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氮化镓:最具潜质第三代半导体材料

发布日期:2020-12-07 浏览次数:4112 来源:乐晴智库精选
   随着市场对半导体性能的要求不断提高,第三代半导体等新型化合物材料凭借其性能优势开始崭露头角,成为行业未来重要增长点。
 
  相对于第一代(硅基)半导体,第三代半导体禁带宽度大,电导率高、热导率高。第三代半导体的禁带宽度是第一代和第二代半导体禁带宽度的近3倍,具有更强的耐高压、高功率能力。
 
  氮化镓(GaN)和碳化硅(SiC)并称为第三代半导体材料的双雄,由于性能不同,二者的应用领域也不相同。
 
  氮化镓具备高电流密度等优势,可显著减少电力损耗和散热负载,迅速应用于变频器、稳压器、变压器、无线充电等领域,是未来最具增长潜质的化合物半导体。
 
  与GaAs和InP等高频工艺相比,氮化镓器件输出的功率更大;与LDCMOS和SiC等功率工艺相比,氮化镓的频率特性更好。
 
  随着行业大规模商用,氮化镓生产成本有望迅速下降,进一步刺激氮化镓器件渗透,有望成为消费电子领域下一个杀手级应用。
 
  氮化镓(GaN)主要应用于生产功率器件,目前GaN器件有三分之二应用于军工电子,如军事通讯、电子干扰、雷达等领域。
 
  在民用领域,氮化镓主要被应用于通讯基站、功率器件等领域。氮化镓基站PA的功放效率较其他材料更高,因而能节省大量电能,且其可以几乎覆盖无线通讯的所有频段,功率密度大,能够减少基站体积和质量。
 
  氮化镓在光电子、高温大功率器件和高频微波器件应用方面有着广阔的前景。随着5G高频通信的商业化,GaN将在电信宏基站、真空管在雷达和航空电子应用中占有更多份额。
 
  根据Yole估计,大多数Sub6GHz的蜂窝网络都将采用氮化镓器件,因为LDMOS无法承受如此之高的频率,而砷化镓对于高功率应用又非理想之选。
 
  同时,由于较高的频率会降低每个基站的覆盖范围,需要安装更多的晶体管,因此市场规模将迅速扩大。
 
  Yole预测,GaN器件收入目前占整个市场20%左右,到2025年将占到50%以上,氮化镓功率器件规模有望达到4.5亿美元。
 
  从产业链方面来看,氮化镓分为衬底、外延片和器件环节。
 
  尽管碳化硅被更多地作为衬底材料(相较于氮化镓),国内仍有从事氮化镓单晶生长的企业,主要有苏州纳维、东莞中镓、上海镓特和芯元基等。
 
  从事氮化镓外延片的国内厂商主要有三安光电、赛微电子、海陆重工、晶湛半导体、江苏能华、英诺赛科等。
 
  从事氮化镓器件的厂商主要有三安光电、闻泰科技、赛微电子、聚灿光电、乾照光电等。
 
  GaN技术的难点在于晶圆制备工艺,欧美日在此方面优势明显。由于将GaN晶体熔融所需气压极高,须采用外延技术生长GaN晶体来制备晶圆。
 
  其中日本住友电工是全球最大GaN晶圆生产商,占据了90%以上的市场份额。GaN全球产能集中于IDM厂商,逐渐向垂直分工合作模式转变。美国Qorvo、日本住友电工、中国苏州能讯等均以IDM模式运营。
 
  近年来随着产品和市场的多样化,开始呈现设计业与制造业分工的合作模式。
 
  尤其在GaN电力电子器件市场,由于中国台湾地区的台积电公司和世界先进公司开放了代工产能,美国Transphorm、EPC、Navitas、加拿大GaNSystems等设计企业开始涌现。
 
  在射频器件领域,目前LDMOS(横向扩散金属氧化物半导体)、GaAs(砷化镓)、GaN(氮化镓)三者占比相差不大,但据YoLEDevelopment预测,至2025年,砷化镓市场份额基本维持不变的情况下,氮化镓有望替代大部分LDMOS份额,占据射频器件市场约50%的份额。
 
  GaAs芯片已广泛应用于手机/WiFi等消费品电子领域,GaNPA具有最高功率、增益和效率,但成本相对较高、工艺成熟度略低,目前在近距离信号传输和军工电子方面应用较多。
 
  经过多年的发展,国内拥有昂瑞微、华为海思、紫光展锐、卓胜微、唯捷创芯等20多家射频有源器件供应商。
 
  根据2019年底昂瑞微董事长发表的题为《全球5G射频前端发展趋势和中国公司的应对之策》的报告显示,截至报告日,国内厂家在2G/3G市场占有率高达95%;在4G方面有30%的占有率,产品以中低端为主,销售额占比仅有10%。
 
  目前我国半导体领域为中美科技等领域摩擦中的卡脖子方向,是中国科技崛起不可回避的环节,产业链高自主、高可控仍是未来的重点方向。第三代半导体相对硅基半导体偏低投入、较小差距有望得到重点支持,并具备弯道超车的可能。
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