GaN中游我們可以將其分為器件設計、晶圓制造、封裝測試三個部分。作為化合物半導體的一類,與SiC類似,全球產(chǎn)能普遍集中在IDM廠商上,不過相比于SiC,GaN在設計和制造環(huán)節(jié)正在往垂直分工的模式轉(zhuǎn)變,不少專注GaN器件的Fabless公司正在有著越來越大的影響力。
GaN器件設計根據(jù)類型我們可以分為三個部分,分別是:射頻、功率和光電子,這次主要關注的是射頻以及功率方面的應用。
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GaN射頻器件設計GaN射頻器件主要可以分為三種:大功率功放管(比如GaN射頻 HEMT)、PA模塊、5G毫米波等高頻段MMIC(單片微波集成電路)。目前GaN已經(jīng)在射頻功率應用中成為LDMOS和GaAS的有力競爭對手。 為了提升性能,降低器件尺寸,GaN射頻器件集成度在不斷提高。隨著5G等高頻應用以及小尺寸需求提高,GaN工藝制程正在從0.25μm-0.5μm,向0.15μm推進,射頻領域領先的Qorvo甚至早已開始推進60nm工藝,用于毫米波等更高頻應用。 GaN射頻器件目前主流采用GaN-on-SiC技術,占比約90%,其余采用GaN-on-Si技術。Wolfspeed憑借先發(fā)優(yōu)勢以及GaN-on-SiC技術,在射頻應用的GaN HEMT專利上擁有領先地位。 Si基GaN技術在近幾年由于成本優(yōu)勢、以及解決缺陷密度問題后,在射頻領域有崛起的趨勢。2022年5月,ST和MACOM宣布射頻GaN-on-Si原型芯片制造成功,ST表示相關器件已達到成本和性能目標,完全能夠與市場上現(xiàn)有的LDMOS和GaN-on-SiC技術展開有效競爭,同時這些原型即將進入認證測試和量產(chǎn)階段,GaN-on-Si射頻商用進程正在加速。 在GaN射頻器件設計領域,海外主要玩家有:Wolfspeed、住友電工、東芝、富士通、三菱電機、MACOM、英飛凌、NXP、Qorvo、ADI、Raytheon。 國內(nèi)主要玩家有:蘇州能訊、中興微電子、Ampleon(埃賦隆半導體,2015年建廣資本全資收購NXP射頻功率事業(yè)部后成立)、蘇州本然微電子、中電科十三所、OMMIC(四川益豐) GaN功率器件設計
GaN功率器件目前大多采用GaN-on-Si的技術,相比于昂貴的SiC襯底,采用Si襯底的GaN功率器件優(yōu)勢主要在中低壓領域,市面上產(chǎn)品工作電壓主流產(chǎn)品在1000V以下,但近年也出現(xiàn)1200V甚至更高電壓的GaN-on-Si功率器件。在中低壓領域,GaN-on-Si功率器件有望可以部分取代傳統(tǒng)的Si基功率器件,比如在600V以下,取代硅基IGBT。 除此之外,隨著GaN單晶襯底的進一步成熟,垂直型GaN-on-GaN器件也受到很多廠商關注,各大高校、以及相關企業(yè)都在進行研究。相比于Si、SiC等襯底上的GaN外延層會因為晶格不匹配而產(chǎn)生缺陷,GaN襯底或GaN-on-GaN允許垂直傳導的GaN 晶體管具有更少的缺陷。同時,垂直型結構GaN器件相比目前市面上主流的橫向GaN器件,可以支持更高電壓的應用。不過,目前垂直型GaN器件距離商業(yè)化還很遙遠。 在GaN功率器件設計領域,海外主要玩家有:Wolfspeed、EPC、GaN Systems、 Power Integrations(PI)、Transphorm、Navitas、英飛凌、TI、安森美、松下、瑞薩、ST、GaNPower 國內(nèi)主要玩家有:安世半導體、英諾賽科、氮矽科技、芯冠科技、東科半導體、聚能創(chuàng)芯、能華微電子、鎵未來、芯干線
目前來看,GaN射頻器件領域供應商以IDM為主,GaN功率領域則偏向于選擇代工,設計與制造環(huán)節(jié)分工,也就是Fablss模式要相比SiC產(chǎn)業(yè)更加廣泛。不過與此同時,GaN國際企業(yè)上下游互相滲透的趨勢也在一些傳統(tǒng)IDM大廠中體現(xiàn)出來,比如Wolfspeed收購英飛凌的射頻功率業(yè)務,利用其SiC襯底優(yōu)勢,加強其射頻GaN-on-SiC技術的優(yōu)勢地位;NXP旗下6英寸射頻GaN晶圓廠在2020年投產(chǎn);ST收購GaN外延、器件廠商Exagan等等。 在制程工藝上,GaN HEMT射頻器件的制程目前主流在0.5μm-0.25μm左右,逐漸向0.15μm發(fā)展。而比如Qorvo、OMMIC等廠商,已經(jīng)開始嘗試60nm的工藝去制造射頻GaN器件,工藝制程的提升意味著可以實現(xiàn)更小的柵極長度,可以達到的頻率也就越高。