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氮化鎵（GaN）是一種寬禁帶半導體材料，其禁帶寬度達到 3.4eV，是最具代表性的第三代半導體材料。
除了更寬的禁帶寬度，氮化鎵還具備更高的擊穿電場、更高的熱導率、更高的電子飽和速率，以及更優(yōu)的抗輻照能力，這些特性對于電力電子、射頻和光電子應用有獨特優(yōu)勢。
GaN產業(yè)上游主要包括襯底與外延片的制備，下游是GaN芯片元器件的設計和制造。襯底的選擇對于器件性能至關重要，襯底也占據了大部分成本，因而襯底制備是降低GaN器件成本的突破口。
襯底
GaN單晶襯底以2-4英寸為主，4英寸已實現商用，6英寸樣本正開發(fā)。GaN單晶襯底的主要制備方法有氫化物氣相外延法（HVPE）、氨熱法和助熔劑法。
HVPE 方法生長速率快，易得到大尺寸晶體，是目前商業(yè)上提供GaN單晶襯底的主要方法，其缺點是成本高、晶體位錯密度高、曲率半徑小，且會造成環(huán)境污染。
氨熱法生長技術結晶質量高，可以在多個籽晶上生長，易規(guī)?；a，可以顯著降低成本，缺點是生長壓力較高，生長速率低。
助熔劑法生長條件相對溫和，對生長裝備要求低，可以生長出大尺寸的GaN單晶，缺點是易于自發(fā)成核形成多晶，難以生長出較厚的GaN晶體。
利用各種生長方法優(yōu)勢互補解決單一生長方法存在的問題是解決GaN單晶晶體質量、成本和規(guī)模量產的有效途徑。2021年，三菱化學宣布采用低壓酸性氨熱法（LPAAT）開發(fā)出4英寸GaN單晶襯底，且晶體缺陷僅為普通GaN襯底的1/00-1/1000。三菱化學于2022年推出4英寸GaN單晶襯底。
開發(fā)生長尺寸更大、良率更高的GaN晶體制備方法將是GaN器件降本增效的關鍵，是能否在諸多下游應用領域滲透放量的關鍵。
目前，GaN材料主要有兩種襯底技術，分別是GaN-on-Si（硅基氮化鎵）和GaN-on-SiC（碳化硅基氮化鎵）。另外，還有GaN-on-sapphire和GaN-on-GaN，不過這兩種襯底的應用市場很有限。
GaN-on-SiC射頻器件可應用于5G宏基站、衛(wèi)星通信、微波雷達、航空航天等軍事/民用領域；GaN-on-Si可制成功率器件，可在大功率快充充電器、新能源車、數據中心等領域實現快速滲透；GaN-on-sapphire和GaN-on-GaN可制成光電器件，GaN光電器件在MiniLED、MicroLED、傳統LED照明領域應用優(yōu)勢突出。
在性能方面，GaN-on-SiC相對更好，但價格明顯高于GaN-on-Si。GaN-on-SiC結合了SiC優(yōu)異的導熱性，以及GaN的高功率密度、低損耗能力，與Si相比，SiC是一種非常“耗散”的襯底，此基板上的器件可以在高電壓和高漏極電流下運行，結溫將隨射頻功率而緩慢升高，因此，其射頻性能更好，是射頻應用的理想材料。在相同的耗散條件下，SiC器件的可靠性和使用壽命更好。另外，SiC具有高電阻特性：這非常有利于毫米波傳輸，這在設計帶有大型匹配電路的高頻MMIC時很有價值。但是，SiC襯底仍然限制在4英寸與6英寸晶圓，8英寸的還沒有推廣。
GaN-on-SiC和GaN-on-Si應用的發(fā)展趨勢（來源：YOLE）
目前，業(yè)界多數商用RF GaN器件采用GaN-on-SiC襯底。
SiC獨特的電子和熱性能使其非常適合高功率和高頻半導體器件,其性能遠超過Si或GaAs。GaN-on-SiC技術的關鍵優(yōu)勢包括降低開關損耗、更高的功率密度、更好的散熱和更高的帶寬容量。在系統層面，可以實現高度緊湊的解決方案，大大提高功率效率，降低成本。
與GaN-on-SiC相比，GaN-on-Si最大的優(yōu)勢就是襯底成本低，此外，GaN-on-Si生長速度較快，也較容易擴展到8英寸晶圓。雖然GaN-on-Si性能略遜于GaN-on-SiC，但目前工藝水平制造的器件已能達到 LDMOS 原始功率密度的5-8 倍，在高于2GHz的頻率工作時，成本與同等性能的LDMOS 相差不大。還有一點很重要，那就是GaN-on-Si是硅基技術，與CMOS工藝兼容性好，使GaN器件與CMOS工藝器件能很好地集成在一個芯片上，可以利用現有硅晶圓代工廠已有的規(guī)模生產優(yōu)勢，實現產品的規(guī)模量產和快速上市。這使得GaN-on-Si成為市場的潛力股，未來有望大量導入5G基站用射頻PA。
從應用發(fā)展角度來看，5G通信對射頻元器件的需求正在快速增加過程中，需要大批量、低成本的GaN射頻芯片，而這也給GaN-on-Si提供了發(fā)展契機。
