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兩條技術(shù)路線纏斗不休

憑借高功率、高頻工作環(huán)境下的優(yōu)良性能，氮化鎵正在快速崛起，無(wú)論是在功率，還是RF應(yīng)用領(lǐng)域，它都代表著高功率和高性能應(yīng)用場(chǎng)景的未來(lái)，將在很大程度上替代砷化鎵和LDMOS。

砷化鎵外延片主要有兩種襯底技術(shù)：硅基氮化鎵和碳化硅基氮化鎵，對(duì)比之下可以看出：

碳化硅基氮化鎵結(jié)合了碳化硅優(yōu)異的導(dǎo)熱性和氮化鎵高功率密度和低損耗能力，襯底上的器件可在高電壓和高漏極電流下運(yùn)行，結(jié)溫將隨RF功率緩慢升高，RF性能更好，但價(jià)格明顯高于硅基氮化鎵

硅基氮化鎵生長(zhǎng)速度較快，較容易擴(kuò)展到8英寸晶圓；受限于襯底，目前仍是4英寸和6英寸晶圓，8英寸還沒(méi)有商用

硅基氮化鎵性能略遜于碳化硅基氮化鎵，但可與CMOS工藝器件集成在一個(gè)芯片上；目前工藝水平制造的器件已能達(dá)到LDMOS功率密度的5-8倍，在高于2GHz頻率成本與同等性能LDMOS相仿

碳化硅基氮化鎵和硅基氮化鎵技術(shù)平臺(tái)都在挑戰(zhàn)原有技術(shù)的供應(yīng)鏈。兩種技術(shù)都有不同擁躉，看看有代表性?xún)煞N觀點(diǎn)。

先進(jìn)無(wú)線設(shè)備、國(guó)防雷達(dá)和通信創(chuàng)新高性能RF解決方案供應(yīng)商Qorvo認(rèn)為，5G數(shù)據(jù)吞吐量推動(dòng)著運(yùn)營(yíng)商對(duì)系統(tǒng)不斷升級(jí)，對(duì)RF系統(tǒng)的工作頻段、帶寬及效率的要求越來(lái)越嚴(yán)苛，這正是GaN器件的優(yōu)勢(shì)。Qorvo的RF GaN器件采用碳化硅基氮化鎵。因?yàn)樘蓟枰r底具有更好的熱傳導(dǎo)特性，使得在同樣大小的封裝里，基于碳化硅的GaN放大器可以輸出更高的功率，使器件具備更好的可靠性。在相同輸出功率條件下，碳化硅襯底良好的熱傳導(dǎo)性可進(jìn)一步縮小封裝尺寸，從而降低器件整體成本。

領(lǐng)先的高性能RF、微波、毫米波和光波半導(dǎo)體供應(yīng)商MACOM很早就看好硅基氮化鎵工藝，它認(rèn)為，硅基氮化鎵MMIC器件可以提供滿(mǎn)足系統(tǒng)性能要求的增益、效率和功率輸出。采用硅基氮化鎵技術(shù)不會(huì)改變開(kāi)關(guān)或放大器的基本設(shè)計(jì)方法，與基于砷化鎵的設(shè)計(jì)相比，能夠在更高的漏極電壓下工作，可簡(jiǎn)化阻抗匹配，當(dāng)然也要考慮器件的功耗。

OMMIC的GaN T/R芯片
 

出人意料的是，2021年7月，MACOM發(fā)布了另一技術(shù)路線的產(chǎn)品——新型碳化硅基氮化鎵PA產(chǎn)品線，名為MACOM PURE CARBIDE，前兩款新產(chǎn)品是MAPC-A1000和MAPC-A1100。總裁兼首席執(zhí)行官Stephen G. Daly表示：“碳化硅基氮化鎵是一項(xiàng)引人注目的技術(shù)，我們開(kāi)始為客戶(hù)提供標(biāo)準(zhǔn)和定制的PA解決方案。兩種放大器適用于航空電子設(shè)備、大功率移動(dòng)無(wú)線電、無(wú)線系統(tǒng)和測(cè)試儀器。”

兩大技術(shù)陣營(yíng)加速擴(kuò)產(chǎn)

