5G与快充的宠儿——深度解析 GaN 产业链

2019-05-02 19:12:50 66点赞 324收藏 42评论

本文经公众号芯智讯授权转载,原标题《5G应用的关键材料,一文看懂GaN产业链!》,作者:芯智讯-浪客剑,未经允许请勿转载。

随着技术的发展,终端设备对于半导体器件性能、效率、小型化要求的越来越高。特别是随着5G的即将到来,也进一步推动了以氮化镓( GaN)第三代半导体材料的快速发展。


一、什么是GaN?

GaN是极稳定的化合物,又是坚硬的高熔点材料,熔点约为1700℃,GaN具有高的电离度,在Ⅲ—Ⅴ族化合物中是最高的(0.5或0.43)。在大气压力下,GaN晶体一般是六方纤锌矿结构。

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GaN 器件逐步步入成熟阶段

氮化镓技术可以追溯到 1970 年代,美国无线电公司(RCA)开发了一种氮化镓工艺来制造 LED。自上世纪90年代开始,基于GaN的LED大放异彩,目前已是LED的主流。现在市场上销售的很多 LED 就是使用蓝宝石衬底的氮化镓技术。

除了 LED,氮化镓也被使用到了功率半导体与射频器件上。基于氮化镓的功率芯片正在市场站稳脚跟。2010年,第一个GaN功率器件由IR投入市场,2014年以后,600V GaN HEMT已经成为GaN器件主流。2014年,行业首次在8英寸SiC(碳化硅)上生长GaN器件。

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GaN 在电力电子领域与微波射频领域均有优势

①、GaN 在电力电子领域:高效率、低损耗与高频率

高转换效率:GaN的禁带宽度是Si的3倍,击穿电场是Si的10倍。因此,同样额定电压的GaN开关功率器件的导通电阻比Si器件低3个数量级,大大降低了开关的导通损耗。

低导通损耗:GaN的禁带宽度是Si的3倍,击穿电场是Si的10倍。因此,同样额定电压的GaN开关功率器件的导通电阻比Si器件低3个数量级,大大降低了开关的导通损耗。

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▲Si 功率器件开关速度慢,能量损耗大

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▲GaN 开关速度快,可大幅度提升效率

高工作频率:GaN开关器件寄生电容小,工作效率可以比Si器件提升至少20倍,大大减小了电路中储能原件如电容、电感的体积,从而成倍地减少设备体积,减少铜等贵重原材料的消耗。

②、GaN 在微波射频领域:高效率、大带宽与高功率

更高功率:GaN 上的电子具有高饱和速度(在非常高的电场下的电子速度)。结合大电荷能力,这意味着 GaN 器件可以提供更高的电流密度。RF 功率输出是电压和电流摆动的乘积,因此更高的电压和电流密度可以在实际尺寸的晶体管中产生更高的 RF 功率。在4GHz以上频段,可以输出比GaAs高得多的频率,特别适合雷达、卫星通信、中继通信等领域。

更高效率:降低功耗,节省电能,降低散热成本,降低总运行成本。

更大的带宽:提高信息携带量,用更少的器件实现多频率覆盖,降低客户产品成本。也适用于扩频通信、电子对抗等领域。

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另外值得一提的是,GaN-on-SiC 器件具有出色的热性能,这主要归功于 SiC 的高导热性。实际上,这意味着 GaN-on-SiC 器件在耗散相同功率时不会像 GaAs 或 Si 器件那样热。“较冷”设备意味着更可靠的设备。

与第二代半导体材料GaAs相比优势明显

GaN 器件的功率密度是砷化镓(GaAs)器件的十倍。GaN 器件的更高功率密度使其能够提供更宽的带宽,更高的放大器增益和更高的效率,这是由于器件外围更小。

GaN 场效应晶体管(FET)器件的工作电压可以比同类 GaAs 器件高五倍。由于 GaN FET 器件可以在更高的电压下工作,因此设计人员可以更轻松地在窄带放大器设计上实现阻抗匹配。阻抗匹配是以这样的方式设计电负载的输入阻抗的实践,其最大化从设备到负载的功率传输。