目前來看，GaN-on-Si商用仍處于起步階段，但基于該材料制造的射頻PA憑借高帶寬和小尺寸吸引了智能手機OEM。隨著關鍵廠商的技術進步，一些低于6GHz的5G手機很可能很快采用。
隨著晶圓代工廠的進入，以及與新興GaN-on-Si功率電子器件產業(yè)的協同效應正在加速其RF應用發(fā)展。有統計顯示，在手持設備、國防和5G電信基礎設施的推動下，預計到2026年，GaN-on-Si器件市場復合年增長率將達到86%。
外延片
由于GaN的熔點很高，且飽和蒸汽壓較高，在自然界無法以單晶形式存在，必須采用外延法進行制備。MOCVD（金屬有機物氣相沉積法），MBE（分子束外延法），HVPE（氫化物氣相外延法）等是比較傳統的 GaN外延片制備方法。
MOCVD工藝以三甲基鎵作為鎵源，氨氣（NH3）作為氮源，以藍寶石(Al2O3)作為襯底，并用氫氣和氮氣的混合氣體作為載氣，將反應物載入反應腔內，加熱到一定溫度，使其發(fā)生反應，在襯底表面上吸附、成核、生長，最終形成一層GaN單晶薄膜。采用MOCVD法制備外延片的產量大，生長周期短，適合用于大批量生產。
MBE法制備GaN與MOCVD法類似，主要區(qū)別在于鎵源的不同。MBE法的鎵源通常采用 Ga的分子束，用該方法可以在相對低的溫度下實現GaN的生長，一般為700 ℃左右。但外延層較厚的膜反應時間較長，在生產中發(fā)揮的效率欠佳，因此，該方法尚不能用于大規(guī)模生產。
HVPE法與上述兩種方法的區(qū)別在于鎵源，通常以氯化物GaCl3為鎵源，NH3為氮源，在襯底上以1000 ℃左右的溫度生長出GaN晶體。此方法生成的GaN晶體質量較好，高溫下生長速度快，但高溫反應對設備、成本與技術要求都比較高。
產業(yè)格局
從GaN產業(yè)鏈各環(huán)節(jié)來看，歐美日企業(yè)發(fā)展較早，技術積累、專利申請數量、規(guī)模制造能力等方面均處于絕對優(yōu)勢。中國在自主替代大趨勢下，目前在產業(yè)鏈各環(huán)節(jié)均有所涉足，在政策支持下已在技術與生產方面取得一定進步。
全球范圍內，無論是上游的襯底和外延片，還是中下游的芯片設計、制造，GaN產業(yè)鏈大都被美日歐的龍頭企業(yè)把持著，如日本住友、羅姆，美國的Wolfspeed（Cree改名后的）、II-VI，德國英飛凌，韓國LG、三星等。
GaN-on-SiC襯底方面，Wolfspeed等傳統大廠都傾向于采用該方案，GaN-on-Si方面，目前來看，MACOM，Ommic等國際廠商在重點研發(fā)基站用GaN-on-Si射頻和功率芯片（包括Sub-6GHz和毫米波兩大頻段）。特別是MACOM，該公司是GaN-on-Si工藝的主要倡導者。
在射頻應用方面，Wolfspeed擁有最強的實力，在射頻應用的 GaN HEMT 專利競爭中，尤其在GaN-on-SiC技術方面，該公司處于領先地位。英特爾和MACOM是最活躍的射頻GaN專利申請者，主要聚焦在GaN-on-Si技術領域。
意法半導體和MACOM聯合研制出了RF GaN-on-Si原型芯片。據悉，意法半導體制造的RF GaN-on-Si原型晶圓和相關器件已達到成本和性能目標，完全能夠與市場上現有的LDMOS和 GaN-on-SiC技術展開有效競爭。現在，這些原型已經進入認證測試和量產階段。該公司正在和MACOM研究如何加大投入力度，以加快RF GaN-on-Si產品上市。
今年3月，英飛凌以8.3億美元（57億人民幣）收購了GaN Systems公司，并斥資20億歐元擴充其位于馬來西亞居林和奧地利菲拉赫晶圓廠的GaN芯片產能。英飛凌功率和傳感器系統總裁懷特表示，英飛凌特別看好GaN，該公司預測，到2027年，GaN芯片市場將以每年56%的速度增長。
在中國大陸地區(qū)，GaN產業(yè)還處于起步階段。本土IDM代表企業(yè)有三安光電、英諾賽科、士蘭微電子、蘇州能訊、江蘇能華、大連芯冠科技等，Fabless企業(yè)主要有華為海思、安譜隆等，同時，海威華芯和三安集成可提供GaN芯片晶圓代工服務。
在襯底材料方面，天岳先進、三安光電、天科合達、英諾賽科等中國本土企業(yè)在全球范圍內的合計市占率比較低，在10%左右，三安光電，英諾賽科等廠商在重點研發(fā)基站用GaN-on-Si射頻和功率芯片（包括Sub-6GHz和毫米波兩大頻段）。外延片方面，代表企業(yè)包括蘇州晶湛、聚能晶源和聚燦光電。GaN射頻HEMT相關專利方面，中國的海威華芯、三安集成和華進創(chuàng)威等開始涉足，爭取在國際大廠把持的GaN專利領域分得一杯羹。
作者：暢秋
