【原創(chuàng)】5G的超級(jí)“動(dòng)力”——氮化鎵
對(duì)于5G技術(shù)，全球都為之振奮。5G可帶來(lái)比4G LTE快20倍的閃電般速度，并可開啟一系列超乎我們想象的創(chuàng)新應(yīng)用和機(jī)遇。但它也要求對(duì)現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施進(jìn)行改革——特別是射頻電源應(yīng)用。GaN技術(shù)是驅(qū)動(dòng)這種新型基礎(chǔ)設(shè)施的關(guān)鍵。氮化鎵(GaN)是一種商業(yè)應(yīng)用相對(duì)較新的半導(dǎo)體。它的功率效率、功率密度和處理更寬頻率范圍的能力，使其非常適合大規(guī)模MIMO基站。
今天，我們要探討GaN作為半導(dǎo)體的價(jià)值、其產(chǎn)業(yè)鏈分布情況、主要生產(chǎn)工藝難題，以及我們對(duì)GaN應(yīng)用有何期待。
1 氮化鎵半導(dǎo)體的價(jià)值
氮化鎵(GaN)是一種寬帶隙復(fù)合半導(dǎo)體材料，其特性如下。
（1）擊穿電場(chǎng)強(qiáng)度高，極大提高了氮化鎵功率器件的電流密度和耐壓容量，同時(shí)降低了導(dǎo)通損耗。
（2）帶隙寬、禁帶寬度大，大大降低了氮化鎵半導(dǎo)體器件的泄露電流，并使其具有抗輻射特性。同時(shí)帶隙較寬意味著氮化鎵可以承受高電壓，高電壓意味著可以實(shí)現(xiàn)高功率的應(yīng)用、高輸出能量密度和高耐溫特性。
（3）熱導(dǎo)率高，散熱性能優(yōu)異，代表著氮化鎵器件集成度和功率密度可以高于傳統(tǒng)元器件。
（4）電子飽和漂移速度快，可在更高的頻率下工作。
（5）介電常數(shù)小，可降低集成電路的漏電電流，降低導(dǎo)線之間的電容效應(yīng)，降低集成電路的發(fā)熱。
（6）化學(xué)性能穩(wěn)定，不易腐蝕。
（7）類纖鋅礦結(jié)構(gòu)，高硬度。
這些特性將氮化鎵推入了5G射頻的聚光燈下。GaN能更好地支持電子產(chǎn)品輕量化，舉例來(lái)說，與目前隨處常見的充電器相比，采用GaN晶體管的PC機(jī)電源適配器更小、更輕。據(jù)第三方測(cè)算，在使用GaN器件后，標(biāo)準(zhǔn)手機(jī)充電器最多可瘦身40%，或者在相同尺寸條件下輸出更大的功率，在能效和功率密度方面也可以取得類似的性能提升，適用于消費(fèi)、工業(yè)、汽車等各種電子產(chǎn)品。
2 GaN半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)鏈
GaN半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)鏈各環(huán)節(jié)依次為：GaN單晶襯底→GaN材料外延→器件設(shè)計(jì)→器件制造。
（1）GaN單晶襯底
GaN襯底主要由日本公司主導(dǎo)，日本住友電工的市場(chǎng)份額達(dá)到90%以上。國(guó)內(nèi)已經(jīng)小批量生產(chǎn)2英寸襯底，具備4英寸襯底生產(chǎn)能力，并開發(fā)出6英寸襯底樣品，國(guó)內(nèi)的納維科技、中鎵半導(dǎo)體公司也有能力生產(chǎn)提供相關(guān)的產(chǎn)品。
（2）GaN外延片
GaN外延片相關(guān)企業(yè)主要有比利時(shí)的Epi?GaN、英國(guó)的IQE、日本的NTT-AT。中國(guó)廠商有蘇州晶湛、蘇州能華和世紀(jì)金光，蘇州晶湛2014年就已研發(fā)出8英寸硅基外延片，現(xiàn)階段已能批量生產(chǎn)，2018年12月聚能晶源成功研制了8英寸硅基GaN（GaN-on-Si）外延晶圓。
（3）GaN器件
GaN器件設(shè)計(jì)廠商方面，有美國(guó)的EPC、MA?COM、Transphom、Navitas，德國(guó)的Dialog，國(guó)內(nèi)有被中資收購(gòu)的安譜隆（Ampleon）等。