盡管出現(xiàn)了一家公司掌握兩種技術(shù)的情形，在RF GaN領(lǐng)域仍然是兩大技術(shù)陣營(yíng)。

碳化硅基氮化鎵引領(lǐng)商用

目前業(yè)界超過(guò)95％商用RF GaN器件在采用碳化硅基氮化鎵工藝。在RF應(yīng)用方面，Cree（Wolfspeed）實(shí)力最強(qiáng)，在GaN HEMT專(zhuān)利競(jìng)爭(zhēng)中，尤其是碳化硅基氮化鎵技術(shù)方面遠(yuǎn)遠(yuǎn)領(lǐng)先于主要競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手住友電工和富士通。戲劇性的是，2016年7月，英飛凌宣布以8.5億美元現(xiàn)金收購(gòu)Cree Wolfspeed功率與RF部門(mén)；2017年2月，因美國(guó)政府原因收購(gòu)遇阻；2018年3月，大反轉(zhuǎn)出現(xiàn)，Cree反以3.45億歐元并購(gòu)了英飛凌設(shè)計(jì)制造LDMOS放大器，同時(shí)擁有GaN-SiC/Si器件生產(chǎn)能力的RF功率業(yè)務(wù)，Cree成為了全球最大的RF GaN器件供應(yīng)商。Cree除為自己生產(chǎn)RF GaN器件，還向提供GaN代工生產(chǎn)服務(wù)。

Cree在RF領(lǐng)域主要走碳化硅基氮化鎵路線，2019年5月，它在美國(guó)北卡羅萊納州擴(kuò)建了一座先進(jìn)自動(dòng)化8英寸碳化硅晶圓工廠及一座材料超級(jí)工廠，以此提升其碳化硅晶圓尺寸和市占率，并將碳化硅基氮化鎵先進(jìn)磊晶（Epitaxial）技術(shù)進(jìn)一步應(yīng)用于功率及RF元件。

早在2018年，新興應(yīng)用工程材料供應(yīng)商II-VI與SEDI（住友電工旗下住友電氣設(shè)備創(chuàng)新公司）合作，打造垂直整合的6英寸晶圓制造平臺(tái)，制造最先進(jìn)的碳化硅基氮化鎵HEMT器件，以支持下一代無(wú)線網(wǎng)絡(luò)。

碳化硅襯底
 

2019年10月，II-VI推出了世界上第一款用于5G天線RF PA的8英寸半絕緣碳化硅襯底。II-VI在開(kāi)發(fā)和大批量制造優(yōu)質(zhì)碳化硅襯底方面擁有多年經(jīng)驗(yàn)，特別是受保護(hù)的龐大且不斷擴(kuò)大的知識(shí)產(chǎn)權(quán)組合。II-VI致力于不斷提高材料質(zhì)量和增加襯底直徑，通過(guò)提高產(chǎn)量、降低成本，使合作伙伴能夠制造性能更高的新一代器件。

為搶占新興RF GaN市場(chǎng)，除了SEDI與II-VI的垂直整合，2020年10月，恩智浦（NXP）在美國(guó)亞利桑那州開(kāi)設(shè)了世界上第一家6英寸碳化硅基氮化鎵晶圓廠，是為美國(guó)境內(nèi)專(zhuān)注于5G RF PA的最先進(jìn)晶圓廠，其能力可擴(kuò)展至6G甚至更高。恩智浦認(rèn)為，隨著蜂窩市場(chǎng)向更高頻率和功率發(fā)展，氮化鎵可提供最先進(jìn)的線性化能力和RF性能，簡(jiǎn)化5G部署；對(duì)國(guó)防和工業(yè)也可提供寬帶性能和高頻操作，其固態(tài)器件的所有優(yōu)點(diǎn)都可以應(yīng)用于RF功率應(yīng)用，而不會(huì)影響效率。

在代工層面，Win Semiconductor等主要參與者正在擴(kuò)大產(chǎn)能，以滿(mǎn)足不斷增長(zhǎng)的市場(chǎng)需求。2020年9月Win推出0.45m柵技術(shù)NP45-11碳化硅基氮化鎵工藝，支持客戶(hù)為大規(guī)模MIMO無(wú)線天線系統(tǒng)等5G應(yīng)用設(shè)計(jì)混合Doherty放大器，以滿(mǎn)足當(dāng)前和未來(lái)5G應(yīng)用需求。