GaN FET 器件的电流是 GaAs FET 器件的两倍。由于 GaN FET 器件可提供的电流是 GaAs FET 器件的两倍,因此 GaN FET 器件具有更高的带宽能力。大部分的半导体器件对于温度的变化都是非常敏感的,为了保证可靠性,半导体的温度变化必须被控制在一定范围内。热管理对于 RF 系统来说尤其重要,因为它们本身能量损耗就比较高,会带来比较严重的散热问题。GaN 在保持低温方面有其独特优势,另外即使在温度较高的情况下,相比于硅其性能影响较小。例如 100 万小时失效时间中位数 MTTF 显示,GaN 比 GaAs 的工作温度可以高 50 摄氏度。

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▲GaAs 与 GaN 的可靠性比较

与其他半导体(如 Si 和 GaAs)相比,GaN 是一种相对较新的技术,但它已成为高射频,高耗电应用的首选技术,如长距离或高端功率传输信号所需的应用 (如雷达,基站收发信台[BTS],卫星通信,电子战[EW]等)。

随着成本降低,GaN 市场空间巨大

随着成本降低,GaN市场空间巨大。GaN与SiC、Si材料各有其优势领域,但是也有重叠的地方。GaN材料电子饱和漂移速率最高,适合高频率应用场景,但是在高压高功率场景不如SiC;随着成本的下降,GaN有望在中低功率领域替代二极管、IGBT、MOSFET等硅基功率器件。以电压来分,0~300V是Si材料占据优势,600V以上是SiC占据优势,300V~600V之间则是GaN材料的优势领域。

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根据Yole估计,在0~900V的低压市场,GaN都有较大的应用潜力,这一块占据整个功率市场约68%的比重,按照整体市场154亿美元来看,GaN潜在市场超过100亿美元。

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GaN RF 市场即将大放异彩。根于 Yole 的预测,在通信和国防应用的推动下 RF GaN 产业在 2017 年至 2023 年期间的复合年增长率将会达到的 23%。截至 2017 年底 RF GaN 市场总量接近 3.8 亿美元,2023 年将达到13 亿美元以上。基于 RF 的 GaN 技术也在不断创新以满足工业界需求。国防应用是 RF GaN 的主要市场领域,这是因为 GaN 产品具有专业的高性能要求和低价格优势。2017-2018 年间,国防应用占 GaN射频市场总量的 35%以上,目前全球国防市场在 GaN 领域没有放缓迹象。

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二、GaN 市场:射频是主战场,5G 是重要机遇

GaN 是射频器件的合适材料

目前射频市场主要有三种工艺:GaAs 工艺,基于 Si 的 LDMOS(横向扩散金属氧化物半导体)工艺,以及 GaN 工艺。GaAs 器件的缺点是器件功率较低,低于 50W。

LDMOS 器件的缺点是工作频率存在极限,最高有效频率在 3GHz 以下。GaN 弥补了GaAs 和 Si 基 LDMOS 两种老式技术之间的缺陷,在体现 GaAs 高频性能的同时,结合了 Si 基 LDMOS 的功率处理能力。

在射频 PA 市场, LDMOS PA 带宽会随着频率的增加而大幅减少,仅在不超过约3.5GHz 的频率范围内有效,采用 0.25 微米工艺的 GaN 器件频率可以高达其 4 倍,带宽可增加 20%,功率密度可达 6~8 W/mm(LDMOS 为 1~2W/mm),且无故障工作时间可达 100 万小时,更耐用,综合性能优势明显。

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在更高的频段(以及低功率范围),GaAs PA 是目前市场主流,出货占比占 9 成以上,与 GaAs RF 器件相比,GaN 优势主要在于带隙宽度与热导率。带隙宽度方面,GaN 的带隙电压高于 GaAs(3.4 eV VS1.42 eV),GaN 器件具有更高的击穿电压,能满足更高的功率需求。热导率方面,GaN-on-SiC 的热导率远高于 GaAs,这意味着器件中的功耗可以更容易地转移到周围环境中,散热性更好。

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GaN 是 5G 应用中的关键技术

5G 将带来半导体材料革命性的变化,随着通讯频段向高频迁移,基站和通信设备需要支持高频性能的射频器件,GaN 的优势将逐步凸显,这正是前一节讨论的地方。正是这一优势,使得 GaN 成为 5G 的关键技术。

