu)勢和前景，相應的研發(fā)工作又多了起來，已成為美國、日本、德國等國家的研究熱點和競爭重點。而我國在這方面還是比較欠缺的。
氧化鎵的優(yōu)勢
氧化鎵是一種寬禁帶半導體，禁帶寬度Eg=4.9eV，其導電性能和發(fā)光特性良好，因此，其在光電子器件方面有廣闊的應用前景，被用作于Ga基半導體材料的絕緣層，以及紫外線濾光片。這些是氧化鎵的傳統(tǒng)應用領域，而其在未來的功率、特別是大功率應用場景才是更值得期待的。
雖然氧化鎵的導熱性能較差，但其禁帶寬度（4.9eV）超過碳化硅（約3.4eV），氮化鎵（約3.3eV）和硅（1.1eV）的。由于禁帶寬度可衡量使電子進入導通狀態(tài)所需的能量。采用寬禁帶材料制成的系統(tǒng)可以比由禁帶較窄材料組成的系統(tǒng)更薄、更輕，并且能應對更高的功率，有望以低成本制造出高耐壓且低損失的功率元件。此外，寬禁帶允許在更高的溫度下操作，從而減少對龐大的冷卻系統(tǒng)的需求。
展開 
GaN功率半導體廠商梳理
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(guī)劃建設兩條12英寸90～65nm的特色工藝芯片（功率半導體芯片及MEMS傳感器）生產(chǎn)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芯片）生產(chǎn)線。
（19）重慶聚力成
2018年11月，聚力成半導體（重慶）有限公司奠基儀式在大足高新區(qū)舉行，項目總投資50億元，以研發(fā)、生產(chǎn)全球半導體領域前沿的氮化鎵外延片、芯片為主，將打造集氮化鎵外延片制造、晶圓制造、芯片設計、封裝、測試、產(chǎn)品應用設計于一體的全產(chǎn)業(yè)鏈基地。
總體來說，GaN關鍵技術主要掌握在美、歐、日主要企業(yè)手中，國內(nèi)企業(yè)也紛紛進入GaN領域，主要有蘇州能訊、蘇州晶湛、珠海英諾賽科、江蘇華功、重慶華潤微、杭州士蘭微等企業(yè)。國內(nèi)企業(yè)還需加快步伐，掌握核心技術，一旦GaN功率市場打開，不至于落后于國外企業(yè)較大差距。
來源：SIMIT戰(zhàn)略研究室
作者：葉樹梅
展開 熱度不減的氮化鎵
來源：半導體行業(yè)觀察
隨著基于硅的技術發(fā)展逐漸接近極限，以碳化硅（SiC）、氮化鎵（GaN）、氧化鋅（ZnO）、金剛石、氮化鋁（AlN）等為代表的第三代半導體迎來了爆發(fā)風口。其中，SiC和GaN作為目前最為成熟，商業(yè)化程度最高的第三代半導體材料自然風頭正盛。此前，我們曾在《“拯救”SiC的幾大新技術》一文中詳細介紹了SiC材料，這次我們來詳解下GaN。
氮化鎵主要是由人工合成的一種半導體材料，禁帶寬度大于2.3eV，也稱為寬禁帶半導體材料，是研制微電子器件、光電子器件的新型材料。相比“得碳化硅者得天下”，氮化鎵就顯得低調(diào)許多，1969年日本科學家Maruska等人才在藍寶石襯底表面沉積出了氮化鎵薄膜，本世紀初氮化鎵進入了飛速發(fā)展階段。2019年，氮化鎵作為第三代半導體的主要材料之一首次進入主流消費應用，并在2020年因小米氮化鎵充電器而引發(fā)關注。
低調(diào)卻“吸金”
雖然沒有碳化硅那么火爆，但氮化鎵的吸金程度也毫不遜色。據(jù)筆者不完全統(tǒng)計，除了國外的ST、英飛凌和PI等企業(yè)一馬當先以外，國內(nèi)的英諾賽科和納微也發(fā)展迅猛，到這也擋不住氮化鎵的發(fā)展浪潮。
據(jù)不完全統(tǒng)計，2021年國內(nèi)超9家氮化鎵相關企業(yè)獲得了超12輪的融資，其中禹創(chuàng)半導體、鎵未來、能華微電子等3家企業(yè)都完成了2輪融資，從透露的投資額來看，芯元基完成了逾億元B輪；南芯半導體完成了近3億元D輪融資；能華微電子則是完成了數(shù)億元C輪。此外，2021年封測巨頭晶方科技入局氮化鎵，投資了以色列VisIC Technologies Ltd．，環(huán)旭電子也宣布投資氮化鎵系統(tǒng)有限公司，加碼功率電子戰(zhàn)略。
