今天聊聊第三代半导体的GaN和SiC。

砷化镓GaAs HBT产业链与射频PA

数据还原2021年RF SOI供应链真实情况

基础知识

GaN是直接带隙材料，导带底和价带顶在K空间同一位置，电子吸收能量后可以直接跃迁进入激发态，无需声子参与；也可以直接从导带下落到价带，因此载流子寿命很短，电子和空穴直接复合可以发光。因此GaN可以用来制作LED和激光器。

根据能量公式E=hv=1240/λ，可以计算发光波长。因为禁带宽度大，发光波长短，GaN主要用来发蓝光、绿光和紫外光。

GaN的击穿电场是Si的5-10倍，禁带宽度是Si的三倍，因此可以承受更高电压，制作高压器件。
GaN 的饱和电子速度是硅的2倍，高频特性更好，导通阻抗更低，因此可以制作高频开关和高频射频PA。
GaN 的热导率一般，而SiC的热导率非常高，最高工作温度也在600°以上，因此纯SiC可以制作大电流高功率器件，SiC基GaN则可以改善GaN的散热问题，扩展应用。
因为独特的材料特性，GaN的应用主要集中在光电器件（LED&LD），射频器件（RF PA），电力电子（Power）三大领域。

GaN产业链
因为GaN-on-GaN制备难度大，GaN根据具体应用往往采用不同衬底。整个GaN产业链可以细分为衬底、外延、晶圆代工、芯片设计四个环节。

衬底（Substrate）是产业链的源头。蓝宝石（Sapphire）衬底价格便宜，但晶格失配较大，导电和导热性都较差，工作电流小，工作频率低，因此没法用作射频PA和电力电子，只能用来设计小功率LED。大规模商用最大尺寸为6寸，8寸已有样品。硅（Si）衬底同样很便宜，且开关频率高，兼容现有硅工艺，商用尺寸最大能到8寸，因此成为电力电子功率器件的首选。但硅衬底击穿电压相对较低、晶格失配造成兼容性问题，无法用在高压环境，在消费类电子上却非常合适。碳化硅（SiC）衬底成本上要贵很多，开关频率也低，因此不适合做电力电子的开关管。但其晶格失配小，热导率高，散热性好，击穿电压高，最大商用尺寸可达6寸，基站用射频PA往往采用SiC衬底。氮化镓（GaN）衬底因为材料特性和生产工艺限制，最大只有4寸，成本非常高，量产难度大，良率也低，但开关频率高，可靠性高，一般应用在激光器和高压环境这种“不差钱”的场景。

国外衬底厂商主要有日本住友化学（SCIOCS）、日本碍子（NGK）、日本三菱（Mitsubishi）、日本古河电气（Furukawa）、波兰Ammono、美国Kymatech。国内衬底厂商主要是苏州纳维 (Nanowin)、东莞中镓( Sino Nitride)。
GaN外延技术常用的主要是：HPVE:（氢化物化学气相外延）、氨热法（Ammonothermal）、助熔剂法/钠流法（Na Flux Method）三种。也有厂商采用PVD（物理气相传输法）、MOCVD（金属有机物化学气相沉积）、MBE（分子束外延）、CVD（化学气相沉积）等方法。
英国IQE四种衬底的外延都做，主要采用MOCVD、MBE、CVD等方法。除了GaN之外，还生产GaAs、InP、SOI、等外延，尺寸从4寸到8寸都有。
比利时的EpiGaN主要采用MOCVD生产最大6寸的GaN-on-SiC和最大8寸的GaN-on-Si，以及各种SOI和SiC，现已被法国Soitec收购。
日本的NTT-AT生产四种衬底的外延片，除蓝宝石衬底最大只有3寸外，其余均达业界最大尺寸，其光产品和胶产品名声更响。日本同和（DOWA）主要生产Si、SiC和蓝宝石衬底的GaN外延片，以及GaAs和高纯金属制品。住友化学采用MOVPE技术生产SiC、GaN以及蓝宝石衬底的GaN外延片，以及其他化合物半导体，如GaAs、AlN、BDD、KNN等。
美国的Kymatech采用HVPE技术生产Si、GaN、蓝宝石以及QST（世界先进、Kymatech以及Qromis共同开发，基于AlN陶瓷基板压制，再镀上一层薄Si）衬底的外延片，以及AlGaN、AlN等III-N化合物。
德国世创（Siltronic）主要生产SiC和Si衬底的GaN，同时也是全球第四大的硅片供应商。德国ALLOS也做12寸的GaN-on-Si，不过商业模式采用技术授权而非生产。
台湾嘉晶电子（Episil）主要生产Si基GaN，也做晶圆代工业务。
苏州晶湛（Enkris）生产Si、GaN、蓝宝石衬底的GaN外延片，GaN-on-Si尺寸高达12寸但还未到量产阶段。
代工GaAs的工厂往往也代工GaN，如稳懋、三安、GCS、Wavetek、立昂、承芯、海威华芯等。也有主营Si工艺代工的Foundry，如台积电、世界先进、X-fab。

