GaN射频应用优势明显，功率玩家厚积薄发

DT半导体材料 2022-07-19 18:00

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GaN中游我们可以将其分为器件设计、晶圆制造、封装测试三个部分。作为化合物半导体的一类，与SiC类似，全球产能普遍集中在IDM厂商上，不过相比于SiC，GaN在设计和制造环节正在往垂直分工的模式转变，不少专注GaN器件的Fabless公司正在有着越来越大的影响力。

器件设计

GaN器件设计根据类型我们可以分为三个部分，分别是：射频、功率和光电子，这次主要关注的是射频以及功率方面的应用。

GaN射频器件设计

GaN射频器件主要可以分为三种：大功率功放管（比如GaN射频 HEMT）、PA模块、5G毫米波等高频段MMIC（单片微波集成电路）。目前GaN已经在射频功率应用中成为LDMOS和GaAS的有力竞争对手。

为了提升性能，降低器件尺寸，GaN射频器件集成度在不断提高。随着5G等高频应用以及小尺寸需求提高，GaN工艺制程正在从0.25 µm-0.5 µm，向0.15 µm推进，射频领域领先的Qorvo甚至早已开始推进60 nm工艺，用于毫米波等更高频应用。

GaN射频器件目前主流采用GaN-on-SiC技术，占比约90%，其余采用GaN-on-Si技术。Wolfspeed凭借先发优势以及GaN-on-SiC技术，在射频应用的GaN HEMT专利上拥有领先地位。

Si基GaN技术在近几年由于成本优势、以及解决缺陷密度问题后，在射频领域有崛起的趋势。2022年5月，ST和MACOM宣布射频GaN-on-Si原型芯片制造成功，ST表示相关器件已达到成本和性能目标，完全能够与市场上现有的LDMOS和GaN-on-SiC技术展开有效竞争，同时这些原型即将进入认证测试和量产阶段，GaN-on-Si射频商用进程正在加速。

在GaN射频器件设计领域，海外主要玩家有：Wolfspeed、住友电工、东芝、富士通、三菱电机、MACOM、英飞凌、NXP、Qorvo、ADI、Raytheon。

国内主要玩家有：苏州能讯、中兴微电子、Ampleon（埃赋隆半导体，2015年建广资本全资收购NXP射频功率事业部后成立）、苏州本然微电子、中电科十三所、OMMIC（四川益丰）

GaN功率器件设计

GaN功率器件目前大多采用GaN-on-Si的技术，相比于昂贵的SiC衬底，采用Si衬底的GaN功率器件优势主要在中低压领域，市面上产品工作电压主流产品在1000 V以下，但近年也出现1200 V甚至更高电压的GaN-on-Si功率器件。在中低压领域，GaN-on-Si功率器件有望可以部分取代传统的Si基功率器件，比如在600 V以下，取代硅基IGBT。

除此之外，随着GaN单晶衬底的进一步成熟，垂直型GaN-on-GaN器件也受到很多厂商关注，各大高校、以及相关企业都在进行研究。相比于Si、SiC等衬底上的GaN外延层会因为晶格不匹配而产生缺陷，GaN衬底或GaN-on-GaN允许垂直传导的GaN 晶体管具有更少的缺陷。同时，垂直型结构GaN器件相比目前市面上主流的横向GaN器件，可以支持更高电压的应用。不过，目前垂直型GaN器件距离商业化还很遥远。

在GaN功率器件设计领域，海外主要玩家有：Wolfspeed、EPC、GaN Systems、 Power Integrations（PI）、Transphorm、Navitas、英飞凌、TI、安森美、松下、瑞萨、ST、GaNPower

国内主要玩家有：安世半导体、英诺赛科、氮矽科技、芯冠科技、东科半导体、聚能创芯、能华微电子、镓未来、芯干线

晶圆制造

目前来看，GaN射频器件领域供应商以IDM为主，GaN功率领域则偏向于选择代工，设计与制造环节分工，也就是Fablss模式要相比SiC产业更加广泛。不过与此同时，GaN国际企业上下游互相渗透的趋势也在一些传统IDM大厂中体现出来，比如Wolfspeed收购英飞凌的射频功率业务，利用其SiC衬底优势，加强其射频GaN-on-SiC技术的优势地位；NXP旗下6英寸射频GaN晶圆厂在2020年投产；ST收购GaN外延、器件厂商Exagan等等。

在制程工艺上，GaN HEMT射频器件的制程目前主流在0.5 µm-0.25 µm左右，逐渐向0.15 µm发展。而比如Qorvo、OMMIC等厂商，已经开始尝试60 nm的工艺去制造射频GaN器件，工艺制程的提升意味着可以实现更小的栅极长度，可以达到的频率也就越高。通常来说，器件工作频率越高，需要用到的工艺制程也越高。不过另一方面，据Qorvo介绍，GaN HEMT器件中电压和栅极长度也成正比，所以当采用更高的工艺制程，获得更高频率时，往往器件输出功率也会较低。

海外主要玩家有：Wolfspeed、住友电工、东芝、富士通、松下、三菱电机、MACOM、英飞凌、NXP、Qorvo、ADI、、TI、Transphorm、ST、X-Fab、UMS、OMMIC、环宇通讯半导体（GCS）

国内主要玩家有：海威华芯、三安集成、英诺赛科、能华微电子、苏州能讯、芯冠科技、东科半导体、中电科十三所、安世半导体、聚能创芯、OMMIC（四川益丰）、TSMC（中国台湾）、稳懋（中国台湾）、世界先进（中国台湾）、汉磊科技（中国台湾）

封装测试

GaN领域的封测环节，在光电子领域有比如德豪润达、木林森等专注LED封装的企业，射频以及功率应用的封测部分企业如下。

海外主要企业：Wolfspeed、住友电工、东芝、富士通、松下、三菱电机、英飞凌、TI、NXP、Qorvo、ADI、MACOM、Transphorm、Amkor

国内主要企业：英诺赛科、苏州能讯、东科半导体、长电科技、通富微电、天水华天、TSMC（中国台湾）、日月光（中国台湾）

小结

无论是在射频还是功率应用中，GaN器件是处于多种技术路线百花齐放的局面，包括衬底、结构等，都未有行业公认的最佳发展路线。这或许意味着，GaN器件未来会针对更多细分应用，通过多种技术路线的优势去打细分市场，毕竟技术路线没有好坏之分，只是需要衡量性能与成本找到合适的应用领域。

而从中游的情况来看，越来越多厂商加入到GaN功率器件的领域中，随着电力电子行业的发展，传统Si功率器件也将会受到越来越大的冲击。与此同时，GaN中游设计、制造、封测三方面，海外公司的技术实力和产能优势都较为明显，特别在射频领域上。但随着GaN电力电子应用进一步铺开，国内企业将会在GaN市场上占得一席之地。

来源：核芯产业观察