5G和軍工雙輪驅動(dòng)化合物半導體業(yè)爆發(fā)

　　3.3. GaN：性能更強，半導體材料中的新貴

　　Ga N 是新一代的寬禁帶半導體材料，其禁帶寬度幾乎是 Si 的 3 倍、Ga As和的 2倍，臨界擊穿電場(chǎng)比 Si、Ga As大一個(gè)數量級，并具有更高的飽和電子遷移率和良好的耐溫特性。它具有和 Ga As 幾乎相近的頻率特性。由于其特有的壓電效應與自發(fā)極化的存在，它的二維電子氣濃度比 Ga As 要高出一個(gè)數量級，所以具有很高的電流密度。由于氮化鎵具有禁帶寬度大、擊穿電場(chǎng)高、飽和電子速度大、熱導率高、介電常數小、化學(xué)性質(zhì)穩定和抗輻射能力強等優(yōu)點(diǎn)，成為高溫、高頻、大功率微波器件的首選材料之一。

　　Al Ga N/Ga N HEMT 具有顯著(zhù)的電子遷移速度。通常 Al Ga N 作為勢壘層，Ga N 作為溝道層，Al Ga N 層向 2DEG 層提供電子。因為 Ga N 能量相對要低一些，Al Ga N 層多余的電子會(huì )向鄰近的禁帶較低的 Ga N 層擴散。擴散的電子在它們擴散的反方向上產(chǎn)生一個(gè)電場(chǎng)，擴散電子和漂移電子趨于動(dòng)態(tài)平衡，最終產(chǎn)生了類(lèi)似于 PN 結的一個(gè)結構，落在沒(méi)有摻雜的 Ga N 層上的電子，形成了二維電子氣。2DEG 在垂直于異質(zhì)結方向上會(huì )被緊緊限制住，只能在與之平行的方向上自由運動(dòng)。在 HEMT 中的 2DEG 相比于 MOSFET 和 MESFET 場(chǎng)效應管，最顯著(zhù)的優(yōu)勢是具備更高的電子遷移速度。 Al Ga N/Ga N 這種結構不僅得益于高的電子遷移速度(～2000cm2/V? s)，還有高的 2DEG 密度(～1013/cm2)。

　　GaN 器件發(fā)展歷史：在氮化鎵器件研究初期，晶體合成困難。1986 年，日本的赤崎勇開(kāi)發(fā)了“低溫堆積緩沖層技術(shù)”可以獲得用于半導體元件的高品質(zhì)氮化鎵。由于帶隙覆蓋了更廣的光譜范圍，用氮化鎵制造的高亮度 LED、綠色 LED、藍光光盤(pán)產(chǎn)品應用與商業(yè)領(lǐng)域。從 1993 年開(kāi)始，利用二維電子氣氮化鎵能達到更高的遷移率，適合砷化鎵所不能達到的高頻動(dòng)作。采用氮化鎵的高頻晶體管開(kāi)始用在移動(dòng)通信站、通信衛星、雷達等領(lǐng)域。到了 2000年前后，硅制功率元件已經(jīng)普及，之前利用藍寶石基板的氮化鎵類(lèi)功率元件價(jià)格高，很難進(jìn)入商業(yè)領(lǐng)域。這時(shí)開(kāi)始采用硅基板，但制造成本依然很高。主要是應用于 ICT 設備、工業(yè)設備和汽車(chē)電子等領(lǐng)域的小型電源組件。未來(lái)有望采用氮化鎵基板，獲得高品質(zhì)化、具有較高價(jià)格競爭力的氮化鎵功率器件。自 2013 年開(kāi)始，隨著(zhù)技術(shù)積累逐漸完成，氮化鎵民用市場(chǎng)開(kāi)始起步。