全球GaN射頻器件獨(dú)立設(shè)計(jì)生產(chǎn)供應(yīng)商（IDM）中，住友電工和Cree是行業(yè)的龍頭企業(yè)，市場(chǎng)占有率均超過30%，其次為Qorvo和MACOM。住友電工在無(wú)線通信領(lǐng)域市場(chǎng)份額較大，其已成為華為核心供應(yīng)商，為華為GaN射頻器件最大供應(yīng)商。此外，還有法國(guó)Exagan、荷蘭NXP、德國(guó)英飛凌、日本三菱電機(jī)、美國(guó)Ⅱ-Ⅵ等。
3 氮化鎵器件主要生產(chǎn)工藝
一種是Qorvo和大部分廠商都采用的基于碳化硅SiC作為襯底的氮化鎵GaN射頻工藝。
一種是Macom主導(dǎo)的基于硅Si作為襯底的氮化鎵GaN射頻工藝。
兩種射頻工藝各有利弊，根據(jù)Qorvo的說法，相比基于硅Si作為襯底的氮化鎵GaN，基于碳化硅SiC作為襯底的氮化鎵GaN射頻工藝有著更高的功率密度和更好的熱傳導(dǎo)性。
4 需要解決的問題
①氮化鎵半導(dǎo)體材料較傳統(tǒng)硅半導(dǎo)體材料生產(chǎn)工藝相對(duì)復(fù)雜、成品率偏低。
②氮化鎵半導(dǎo)體材料價(jià)格偏高，采用氮化鎵半導(dǎo)體材料的MOS管價(jià)格是傳統(tǒng)硅半導(dǎo)體材料價(jià)格的近20倍。
③大量的氮化鎵半導(dǎo)體生產(chǎn)工藝及元器件專利掌握在歐美和日韓等國(guó)家手中，相當(dāng)部分的關(guān)鍵器件也依賴進(jìn)口。
5 氮化鎵應(yīng)用
通信領(lǐng)域：5G大功率基站GaN功率放大器主要應(yīng)用于5G大功率基站中，解決了5G移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)中面積小但數(shù)據(jù)流量請(qǐng)求相對(duì)集中的問題。5G毫米波基站GaN單片功率放大器，具有超大帶寬和超低時(shí)延等特點(diǎn)。
電動(dòng)汽車、光伏和智能電網(wǎng)等功率半導(dǎo)體領(lǐng)域：目前電動(dòng)汽車、光伏、智能電網(wǎng)等領(lǐng)域使用的IGBT是硅基材料，未來(lái)氮化鎵技術(shù)將進(jìn)一步取得突破，滲透進(jìn)IGBT半導(dǎo)體領(lǐng)域。另外目前很多手機(jī)的快速充電方案也采用了氮化鎵方案。尤其在600V左右電壓下，氮化鎵在電源管理、發(fā)電和功率輸出方面具有明顯的優(yōu)勢(shì)，這使得氮化鎵材料的電源產(chǎn)品更為輕薄和高效率，且氮化鎵充電插頭體積小、功率高，有機(jī)會(huì)在未來(lái)統(tǒng)一手機(jī)的充電器和通信電源市場(chǎng)。
軍用領(lǐng)域：目前已廣泛應(yīng)用于各種軍用雷達(dá)器件中，尤其是新型戰(zhàn)機(jī)的機(jī)載有源相控陣?yán)走_(dá)器件上。
電子領(lǐng)域：氮化鎵晶體管適用于高頻、高壓和高溫等場(chǎng)合，基于氮化鎵晶體管代替硅基MOSFET產(chǎn)生了帶有同步整流功能的硬開關(guān)半橋DC/DC電源模塊。使用氮化鎵晶體管可以使DC/DC電源模塊工作在較高頻率而不會(huì)帶來(lái)效率的大幅下降，同時(shí)使用小型LC濾波器即可實(shí)現(xiàn)低輸出紋波，具有體積小、效率高、紋波小和動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度快等優(yōu)點(diǎn)。
參考來(lái)源：
【1】盛璟，等.氮化鎵GaN的特性及其應(yīng)用現(xiàn)狀與發(fā)展.科學(xué)技術(shù)創(chuàng)新.2018.
【2】馮晨，等.氮化鎵半導(dǎo)體材料通信電源應(yīng)用.信息能源專題.2021.
【3】意法半導(dǎo)體氮化鎵功率半導(dǎo)體PowerGaN系列首發(fā)，讓電源能效更高、體積更纖薄.世界電子元器件.2022.
【4】QORVO官網(wǎng)
（中國(guó)粉體網(wǎng)編輯整理/星耀）