【無線射頻芯片】-順著毫米波帶你走進(jìn)神奇的氮化鎵（GaN）世界

1/1順著毫米波，帶你走進(jìn)神奇的氮化鎵（GaN）世界氮化鎵南征北戰(zhàn)縱橫半導(dǎo)體市場(chǎng)多年，無論是吊打碳化硅，還是PK砷化鎵。氮化鎵憑借其禁帶寬度大、擊穿電壓高、熱導(dǎo)率大、電子飽和漂移速度高、抗輻射力量強(qiáng)和良好的化學(xué)穩(wěn)定性等優(yōu)越性質(zhì)，確立了其在制備寬波譜、高功率、高效率的微電子、電力電子、光電子等器件方面的領(lǐng)先地位。

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半導(dǎo)體行業(yè)在摩爾定律的"魔咒'下已經(jīng)狂奔了50多年，一路上挾風(fēng)帶雨的，好不風(fēng)光。不過隨著半導(dǎo)體工藝的特征尺寸日益靠近理論極限，摩爾定律對(duì)半導(dǎo)體行業(yè)的加速度已經(jīng)明顯放緩。

將來半導(dǎo)體技術(shù)的提升，除了進(jìn)一步榨取摩爾定律在制造工藝上最終一點(diǎn)"剩余價(jià)值'外，查找硅（Si）以外新一代的半導(dǎo)體材料，也就成了一個(gè)重要方向。在這個(gè)過程中，氮化鎵（GaN）近年來作為一個(gè)高頻詞匯，進(jìn)入了人們的視野。

1998年中國(guó)十大科技成果之一是合成納米氮化鎵；

2023年3月，美國(guó)雷聲公司氮化鎵晶體管技術(shù)獲得突破，首先完成了歷史性X-波段GaNT/R模塊的驗(yàn)證；

2023年1月，富士通和美國(guó)Transphorm在會(huì)津若松量產(chǎn)氮化鎵功率器件；2023年3月，松下和英飛凌達(dá)成共同開發(fā)氮化鎵功率器件的協(xié)議；同月，東芝照明技術(shù)公司開發(fā)出在電源中應(yīng)用氮化鎵功率元件的鹵素LED燈泡；

2023年2月，美國(guó)拒絕中資收購(gòu)飛利浦，有很多人猜想是美帝在阻擋中國(guó)把握第三代LED氮化鎵技術(shù)；

2023年3月，科巴姆公司與RFHIC公司將聯(lián)合開發(fā)GaN大功率放大器模塊。

GaN和SiC同屬于第三代高大禁帶寬度的半導(dǎo)體材料，和第一代的Si以及其次代的GaAs等前輩相比，其在特性上優(yōu)勢(shì)突出。由于禁帶寬度大、導(dǎo)熱率高，GaN器件可在200℃以上的高溫下工作，能夠承載更高的能量密度，牢靠性更高；較大禁帶寬度和絕緣破壞電場(chǎng)，使得器件導(dǎo)通電阻削減，有利與提升器件整體的能效；電子飽和速度快，以及較高的載流子遷移率，可讓器件高速地工作。

因此，利用GaN人們可以獲得具有更大帶寬、更高放大器增益、更高能效、尺寸更小的半導(dǎo)體器件，這與半導(dǎo)體行業(yè)一貫的"調(diào)性'是吻合的。

與GaN相比，實(shí)際上同為第三代半導(dǎo)體材料的SiC的應(yīng)用討論起步更早，而之所以GaN近年來更為搶眼，主要的緣由有兩點(diǎn)。

首先，GaN在降低成本方面顯示出了更強(qiáng)的潛力。目前主流的GaN技術(shù)廠商都在研發(fā)以Si為襯底的GaN的器件，以替代昂貴的SiC襯底。有分析猜測(cè)到2023年GaNMOSFET的成本將與傳統(tǒng)的Si器件相當(dāng)，屆時(shí)很可能消失一個(gè)市場(chǎng)拐點(diǎn)。并且該技術(shù)對(duì)于供應(yīng)商來說是一個(gè)有吸引力的市場(chǎng)機(jī)會(huì)，它可以向它們的客戶供應(yīng)目前半導(dǎo)體工藝材料可能無法企及的性能。