展開 硅基氮化鎵的投資思考
要做好一個理想的氮化鎵的方案，硅基氮化鎵公司除了要把功率器件做好，驅(qū)動控制IC的技術和電源的方案也非常重要。硅基氮化鎵是一家功率公司，前期也是一家電源公司。
氮化鎵方案相比硅基的方案，一是需要解決問題，如氮化鎵器件柵極耐壓、高頻所帶來的可靠性、EMI的問題；二是需要充分挖掘優(yōu)勢，發(fā)揮氮化鎵在傳統(tǒng)的拓撲結構中充分實現(xiàn)效率高、體積小的特性。
因此在整體的方案需要：1.充分理解氮化鎵器件的特性；2.方案層面具有很強的設計優(yōu)化能力。兩者需要互相充分理解（要很懂），在研發(fā)層面互相配合迭代（要能一體化研發(fā)），才能搞定一個好的電源方案。通過氮化鎵器件、驅(qū)動電路和控制電路的研發(fā)充分協(xié)同，輸出一個好的方案。
我們看到Pi和Navitas都在內(nèi)部著力于解決上述的問題，國內(nèi)硅基氮化鎵公司也在打造自己和電源管理IC公司的研發(fā)生態(tài)。
國內(nèi)硅基氮化鎵企業(yè)如何實現(xiàn)功率器件和功率IC的研發(fā)協(xié)同，是否具備較強的電源方案團隊儲備、技術經(jīng)驗、深度研發(fā)合作伙伴，需要重點關注。
另外，目前主流的方案包括Pi、Navitas、英諾賽科三家，三家芯片的集成度依次降低，其中Pi采用了控制器、驅(qū)動器和GaN器件合封，Navitas采用了驅(qū)動和氮化鎵器件的單die集成，英諾賽科采用的是氮化鎵單管，直接帶來的是三家不同的方案。目前主流的電源廠商的方案集中于上面這三種，因此擁抱主流的方案的阻力相對較小，差異化的方案需要再自建體系。
題外話和結語
目前有一些這樣的觀點：一是氮化鎵賽道不賺錢；二是氮化鎵技術門檻低，國內(nèi)在建產(chǎn)能多。
展開 氮化鎵產(chǎn)業(yè)鏈全景圖
行業(yè)主要上市企業(yè):
目前國內(nèi)氮化鎵行業(yè)的上市公司主要有華潤微(688396)、三安光電(600703)、士蘭微(600460)、聞泰科技(600745)
本文核心數(shù)據(jù):
氮化鎵行業(yè)產(chǎn)業(yè)鏈、氮化鎵行業(yè)產(chǎn)業(yè)鏈全景圖、氮化鎵行業(yè)產(chǎn)業(yè)鏈生產(chǎn)企業(yè)熱力地圖
氮化鎵行業(yè)產(chǎn)業(yè)鏈全景梳理:氮化鎵制造涉及多個環(huán)節(jié)
在上游供應方面,碳化硅襯底
的原料包括石英礦、石油焦,氮化鎵的原料主要從硝酸鹽、金屬鎵中獲取;在中游制造方面,最主要的工序即襯底和外延生長,這是材料技術的關鍵點所在;在下游應用方面,氮化鎵一般用于器件/模塊的制造,最終形成半導體產(chǎn)品應用于各個領域。
GaN產(chǎn)業(yè)鏈按環(huán)節(jié)分為Si襯底(或GaN單晶襯底、SiC、藍寶石)、GaN材料外延、器件設計、器件制造、封測以及應用。各個環(huán)節(jié)國內(nèi)均有企業(yè)涉足,如在射頻領域,SiC襯底生產(chǎn)商有天科合達、山東天岳等,GaN襯底有維微科技、科恒晶體、鎵鋁光電等公司。外延片涉足企業(yè)有晶湛半導體、聚能晶源、英諾賽科等。蘇州能訊、四川益豐電子、中科院蘇州納米所等公司則同時涉足多環(huán)節(jié),力圖形成全產(chǎn)業(yè)鏈公司。
氮化鎵行業(yè)產(chǎn)業(yè)鏈區(qū)域熱力地圖:廣東省分布最集中
從我國氮化鎵產(chǎn)業(yè)鏈企業(yè)區(qū)域分布來看,我國氮化鎵行業(yè)產(chǎn)業(yè)鏈企業(yè)主要分布在廣東省,其次是福建省。其余地區(qū)雖然有企業(yè)分布,但是數(shù)量較少。
從代表性企業(yè)分布情況來看,江蘇省代表性企業(yè)分布最多,如蘇州納維、晶湛半導體、英諾賽科等。
展開 