通常來說,器件工作頻率越高,需要用到的工藝制程也越高。不過另一方面,據(jù)Qorvo介紹,GaN HEMT器件中電壓和柵極長度也成正比,所以當采用更高的工藝制程,獲得更高頻率時,往往器件輸出功率也會較低。 海外主要玩家有:Wolfspeed、住友電工、東芝、富士通、松下、三菱電機、MACOM、英飛凌、NXP、Qorvo、ADI、、TI、Transphorm、ST、X-Fab、UMS、OMMIC、環(huán)宇通訊半導體(GCS) 國內(nèi)主要玩家有:海威華芯、三安集成、英諾賽科、能華微電子、蘇州能訊、芯冠科技、東科半導體、中電科十三所、安世半導體、聚能創(chuàng)芯、OMMIC(四川益豐)、TSMC(中國臺灣)、穩(wěn)懋(中國臺灣)、世界先進(中國臺灣)、漢磊科技(中國臺灣)
GaN領域的封測環(huán)節(jié),在光電子領域有比如德豪潤達、木林森等專注LED封裝的企業(yè),射頻以及功率應用的封測部分企業(yè)如下. 海外主要企業(yè):Wolfspeed、住友電工、東芝、富士通、松下、三菱電機、英飛凌、TI、NXP、Qorvo、ADI、MACOM、Transphorm、Amkor 國內(nèi)主要企業(yè):英諾賽科、蘇州能訊、東科半導體、長電科技、通富微電、天水華天、TSMC(中國臺灣)、日月光(中國臺灣)
無論是在射頻還是功率應用中,GaN器件是處于多種技術路線百花齊放的局面,包括襯底、結構等,都未有行業(yè)公認的最佳發(fā)展路線。這或許意味著,GaN器件未來會針對更多細分應用,通過多種技術路線的優(yōu)勢去打細分市場,畢竟技術路線沒有好壞之分,只是需要衡量性能與成本找到合適的應用領域。 而從中游的情況來看,越來越多廠商加入到GaN功率器件的領域中,隨著電力電子行業(yè)的發(fā)展,傳統(tǒng)Si功率器件也將會受到越來越大的沖擊。與此同時,GaN中游設計、制造、封測三方面,海外公司的技術實力和產(chǎn)能優(yōu)勢都較為明顯,特別在射頻領域上。但隨著GaN電力電子應用進一步鋪開,國內(nèi)企業(yè)將會在GaN市場上占得一席之地。 下一期,我們將會帶來GaN產(chǎn)業(yè)下游的內(nèi)容,包括射頻器件、功率器件的市場格局和中外產(chǎn)業(yè)現(xiàn)狀對比等。
器件設計
GaN器件設計根據(jù)類型我們可以分為三個部分,分別是:射頻、功率和光電子,這次主要關注的是射頻以及功率方面的應用。
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GaN射頻器件設計GaN射頻器件主要可以分為三種:大功率功放管(比如GaN射頻 HEMT)、PA模塊、5G毫米波等高頻段MMIC(單片微波集成電路)。目前GaN已經(jīng)在射頻功率應用中成為LDMOS和GaAS的有力競爭對手。 為了提升性能,降低器件尺寸,GaN射頻器件集成度在不斷提高。隨著5G等高頻應用以及小尺寸需求提高,GaN工藝制程正在從0.25μm-0.5μm,向0.15μm推進,射頻領域領先的Qorvo甚至早已開始推進60nm工藝,用于毫米波等更高頻應用。 GaN射頻器件目前主流采用GaN-on-SiC技術,占比約90%,其余采用GaN-on-Si技術。Wolfspeed憑借先發(fā)優(yōu)勢以及GaN-on-SiC技術,在射頻應用的GaN HEMT專利上擁有領先地位。 Si基GaN技術在近幾年由于成本優(yōu)勢、以及解決缺陷密度問題后,在射頻領域有崛起的趨勢。2022年5月,ST和MACOM宣布射頻GaN-on-Si原型芯片制造成功,ST表示相關器件已達到成本和性能目標,完全能夠與市場上現(xiàn)有的LDMOS和GaN-on-SiC技術展開有效競爭,同時這些原型即將進入認證測試和量產(chǎn)階段,GaN-on-Si射頻商用進程正在加速。 在GaN射頻器件設計領域,海外主要玩家有:Wolfspeed、住友電工、東芝、富士通、三菱電機、MACOM、英飛凌、NXP、Qorvo、ADI、Raytheon。 國內(nèi)主要玩家有:蘇州能訊、中興微電子、Ampleon(埃賦隆半導體,2015年建廣資本全資收購NXP射頻功率事業(yè)部后成立)、蘇州本然微電子、中電科十三所、OMMIC(四川益豐) GaN功率器件設計