GaN芯片设计主要以国外的电力电子厂商为主，如美国宜普（EPC）、美国Transphorm、美国Navitas、法国ST收购的Exagan、加拿大GaN Systems、加拿大GaN Power、日本Renesas收购的Dialog、以色列VisIC-Tech。国内设计厂则主要集中在RF PA上，如优镓（Gaxtrem）、远创达（Innogration）等。

国外的GaN IDM厂商几乎全是做RF PA的，如美国的Wolfspeed、Macom、Qorvo，日本住友电工，以及被中国财团收购的荷兰安浦隆等。仅德国英飞凌既做RF PA，又做功率器件。而国内的GaN IDM厂商则几乎全是做功率器件的，如英诺赛科、江苏能华、华润旗下的润芯微等，仅苏州能讯做RF PA。
国外成熟GaN企业都是IDM做RF PA，fabless做电力电子；而国内企业则刚好反过来，IDM做电力电子，fabless做RF PA。其中是否有什么坑，只有等时间检验了。
GaN在短波段的发光特性，让光电器件贡献了GaN 68%的下游应用，这个领域基本上也没有可替代的技术，但在射频和电力电子领域却有着多种可替代的竞争技术。

射频领域
GaN最为人所熟知的射频应用当属基站射频PA。功率密度大，能扛高压，5G基站市场GaN RF PA有着绝对的优势。

基站根据发射功率和覆盖范围，又分为宏基站和小基站。

宏基站就是大家在路边经常看到的那种铁塔或者抱杆，杆上有几圈铁盒子（天线），每圈三个，各覆盖120°扇区，旁边还有个小房子。宏基站一般功率会超过10W（即40dBm），覆盖边上几公里的范围。RF PA早期工艺采用的LDMOS，近年来流行用GaN。
小基站根据发射功率和覆盖范围，又分为0.5W（27dBm）以上的微基站，覆盖50-200m的范围；0.1W（20dBm）以上的皮基站，覆盖20-50m的范围；以及0.1W（20dBm）以下的飞基站，覆盖10-20m的范围。因为发射功率小，可以采用LDMOS、GaAs和GaN三种工艺。

GaAs工艺在前一篇文章里有详细的介绍，这里不再赘述。因为GaAs HBT的BVceo一般在14V左右，导致输出功率限制在4W（36dBm）以下，一般在1W（30dBm）左右。但GaAs HBT的Ft高达40GHz，pHEMT的Ft更是达到75GHz，因此在更高频段，如毫米波应用，GaAs的频率特性会很好。
LDMOS（横向扩散金属氧化物半导体）因为管子尺寸很大，可以耐高压，在增益、线性度、开关性能、散热性能以及减少级数等方面优势很明显。因为要扛大功率，管子尺寸做的很大，栅长也很大，因而Ft不高，0.4um的LDMOS的Ft只有不到15GHz。按照放大器工作频率取1/10 Ft的设计原则，LDMOS主要用在2GHz以下的场景。但其承受功率高，成本低，在低频段宏基站和小基站都有很大市场。
GaN各方面性能无疑是最好的，耐高压，能推高功率，带宽大，可靠性也好。GaN RF PA一般采用GaN-on-SiC设计，利用SiC良好的导热特性，提高放大器的性能。但SiC衬底（射频应用主要是半绝缘SiC衬底）本身就很贵，6寸SiC衬底成本可达1000$以上，加上外延和光刻，6寸GaN-on-SiC晶圆成本可达2300$，是LDMOS的4倍以上。因此GaN RF PA的应用场景主要在2GHz以上的宏基站，低频段市场性价比不如LDMOS，低功率市场成本也不如GaAs。

GaN刚火起来的时候很多人认为GaN HEMT可以在手机上替代GaAs HBT，这个愿景很美好，但操作不现实。首先成本上比不过GaAs HBT，另外还有个更本质的问题，GaN HEMT的工作电压一般在20V以上，而手机PMIC输出电压基本都在5V以下，应用GaN RF PA需要专门增加输出20V以上的Boost芯片，成本增加且可靠性风险也很大。现在手机上的高功率、高效率需求可以采用APT + DPD + Doherty PA实现。至于很多人报以期望的ET Buck-boost可能要让大家失望了。现在除了高通因为自家有ET芯片+RF PA而一直力推ET外，其他平台厂商对ET的态度越来越冷淡。因为其他平台厂商都不开发RF PA，因而无法弄清楚PA的非线性特性，从而结合RF PA联调优化。DPD+ET Power + ET PA可以实现的高线性和高效率，DPD + APT + Doherty一样可以实现，成本和工作量都降低很多。
因此关注GaN在射频领域应用的，集中精力关注高频段宏基站市场就好了。
假设国内每年新增5G基站100万，4G基站100W，一年宏基站射频模块需求600W（三个扇区），GaN占三成，每扇区GaN RF PA需求4000￥，即GaN RF PA国内市场规模约72亿人民币。