讓我們回顧下不同襯底風(fēng)格的GaN：硅基、碳化硅（SiC）襯底或者金剛石襯底。

硅基氮化嫁：這種方法比另外兩種良率都低，不過它的優(yōu)勢(shì)是可以使用全球低成本、大尺寸CMOS硅晶圓和大量射頻硅代工廠。因此，它很快就會(huì)以價(jià)格為競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)對(duì)抗現(xiàn)有硅和砷化鎵技術(shù)，理所當(dāng)然會(huì)威逼它們根深蒂固的市場(chǎng)。

碳化硅襯底氮化鎵：這是射頻氮化鎵的"高端'版本，SiC襯底氮化鎵可以供應(yīng)最高功率級(jí)別的氮化鎵產(chǎn)品，可供應(yīng)其他精彩特性，可確保其在最苛刻的環(huán)境下使用。

金剛石襯底氮化鎵：將這兩種東西結(jié)合在一起是很難的，但是好處也是巨大的：在世界上全部材料中工業(yè)金剛石的熱導(dǎo)率最高（因此最好能夠用來散熱）。使用金剛石代替硅、碳化硅、或者其他基底材料可以把金剛石高導(dǎo)熱率優(yōu)勢(shì)發(fā)揮出來，可以實(shí)現(xiàn)特別接近芯片的有效導(dǎo)熱面。

其次，由于GaN器件是個(gè)平面器件，與現(xiàn)有的Si半導(dǎo)體工藝兼容性強(qiáng)，這使其更簡(jiǎn)單與其他半導(dǎo)體器件集成。比如有廠商已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了驅(qū)動(dòng)IC和GaN開關(guān)管的集成，進(jìn)一步降低用戶的使用門檻。

正是基于GaN的上述特性，越來越多的人看好其進(jìn)展的后勢(shì)。特殊是在幾個(gè)關(guān)鍵市場(chǎng)中，GaN都表現(xiàn)出了相當(dāng)?shù)臐B透力。

射頻（RF）領(lǐng)域?qū)⑹荊aN的主戰(zhàn)場(chǎng)。氮化鎵(GaN)功率半導(dǎo)體技術(shù)和模塊式設(shè)計(jì)的進(jìn)步，使得微波頻率的高功率連續(xù)波(CW)和脈沖放大器成為可能。

2023年，美國(guó)雷神公司宣布其公司在下一代氮化鎵射頻半導(dǎo)體技術(shù)領(lǐng)域又取得一重大里程碑，研制出金剛石基GaN器件。金剛石做襯底材料，可將器件的熱傳導(dǎo)力量提升3～5倍，從而顯著削減雷達(dá)、電子戰(zhàn)裝置等國(guó)防系統(tǒng)的成本、尺寸、重量和功耗。金剛石基GaN器件可使晶體管功率密度比傳統(tǒng)SiC基GaN器件增加3倍，克服了阻礙氮化鎵器件發(fā)揮潛力的主要障礙。該數(shù)據(jù)由10125微米金剛石基GaN高電子遷移率晶體管測(cè)得，HEMT是組成單片微波集成電路功率放大器的基本單元，是固態(tài)射頻放射器和有源電子掃描陣列的基礎(chǔ)。

接著2023年3月，科巴姆公司與RFHIC公司將聯(lián)合開發(fā)GaN大功率放大器模塊，用于175千瓦固態(tài)放射機(jī)原理樣機(jī)。美國(guó)與韓國(guó)開頭正式合作將氮化鎵用于軍事雷達(dá)。有分析指出，與目前在RF領(lǐng)域占統(tǒng)治地位的LDMOS器件相比，采納0.25微米工藝的GaN器件頻率可高達(dá)其4倍，帶寬可增加20%，功率密度可達(dá)6-8W/mm（LDMOS為1~2W/mm），且無故障工作時(shí)間可達(dá)100萬(wàn)小時(shí)，更耐用，綜合性能優(yōu)勢(shì)明顯。5G的商用無疑會(huì)是GaN在射頻市場(chǎng)進(jìn)展的一個(gè)驅(qū)動(dòng)力。

依據(jù)市場(chǎng)討論機(jī)構(gòu)Yole的猜測(cè)，受5G網(wǎng)絡(luò)部署的拉動(dòng)，全球RF功率器件市場(chǎng)在2023年到2022年間將增長(zhǎng)75%，年復(fù)合增長(zhǎng)率達(dá)到9.8%；GaN將在將來5~10年成為3W以上RF功率應(yīng)用的主流技術(shù)，而LDMOS的整體市場(chǎng)規(guī)模將下降到15%以下。