硅基氮化鎵的后來(lái)之勢(shì)

英特爾和MACOM是目前最活躍的RF GaN專(zhuān)利申請(qǐng)者，主要聚焦硅基氮化鎵技術(shù)路線。

2018年，MACOM和意法半導(dǎo)體（ST）合作將硅基氮化鎵引入主流RF市場(chǎng)和應(yīng)用， ST 6英寸平臺(tái)的制造規(guī)模、供應(yīng)安全性和波涌產(chǎn)能與MACOM硅基氮化鎵RF功率產(chǎn)品組合可滿(mǎn)足主流消費(fèi)、汽車(chē)和無(wú)線基站項(xiàng)目需求。MACOM在ST制造的硅晶圓上開(kāi)發(fā)GaN器件，硅基氮化鎵的預(yù)期突破性成本結(jié)構(gòu)和功率密度將使4G/LTE和大規(guī)模MIMO 5G天線成為可能。合作提高了硅基氮化鎵產(chǎn)能，通過(guò)擴(kuò)大晶圓供應(yīng)支持5G無(wú)線網(wǎng)絡(luò)建設(shè)，實(shí)現(xiàn)硅基氮化鎵的成本優(yōu)勢(shì)、規(guī)模經(jīng)濟(jì)和產(chǎn)業(yè)化，滿(mǎn)足全球5G網(wǎng)絡(luò)建設(shè)的需求。在擴(kuò)大MACOM貨源的同時(shí)，ST也可以在手機(jī)、無(wú)線基站和相關(guān)商業(yè)電信基礎(chǔ)設(shè)施應(yīng)用以外的RF市場(chǎng)制造和銷(xiāo)售自己的硅基氮化鎵產(chǎn)品。

用氮化鎵取代無(wú)線網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施PA
 

ST在硅晶圓制造方面的規(guī)模和運(yùn)營(yíng)優(yōu)勢(shì)釋放了MACOM和ST的RF功率應(yīng)用潛力，擴(kuò)大了硅基氮化鎵市場(chǎng)。ST更樂(lè)于在新的RF功率應(yīng)用中使用硅基氮化鎵，公司汽車(chē)與分立器件產(chǎn)品部總裁Marco Monti表示：“特別是在汽車(chē)應(yīng)用，如傳統(tǒng)發(fā)動(dòng)機(jī)和RF照明應(yīng)用中使用等離子點(diǎn)火，可以實(shí)現(xiàn)更高效、更持久的點(diǎn)火、照明系統(tǒng)。”

Strategy Analytics高級(jí)半導(dǎo)體應(yīng)用服務(wù)總監(jiān)Eric Higham表示贊同：“一旦高功率RF半導(dǎo)體器件的價(jià)格突破了0.04美元/瓦的關(guān)口，RF功率市場(chǎng)的重大機(jī)遇就會(huì)打開(kāi)。RF功率器件出貨量可能會(huì)達(dá)到數(shù)億美元，用于商業(yè)微波烹飪、汽車(chē)照明和點(diǎn)火及等離子照明等應(yīng)用，銷(xiāo)售額將達(dá)到數(shù)十億美元。”

2019年2月，MACOM-ST合作又有進(jìn)展，在擴(kuò)大ST工廠6英寸硅基氮化鎵產(chǎn)能的同時(shí)，8英寸硅基氮化鎵將按需擴(kuò)產(chǎn)。擴(kuò)產(chǎn)計(jì)劃旨在支持全球5G電信網(wǎng)建設(shè)，因?yàn)楦鶕?jù)MACOM估計(jì)，5年內(nèi)PA需求數(shù)量將增至32至64倍，5G基礎(chǔ)設(shè)施投資預(yù)計(jì)將增至3倍，因此，單個(gè)放大器成本估計(jì)會(huì)降至十分之一至二十分之一。