在 Massive MIMO 应用中,基站收发信机上使用大数量(如 32/64 等)的阵列天线来实现了更大的无线数据流量和连接可靠性,这种架构需要相应的射频收发单元阵列配套,因此射频器件的数量将大为增加,使得器件的尺寸大小很关键,利用 GaN 的尺寸小、效率高和功率密度大的特点可实现高集化的解决方案,如模块化射频前端器件。除了基站射频收发单元陈列中所需的射频器件数量大为增加,基站密度和基站数量也会大为增加,因此相比 3G、4G 时代,5G 时代的射频器件将会以几十倍、甚至上百倍的数量增加。在 5G 毫米波应用上,GaN 的高功率密度特性在实现相同覆盖条件及用户追踪功能下,可有效减少收发通道数及整体方案的尺寸。

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2018 年 12 月,Qorvo 发布行业首款 28 Ghz GaN 前端模块 QPF4001 FEM,在单个 MMIC 中集成了高线性度 LNA、低损耗发射/接收开关和高增益、高效率多级 PA。针对 5G 基站架构中间隔 28 GHz 的相控阵元件,对紧凑对紧凑型 5x4 毫米气腔层表贴封装进行了优化。该模块采用了 Qorvo 的高效率 0.15 微米 GaN-on-SiC 技术。

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GaN 电力电子器件典型应用:快充电源

GaN 电力电子器件方面典型应用市场是电源设备。由于结构中包含可以实现高速性能的异质结二维电子气,GaN 器件相比于 SiC 器件拥有更高的工作频率,加之可承受电压要低于 SiC 器件,所以 GaN 电力电子器件更适合高频率、小体积、成本敏感、功率要求低的电源领域,如轻量化的消费电子电源适配器、无人机用超轻电源、无线充电设备等。

GaN 电力电子器件增速最快的是快充市场。2018 年,世界第一家 GaN IC 厂商Navitas 和 Exagan 推出了带有集成 GaN 解决方案(GaNFast™)的 45W 快速充电电源适配器,此 45W 充电器与 Apple USB-C 充电器相比,两者功率相差不大,但是体积上完全是不同的级别,内置 GaN 充电器比苹果充电器体积减少 40%。目前来看,采用GaN 材料的快速充电器已成星火燎原之势,有望成为行业主流。

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三、GaN 产业链梳理

典型的 GaN 射频器件的加工工艺主要包括外延生长-器件隔离-欧姆接触(制作源极、漏极)-氮化物钝化-栅极制作-场板制作-衬底减薄-衬底通孔等环节。

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▲典型的 GaN 工艺流程

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GaN与SiC产业链类似,GaN器件产业链各环节依次为:GaN单晶衬底(或SiC、蓝宝石、Si)→GaN材料外延→器件设计→器件制造。目前产业以IDM企业为主,但是设计与制造环节已经开始出现分工,如传统硅晶圆代工厂台积电开始提供GaN制程代工服务,国内的三安集成也有成熟的GaN制程代工服务。各环节相关企业来看,基本以欧美企业为主,中国企业已经有所涉足。

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GaN衬底:主流产品以2~3英寸为主,4英寸也已经实现商用。GaN衬底主要由日本公司主导,日本住友电工的市场份额达到90%以上。我国目前已实现产业化的企业包括苏州纳米所的苏州纳维科技公司和北京大学的东莞市中镓半导体科技公司。

GaN外延片:根据衬底的不同主要分为GaN-on-Si、GaN-on-SiC、GaN-on-sapphire、GaN-on-GaN四种。

GaN-on-Si:目前行业生产良率较低,但是在降低成本方面有着巨大的潜力:因为Si是最成熟、无缺陷、成本最低的衬底材料;同时Si可以扩展到8寸晶圆厂,降低单位生产成本,使其晶圆成本与SiC基相比只有其百分之一;Si的生长速度是于SiC晶体材料的200至300倍,还有相应的晶圆厂设备折旧以及能耗成本上的差别等。GaN-on-Si外延片主要用于制造电力电子器件,其技术趋势是优化大尺寸外延技术。

GaN-on-SiC:结合了SiC优异的导热性和的GaN高功率密度和低损耗的能力,是RF的合适材料。受限于SiC的衬底,目前尺寸仍然限制在4寸与6寸,8寸还没有推广。GaN-on-SiC外延片主要用于制造微波射频器件。