與此同時(shí)，我們會(huì)發(fā)覺，在其他RF領(lǐng)域，也都會(huì)有GaN的身影，作為重要的升級(jí)換代技術(shù)，向原有的半導(dǎo)體器件發(fā)起挑戰(zhàn)，尤其在與砷化鎵的PK中顯示出肯定的3大物理特性優(yōu)勢(shì)：

氮化鎵器件供應(yīng)的功率密度比砷化鎵器件高十倍：由于氮化鎵器件的功率密度較高，因此可以供應(yīng)更大的帶寬、更高的放大器增益，并且由于器件尺寸的削減，還可提高效率。

氮化鎵場(chǎng)效應(yīng)管器件的工作電壓比同類砷化鎵器件高五倍：由于氮化鎵場(chǎng)效應(yīng)管器件可在更高電壓下工作，因此在窄帶放大器設(shè)計(jì)上，設(shè)計(jì)人員可以更加便利地實(shí)施阻抗匹配。

氮化鎵場(chǎng)效應(yīng)管器件供應(yīng)的電流比砷化鎵場(chǎng)效應(yīng)管高二倍：由于氮化鎵場(chǎng)效應(yīng)管器件供應(yīng)的電流比砷化鎵場(chǎng)效應(yīng)器件高二倍，因此氮化鎵場(chǎng)效應(yīng)器件的本征帶寬力量更高。

在電力電子領(lǐng)域，GaN也找到了自己的位置。通常大家認(rèn)為，由于材料特性的差異，SiC適用于高于1200V以上的高電壓大功率應(yīng)用，而GaN器件更適合于40-1200V的高頻應(yīng)用，GaN在600V/3KW以下的應(yīng)用場(chǎng)合更占優(yōu)勢(shì)，在微型逆變器、伺服器、馬達(dá)驅(qū)動(dòng)、UPS等領(lǐng)域與傳統(tǒng)的MOSFET或IGBT綻開競(jìng)爭(zhēng)，讓電源產(chǎn)品更為輕薄、高效。同時(shí)GaN技術(shù)可以在平安的頻率上實(shí)現(xiàn)高效的電力傳輸，這對(duì)硅晶體管而言，是一件困難的工作。將GaN技術(shù)帶到更高的電壓和更高的頻率，可以擴(kuò)展無線電力傳輸?shù)木嚯x。

SpaceX公司的CEOElonMusk就將其使命設(shè)定為把物體放到太空中的成本以數(shù)十倍計(jì)的削減幅度降低。隨著GaN技術(shù)被應(yīng)用到衛(wèi)星，可以縮小電子設(shè)備的體積尺寸，省去對(duì)屏蔽的需求，大幅改善板上酬載的性能。

由于氮化鎵是高功率密度器件，因此它在特別狹小的空間內(nèi)散發(fā)熱量，形成高熱通量,氮化鎵在器件層面的熱通量比太陽(yáng)表面的熱通量還要高五倍。這也是氮化鎵器件的熱設(shè)計(jì)如此重要的緣由。在太空中使用的電源轉(zhuǎn)換器，必需要有能耐承受輻射所造成的損害。在電氣性能方面，氮化鎵場(chǎng)效應(yīng)晶體管好40倍，本身能夠承受老化的輻射耐受功率MOSFET的10倍的輻射。

同時(shí)氮化鎵晶片還可以被應(yīng)用在電力電子器件，使得系統(tǒng)能耗降低30%以上。基于GaN的開關(guān)功率晶體管可實(shí)現(xiàn)全新電源應(yīng)用，與之前使用的硅材料晶體管相比，在高壓下運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，性能更高，損耗更低。GaN器件使用的是一種適合于現(xiàn)有硅制造流程的硅上氮化鎵工藝。假如尺寸更為小巧的GaN器件能夠?qū)崿F(xiàn)同樣的電流功能，那么最終GaN晶體管就會(huì)和硅材料晶體管具有同樣性價(jià)比。這將增大GaN器件對(duì)于大型工業(yè)設(shè)備到最小型手持類設(shè)備等各類系統(tǒng)的吸引力。由于它在這些方面的優(yōu)點(diǎn)，GaN將首先在更高性能電源設(shè)計(jì)中占據(jù)一席之地。這些設(shè)計(jì)在工作頻率和精確開關(guān)特性方面要求嚴(yán)格。