GaN功率器件目前大多采用GaN-on-Si的技術,相比于昂貴的SiC襯底,采用Si襯底的GaN功率器件優(yōu)勢主要在中低壓領域,市面上產(chǎn)品工作電壓主流產(chǎn)品在1000V以下,但近年也出現(xiàn)1200V甚至更高電壓的GaN-on-Si功率器件。在中低壓領域,GaN-on-Si功率器件有望可以部分取代傳統(tǒng)的Si基功率器件,比如在600V以下,取代硅基IGBT。 除此之外,隨著GaN單晶襯底的進一步成熟,垂直型GaN-on-GaN器件也受到很多廠商關注,各大高校、以及相關企業(yè)都在進行研究。相比于Si、SiC等襯底上的GaN外延層會因為晶格不匹配而產(chǎn)生缺陷,GaN襯底或GaN-on-GaN允許垂直傳導的GaN 晶體管具有更少的缺陷。同時,垂直型結構GaN器件相比目前市面上主流的橫向GaN器件,可以支持更高電壓的應用。不過,目前垂直型GaN器件距離商業(yè)化還很遙遠。 在GaN功率器件設計領域,海外主要玩家有:Wolfspeed、EPC、GaN Systems、 Power Integrations(PI)、Transphorm、Navitas、英飛凌、TI、安森美、松下、瑞薩、ST、GaNPower 國內(nèi)主要玩家有:安世半導體、英諾賽科、氮矽科技、芯冠科技、東科半導體、聚能創(chuàng)芯、能華微電子、鎵未來、芯干線
晶圓制造
目前來看,GaN射頻器件領域供應商以IDM為主,GaN功率領域則偏向于選擇代工,設計與制造環(huán)節(jié)分工,也就是Fablss模式要相比SiC產(chǎn)業(yè)更加廣泛。不過與此同時,GaN國際企業(yè)上下游互相滲透的趨勢也在一些傳統(tǒng)IDM大廠中體現(xiàn)出來,比如Wolfspeed收購英飛凌的射頻功率業(yè)務,利用其SiC襯底優(yōu)勢,加強其射頻GaN-on-SiC技術的優(yōu)勢地位;NXP旗下6英寸射頻GaN晶圓廠在2020年投產(chǎn);ST收購GaN外延、器件廠商Exagan等等。 在制程工藝上,GaN HEMT射頻器件的制程目前主流在0.5μm-0.25μm左右,逐漸向0.15μm發(fā)展。而比如Qorvo、OMMIC等廠商,已經(jīng)開始嘗試60nm的工藝去制造射頻GaN器件,工藝制程的提升意味著可以實現(xiàn)更小的柵極長度,可以達到的頻率也就越高。通常來說,器件工作頻率越高,需要用到的工藝制程也越高。不過另一方面,據(jù)Qorvo介紹,GaN HEMT器件中電壓和柵極長度也成正比,所以當采用更高的工藝制程,獲得更高頻率時,往往器件輸出功率也會較低。 海外主要玩家有:Wolfspeed、住友電工、東芝、富士通、松下、三菱電機、MACOM、英飛凌、NXP、Qorvo、ADI、、TI、Transphorm、ST、X-Fab、UMS、OMMIC、環(huán)宇通訊半導體(GCS) 國內(nèi)主要玩家有:海威華芯、三安集成、英諾賽科、能華微電子、蘇州能訊、芯冠科技、東科半導體、中電科十三所、安世半導體、聚能創(chuàng)芯、OMMIC(四川益豐)、TSMC(中國臺灣)、穩(wěn)懋(中國臺灣)、世界先進(中國臺灣)、漢磊科技(中國臺灣)
封裝測試
GaN領域的封測環(huán)節(jié),在光電子領域有比如德豪潤達、木林森等專注LED封裝的企業(yè),射頻以及功率應用的封測部分企業(yè)如下. 海外主要企業(yè):Wolfspeed、住友電工、東芝、富士通、松下、三菱電機、英飛凌、TI、NXP、Qorvo、ADI、MACOM、Transphorm、Amkor 國內(nèi)主要企業(yè):英諾賽科、蘇州能訊、東科半導體、長電科技、通富微電、天水華天、TSMC(中國臺灣)、日月光(中國臺灣)
小結
無論是在射頻還是功率應用中,GaN器件是處于多種技術路線百花齊放的局面,包括襯底、結構等,都未有行業(yè)公認的最佳發(fā)展路線。這或許意味著,GaN器件未來會針對更多細分應用,通過多種技術路線的優(yōu)勢去打細分市場,畢竟技術路線沒有好壞之分,只是需要衡量性能與成本找到合適的應用領域。 而從中游的情況來看,越來越多廠商加入到GaN功率器件的領域中,隨著電力電子行業(yè)的發(fā)展,傳統(tǒng)Si功率器件也將會受到越來越大的沖擊。與此同時,GaN中游設計、制造、封測三方面,海外公司的技術實力和產(chǎn)能優(yōu)勢都較為明顯,特別在射頻領域上。但隨著GaN電力電子應用進一步鋪開,國內(nèi)企業(yè)將會在GaN市場上占得一席之地。 下一期,我們將會帶來GaN產(chǎn)業(yè)下游的內(nèi)容,包括射頻器件、功率器件的市場格局和中外產(chǎn)業(yè)現(xiàn)狀對比等。
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