GaN-on- sapphire:主要应用在LED市场,主流尺寸为4英寸,蓝宝石衬底GaN LED芯片市场占有率达到90%以上。

GaN- on- GaN:采用同质衬底的GaN主要应用市场是蓝/绿光激光器,应用于激光显示、激光存储、激光照明等领域。

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GaN外延片相关企业主要有比利时的EpiGaN、英国的IQE、日本的NTT-AT。中国厂商有苏州晶湛、苏州能华和世纪金光,苏州晶湛2014年就已研发出8”硅基外延片,现阶段已能批量生产。苏州能华主要面向太阳能发电、电力传输等电力领域。世纪金光在SiC、GaN领域的粉料、单晶、外延、器件和模块都有涉及。

GaN器件设计与制造:GaN器件分为射频器件和电力电子器件,射频器件产品包括PA、LNA、开关器、MMIC等,面向基站卫星、雷达等市场;电力电子器件产品包括SBD、常关型FET、常开型FET、级联(Cascode)FET等产品,面向无线充电、电源开关、包络跟踪、逆变器、变流器等市场。

按工艺分,则分为HEMT、HBT射频工艺和SBD、Power FET电力电子器件工艺两大类。

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GaN器件设计厂商(Fabless)方面,有美国的EPC、MACOM、Transphom、Navitas,德国的Dialog,国内有被中资收购的安谱隆(Ampleon)等。

全球 GaN 射频器件独立设计生产供应商(IDM)中,住友电工和 Cree 是行业的龙头企业,市场占有率均超过 30%,其次为 Qorvo 和 MACOM。住友电工在无线通信领域市场份额较大,其已成为华为核心供应商,为华为 GaN射频器件最大供应商。Cree 收购英飞凌 RF 部门后实力大增,LDMOS产品和 GaN 产品在全球都比较有竞争力。Qorvo 在国防和航天领域市场份额排名第一。此外,还有法国Exagan、荷兰NXP、德国英飞凌、日本三菱电机、美国Ⅱ-Ⅵ等。

中国 GaN 器件 IDM 企业有苏州能讯、英诺赛科、江苏能华等,大连芯冠科技正在布局,海威华芯和三安集成可提供 GaN 器件代工服务,其中海威华芯主要为军工服务。中电科 13 所、55 所同样拥有 GaN 器件制造能力。

GaN代工厂商主要有美国环宇通讯半导体(GCS)、稳懋半导体、日本富士通、Cree、台湾嘉晶电子、台积电、欧洲联合微波半导体公司(UMS),以及中国的三安集成和海威华芯。此前恩智浦 RF 部门(安谱隆前身) 、英飞凌 RF 部门(已出售给 Cree)、韩国 RFHIC 将 GaN 射频器件委托Cree 公司代工。MACOM 收购 Nitronex 在 2011 年就与环宇通讯半导体(GCS)公司合作生产 Si 基 GaN 器件,一直合作至今。2016 年三安光电收购 GCS 被美国否决,其后三安光电与 GCS 合资设立厦门三安环宇集成电路公司,前期主要生产 6 英寸 GaAs 晶圆。

总结来看,目前美日欧厂商在GaN等第三代半导体材料技术上处于领先地位。相比之下,大陆在GaN领域还是较为弱势,主要还是依赖于国外代工厂商。


四、专利分布

从专利角度看,住友电工是 RF GaN 器件的市场的领军者,但是相比于 Cree 仍然有不小差距。住友电工在专利方面目前有所放缓,而其他日本公司如富士通,东芝和三菱电机正在增加其专利申请,目前也拥有强大的专利组合。英特尔和 MACOM 目前是 RF GaN 领域最活跃申请专利的两家公司,尤其是 GaN-on-Silicon 技术,如今这两家公司在 RF GaN 专利领域拥有重要 IP。参与 RF GaN 市场的其他公司,如 Qorvo,Raytheon,Northrop Grumman,恩智浦/飞思卡尔和英飞凌,拥有一些关键专利,但知识产权地位仍然相对薄弱。

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▲RF GaN 方面关键 IP 玩家

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中国电子科技集团和西安电子科技大学在中国专利领域占主导地位,拥有针对微波和毫米波应用的 GaN 射频技术专利。中国公司 HiWafer 作为新兴的代工厂,也逐渐在 GaN专利方面占有一席之地。

总体来说,RF GaN 领域方面,依然是被美国和日本公司主导。

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