电力电子
在GaN被普及之前，市场上主要用硅器件，最成熟也最便宜。
电源开关应用主要关注开关频率和开关总损耗。因为管子的FOM受工艺限制，FOM=Qg*Rdson，其中Qg为栅电荷，Qg=C*V；Rdson为导通电阻。导通损耗PT=I2*Rdson，开关损耗Pg=Qg*V*F。
为了承受高功率，增强耐压和过流能力，也为了减小导通阻抗，芯片面积越做越大，但是芯片尺寸大了之后，Qg和等效输入电容Ciss也随之变大，从而开关损耗增大，器件尺寸和开关总损耗关系如下。

从上图可知，由于材料特性，同等尺寸下，GaN的Rdson比Si要小一些，输入电容也要小一些，因而开关总损耗比Si器件小很多，一般能小30%~50%。

在低频高功率领域，Thyristor（晶闸管）应用较多；KHz开关频率主要用MOSFET，物美价廉；高功率应用则需要IGBT（绝缘栅双极晶体管）。高频小功率采用GaN，大功率则需要SiC。
因为GaN-on-Si价格便宜，开关频率高，但是击穿电压较低，因此在1200V以下的消费类场景中应用较多。最为人所熟知的当属GaN充电器。

因为市电是50Hz的220V交流电，频率低，最大电压Vmax=220*√2=311V。以前采用先降压再整流，根据变压器原理，V1/N1=V2/N2，N=10000/4.44FBS，N为每伏匝数，F为交流电频率，B为磁通密度，S为铁芯截面积。
将50Hz 220V降到10V以下，线圈匝数很多，铁芯截面积也大，因而老式充电器体积都很大。现在采用先整流，再提高电源信号频率的方式，将频率变为KHz量级，所需铁芯截面积可以大大减小，因而可以将充电器做小。大家所说的GaN充电的GaN就是图中那个MOS，需要扛311V以上的电压，开关速度快，导通阻抗小，一般选用650V的GaN管子。这个地方如果选用Si管子，因为开关损耗和导通损耗都比GaN大，效率比GaN低，发热会很严重，温度上升后会进一步增大导通电阻，降低阈值电压，从而影响性能。现在的40W以上的快充充电头都开始采用GaN设计。

因为主要应用在消费类电子如快充等领域，而现在买手机已经开始不送充电器了，因此在电力电子领域GaN市场规模不到20亿人民币。或许这就是现有成熟GaN电力电子厂商都是Fabless的原因：市场规模太小，利润薄，不足以支持重资产运营。
在高功率的场景下，因为GaN的热导率较低，使用时需要加很大一块Heat sink金属来散热，但是在千瓦量级下，散热还是不够，这时就需要采用SiC来设计。
SiC衬底有导电型和半绝缘型两种，半绝缘衬底主要用来外延GaN，做RF PA用；导电型衬底则用来做电力电子器件。
千瓦级应用，如军事、航天、光伏逆变器、工业电机、新能源汽车、充电桩等领域，SiC功率高，耐高温，应用非常广泛，且需求持续增长，市场规模百亿人民币以上。

因此高压电力电子领域，重点还是在SiC。
SiC衬底主要是Wolfspeed(CREE)、II-VI、SiCrystal（Rohm）、Dow、Norstel（ST）、天科合达、山东天岳、同光晶体、江苏晶能等厂商提供。
SiC外延主要是Showa Denko、Norstel、Rhom、Wolfspeed（CREE）、东莞天域、瀚天天成等厂商提供。

GaN和SiC因为其优异性能，在基站、光伏、新能源汽车等新市场必将大放异彩。

搜索

热门标签:

GaN氮化镓及其产业链

今天聊聊第三代半导体的GaN和SiC。

砷化镓GaAs HBT产业链与射频PA

搜索

热门标签:

GaN氮化镓及其产业链

今天聊聊第三代半导体的GaN和SiC。 砷化镓GaAs HBT产业链与射频PA

今天聊聊第三代半导体的GaN和SiC。

砷化镓GaAs HBT产业链与射频PA