　　各國政策的大力推進(jìn)下，國際半導體大廠(chǎng)紛紛將目光投向氮化鎵功率半導體領(lǐng)域。隨著(zhù) Si材料達到物理極限，在摩爾定律驅動(dòng)下尋求下一個(gè)替代者刻不容緩，氮化鎵因各方面優(yōu)異的電學(xué)性能被認為是未來(lái)半導體材料的首選。傳統半導體廠(chǎng)商關(guān)于氮化鎵器件的收購和合作、許可協(xié)議不斷發(fā)生，氮化鎵功率半導體已經(jīng)成了各家必爭之地。美國和歐洲分別于 2002年和 2007年啟動(dòng)了氮化鎵功率半導體推動(dòng)計劃，并且在 2007年首次在 6寸硅襯底上長(cháng)出了氮化鎵，自此從應用角度開(kāi)始了氮化鎵功率半導體推進(jìn)。2013 年出現通過(guò)了 JEDEC 質(zhì)量標淮的硅基氮化鎵功率器件，同年中國科技部推出了第三代半導體 863計劃。

　　GaN 應用領(lǐng)域包括軍事和宇航、無(wú)線(xiàn)基礎設施、衛星通信、有線(xiàn)寬帶，以及其它 ISM 頻段應用。GaN 最初是為支持政府軍事和太空項目而開(kāi)發(fā)，但已得到商業(yè)市場(chǎng)的完全認可和應用，在無(wú)線(xiàn)基礎設施領(lǐng)域的應用已超越國防應用，市場(chǎng)占比超過(guò) GaN 市場(chǎng)總量的一半以上。隨著(zhù)對數據傳輸及更高工作頻率和帶寬需求的增長(cháng)，2016～2022 年無(wú)線(xiàn)基礎設施領(lǐng)域的 CAGR將達到 16%。在未來(lái)的網(wǎng)絡(luò )設計中，如載波聚合和大規模 MIMO 等新技術(shù)的發(fā)展應用，將使 GaN比現有橫向擴散金屬氧化物半導體(LDMOS)更具優(yōu)勢。 但與此同時(shí)，國防領(lǐng)域仍將是 GaN 不可忽視的重要應用市場(chǎng)，并保持穩定增長(cháng)。GaN 在國防領(lǐng)域的應用主要包括 IED干擾器、軍事通訊、雷達、電子對抗等。GaN 將在越來(lái)越多的國防產(chǎn)品中得到應用，充分體現其在提高功率、縮小體積和簡(jiǎn)化設計方面的巨大優(yōu)勢。 GaN 領(lǐng)域的企業(yè)包括美國的美高森美(Microsemi)、M-A/COM、Qorvo、雷聲、諾格、Wolfspeed、Anadigics，荷蘭 Ampleon 和恩智浦(NXP)，德國 UMS，韓國 RFHIC，日本的三菱(Mitsubishi)和住友(Sumitomo)。(注：科銳Cree2015 年 9月 3 日宣布將把旗下的功率和射頻部門(mén)更名Wolfspeed)。

　　據 Yole預測，2016～2020年 GaN 射頻器件市場(chǎng)將擴大至目前的 2倍，市場(chǎng)復合年增長(cháng)率(CAGR)將達到 4%;2020年末，市場(chǎng)規模將擴大至目前的 2.5 倍。2015年，受益于中國 LTE 網(wǎng)絡(luò )的大規模應用，帶來(lái)無(wú)線(xiàn)基礎設施市場(chǎng)的大幅增長(cháng)，有力地刺激了 GaN 射頻產(chǎn)業(yè)。2015年末，整個(gè) GaN射頻市場(chǎng)規模接近 3億美元。2017～2018 年，在無(wú)線(xiàn)基礎設施及國防應用市場(chǎng)需求增長(cháng)的推動(dòng)下，GaN 市場(chǎng)會(huì )進(jìn)一步放大，但增速會(huì )較 2015年有所放緩。2019～2020 年，5G 網(wǎng)絡(luò )的實(shí)施將接棒推動(dòng)氮化鎵市場(chǎng)增長(cháng)。我們預計到未來(lái) 10年，氮化鎵市場(chǎng)將有望超過(guò) 30億美元。