而GaN的這個(gè)定位也更有利于其向消費(fèi)類市場(chǎng)的滲透，這后面的市場(chǎng)空間就更為可觀了。

同時(shí)，也有人看好GaN單晶襯底在光電子領(lǐng)域的應(yīng)用，比如在激光顯示方面的應(yīng)用前景，認(rèn)為這會(huì)與VR/AR等新興行業(yè)形成互動(dòng)，開拓出新的應(yīng)用領(lǐng)域。

你們肯定還記得2023年，中村修二獲得以在藍(lán)光LED方面做出的貢獻(xiàn)而獲得諾獎(jiǎng)的事情，其中氮化鎵正是推動(dòng)了藍(lán)光LED向前進(jìn)展的重要新型材料。說到提到這里，最為人津津樂道的是開發(fā)藍(lán)光LED時(shí)，氮化鎵和碳化硅兩大之爭(zhēng)，當(dāng)時(shí)很多大公司都投入碳化硅研發(fā)，最終還是日本的一家化學(xué)公司的研發(fā)員中村修二于1994年和1995年，在氮化鎵討論方面獲得重大突破，并取得震動(dòng)全球的專利。這位研發(fā)人員的重大突破，引發(fā)了包括Sony及Toshiba等大廠的最高主管都出面為自己所做的錯(cuò)誤決策導(dǎo)致技術(shù)落後而賠禮。中村修二取得的技術(shù)突破，讓氮化鎵陣營(yíng)正式快速超越碳化硅。

如今，一片2英寸的氮化鎵晶片可以生產(chǎn)出1萬(wàn)盞亮度為節(jié)能燈10倍、發(fā)光效率為節(jié)能燈3-4倍、壽命為節(jié)能燈10倍的高亮度LED照明燈，也可以制造出5,000個(gè)平均售價(jià)在100美元以上的藍(lán)光激光器，至此，氮化鎵在確立了其在光電領(lǐng)域的重要地位。

關(guān)于SiC和GaN的一些比較

相較于SiC已進(jìn)展十多年了，GaN功率元件是個(gè)后進(jìn)者，它是一種擁有類似于SiC性能優(yōu)勢(shì)的寬能隙材料，但擁有更大的成本掌握潛力，尤其是高功率的硅基GaN由于具有更大輸出功率與更快作業(yè)頻率，已被看好可取代硅元件成為下一世代的功率元件。近年來全球?qū)τ诙际谢A(chǔ)建設(shè)、新能源、節(jié)能環(huán)保等方面的政策支持，擴(kuò)大對(duì)于SiC/GaN等高性能功率元件的需求，將進(jìn)一步促進(jìn)SiC/GaN功率元件的進(jìn)展。

依據(jù)IHSIMSResearch的報(bào)告顯示，在將來十年，受到電源、太陽(yáng)光電（PV）逆變器以及工業(yè)馬達(dá)的需求驅(qū)動(dòng)，新興的SiC和GaN功率半導(dǎo)體市場(chǎng)將以18%的速度穩(wěn)步成長(zhǎng)，估計(jì)在2022年以前，SiC和GaN功率元件的全球銷售額將從2023年的1.43億美元大幅增加到28億美元。

YoleDeveloppement功率電子暨化合物半導(dǎo)體事業(yè)單位經(jīng)理PierricGueguen認(rèn)為，碳化硅主要適用于600V以上的高功率應(yīng)用，氮化鎵則適用于200～600V中功率應(yīng)用。不過依據(jù)Yole的猜測(cè)，到了2023年，氮化鎵將進(jìn)一步往600～900V進(jìn)展，屆時(shí)勢(shì)必會(huì)開頭與碳化硅產(chǎn)生競(jìng)爭(zhēng)關(guān)系。

由于氮化鎵鎖定中低功率應(yīng)用，其應(yīng)用市場(chǎng)規(guī)模要大于中高功率，因此Yole預(yù)估，氮化鎵元件2023年～2023年的成長(zhǎng)率將達(dá)83%，其中電源供應(yīng)器（Pow