MACOM總裁兼首席執(zhí)行官John Croteau表示：“為滿(mǎn)足5G天線現(xiàn)場(chǎng)部署的成本、頻譜和能效目標(biāo)，運(yùn)營(yíng)商需要寬帶隙GaN器件的性能，以及能夠促進(jìn)升級(jí)轉(zhuǎn)型的成本結(jié)構(gòu)和制造規(guī)模。MACOM與ST的聯(lián)合產(chǎn)能投資可以布局全球高達(dá)85％的5G網(wǎng)絡(luò)建設(shè)市場(chǎng)。”

2021年5月，領(lǐng)先的航空航天和國(guó)防科技公司Raytheon和全球領(lǐng)先的特殊工藝半導(dǎo)體制造商格芯（GlobalFoundries）達(dá)成戰(zhàn)略協(xié)議，將共同開(kāi)發(fā)新型硅基氮化鎵半導(dǎo)體并實(shí)現(xiàn)商業(yè)化，目標(biāo)直指5G和6G移動(dòng)及無(wú)線基礎(chǔ)設(shè)施的顛覆性RF性能。根據(jù)協(xié)議，Raytheon授權(quán)格芯使用其專(zhuān)有的硅基氮化鎵技術(shù)和專(zhuān)知，在其位于佛蒙特州伯靈頓的Fab 9工廠開(kāi)發(fā)這種新型半導(dǎo)體。

新興中國(guó)生態(tài)系統(tǒng)值得關(guān)注

中國(guó)的RF GAN生態(tài)系統(tǒng)中存在著強(qiáng)大的技術(shù)獨(dú)立動(dòng)機(jī)，例如SICC（山東天岳）、CETC（中國(guó)電科）、HiWafer（海威華芯）和Sanan IC（三安集成），還有不斷加入的投資、合作和新來(lái)者。RF GaN HEMT相關(guān)專(zhuān)利領(lǐng)域的新進(jìn)入者有三安集成和HJCW（華進(jìn)創(chuàng)威）。海威華芯是中國(guó)首家提供6英寸砷化鎵/氮化鎵微波集成電路（GaAs/GaN MMIC）純晶圓代工服務(wù)的制造企業(yè)。

2020年4月，三安集成在國(guó)內(nèi)最早開(kāi)始6英寸化合物半導(dǎo)體晶圓制造，將在全球范圍內(nèi)為650V和1200V碳化硅器件及650V氮化鎵功率高電子遷移率晶體管（HEMT）提供寬禁帶功率電子器件代工服務(wù)，主要面向功率領(lǐng)域。

2020年12月，中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第十三研究所建設(shè)氮化鎵RF前端PA生產(chǎn)技術(shù)平臺(tái)，達(dá)到年加工放大器2000萬(wàn)只的能力。

2021年6月，山東天岳募資20億提升碳化硅襯底產(chǎn)業(yè)化能力，產(chǎn)品包括半絕緣型和導(dǎo)電型碳化硅襯底。半絕緣型碳化硅基氮化鎵外延片可制成HEMT等微波RF器件，應(yīng)用于通信、無(wú)線電探測(cè)等領(lǐng)域；導(dǎo)電型碳化硅同質(zhì)外延片可制成肖特基二極管、MOSFET等功率器件，應(yīng)用于新功率汽車(chē)、軌道交通及大功率傳輸變電等。目前，山東天岳主要產(chǎn)品是4英寸半絕緣型碳化硅襯底，6英寸半絕緣型和6英寸導(dǎo)電型襯底還未量產(chǎn)。

IDM、代工廠及新興中國(guó)市場(chǎng)參與者
 

“大”趨勢(shì)不變

不管是碳化硅基氮化鎵，還是硅基氮化鎵，整個(gè)行業(yè)都在加速?gòu)?英寸到6英寸，甚至8英寸的演變，率先發(fā)生的應(yīng)該是比較成熟和已經(jīng)大規(guī)模商用的碳化硅基氮化鎵技術(shù)。此外，頭部企業(yè)也在探索金剛石基氮化鎵器件技術(shù)。

近年來(lái)，國(guó)內(nèi)在第三代半導(dǎo)體及其襯底方面投入很大，但有些分散，應(yīng)用目標(biāo)主要是功率器件，GaN RF代工主要是境外廠商在做。IDM和代工服務(wù)方面，與國(guó)際上量產(chǎn)6英寸，正在建設(shè)8英寸量產(chǎn)工廠的水平還存在不小差距。

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