氮化鎵的未來(lái)：IDM 還是 Fabless

今年十月份，日本功率器件大廠(chǎng)羅姆半導體（ROHM）公開(kāi)表示，將在氮化鎵功率半導體領(lǐng)域加強與臺積電合作，公司旗下的氮化鎵（GaN）產(chǎn)品將全面委托臺積電代工生產(chǎn)。

值得注意的是，羅姆之前主要利用內部工廠(chǎng)來(lái)生產(chǎn)相關(guān)器件，但是近年來(lái)已經(jīng)開(kāi)始將部分產(chǎn)品委托臺積電代工，只不過(guò)羅姆此前并未對外公布。而此次，羅姆將全面委托臺積電代工生產(chǎn)有望運用于廣泛用途的 650V 耐壓產(chǎn)品，借由活用外部資源，應對急增的需求，擴大業(yè)務(wù)規模。

有分析認為，羅姆全面委托臺積電代工氮化鎵產(chǎn)品，旨在降低成本。畢竟，氮化鎵材料雖然性能優(yōu)越，但成本一直居高不下。如果成功，市場(chǎng)格局恐怕會(huì )發(fā)生劇變，臺積電和羅姆的合作，或許將成為氮化鎵產(chǎn)業(yè)的重要里程碑，加速行業(yè)的技術(shù)進(jìn)步和商業(yè)化進(jìn)程。

而這背后或許也意味著(zhù)羅姆可能正在逐漸轉變代工模式，即從 IDM 轉向 Fabless。

性質(zhì)卓越，應用廣泛的氮化鎵材料

寬禁帶材料的研究與發(fā)展已歷經(jīng)多年，相較于傳統的硅基器件，寬禁帶器件能實(shí)現性能的巨大飛躍，比如寬禁帶半導體能夠在極端溫度下工作，承受更高的功率密度、電壓和頻率。正是這些優(yōu)勢使得寬禁帶材料在新一代電子系統中備受青睞。而在眾多寬禁帶材料中，氮化鎵尤為突出，其不僅在開(kāi)關(guān)應用中展現出巨大潛力，也在射頻功率領(lǐng)域中展現出廣闊前景。

氮化鎵是一種直接能隙（direct bandgap）的半導體，自 1990 年起常用在發(fā)光二極管中。此化合物結構類(lèi)似纖鋅礦，硬度很高。氮化鎵能隙為 3.4eV，電子遷移率通常在幾百到幾千 cm2/(V·s) 的范圍內，可以用在高功率、高速的光電元件中，例如氮化鎵可以用在紫光的激光二極管，可以在不使用非線(xiàn)性半導體泵浦固體激光器（Diode-pumped solid-state laser）的條件下，產(chǎn)生紫光（405nm）激光。日本名古屋大學(xué)和名城大學(xué)教授赤崎勇、名古屋大學(xué)教授天野浩和美國加州大學(xué)圣塔芭芭拉分校教授中村修二，其在氮化鎵和固態(tài)照明和數據存儲方面所做工作的巨大影響力而獲得了 2014 年諾貝爾物理學(xué)獎。

1993 年，隨著(zhù)第 1 個(gè)具有微波特性的氮化鎵高電子遷移率晶體管（HEMT）器件被公開(kāi)報道，第三代半導體迅速進(jìn)入微波射頻的研發(fā)和應用領(lǐng)域，尤其是氮化鎵射頻器件，以其特有的高功率、高效率、高線(xiàn)性、高工作電壓、抗輻照等優(yōu)異特性，成為硅（Si）、砷化鎵（GaAs）等器件的理想替代者，在軍事裝備、航空航天、第五代移動(dòng)通信（5G）技術(shù)等領(lǐng)域發(fā)揮了重要的作用，并展現出了廣闊的發(fā)展前景。21 世紀初，以 S 波段固態(tài)微波射頻器件為代表，美國首先將碳化硅（SiC）應用到裝備中，盡管隨后逐漸被氮化鎵取代，但其具有的高耐壓、高頻率特性得到電力電子領(lǐng)域的青睞，正逐步成為 Si 電力電子器件的替代者。

事實(shí)上，全球主要國家初期的產(chǎn)業(yè)奠基發(fā)展規劃都具備了明顯的國防軍事傾向與應用需求。目前，氮化鎵基 HEMT 的微波射頻技術(shù)基本實(shí)現了相對于前代半導體的大跨越。全球布局氮化鎵基半導體射頻器件的重要廠(chǎng)商有美國的 Cree（現 Wolfspeed）、Qorvo、MACOM 和 Raytheon 等，還有德國的 Infineon，加拿大的 GaN Systems，日本的三菱電機，以及荷蘭的 NXP 等。從制造成熟度方面看，美國 Raytheon 公司和 Qorvo 公司的氮化鎵產(chǎn)品已達到其國防部制造成熟度評估最高級，氮化鎵射頻器件的制造工藝已滿(mǎn)足最佳性能、成本和容量的目標要求，并已具備支持全速率生產(chǎn)的能力。2014 年，Raytheon 公司宣布在「愛(ài)國者」防空系統部署使用氮化鎵模塊的先進(jìn)雷達；2021 年，將其 GaN-on-Si 技術(shù)授權給了 GlobalFoundries 公司，以共同開(kāi)發(fā)出能處理 5G 和 6G 毫米波信號的 IC 制程，將氮化鎵基射頻器件（RF）規?；慨a(chǎn)水平升至一個(gè)新臺階，進(jìn)一步壓縮了 RF 的成本。

此外，氮化鎵具有優(yōu)良的電子遷移率和電子飽和漂移速度，這使得它在射頻和微波電子器件中具有出色的性能，例如 5G 通信系統中的射頻功率放大器。5G 基站對射頻器件提出更高的要求，傳統的橫向擴散金屬氧化物半導體（LDMOS）無(wú)法適應 5G 的高頻率，而氮化鎵適應的頻率范圍拓展到了 40GHz 甚至更高，可適應 5G 高頻的需求；氮化鎵具有軟壓縮特性，更容易預失真和線(xiàn)性化，實(shí)現更高的效率；氮化鎵可以做到更高的功率密度，達到 LDMOS 器件功率密度的 4 倍左右；氮化鎵封裝尺寸僅是 LDMOS 的 1/4~1/7，氮化鎵射頻器件更適用于 5G 基站。2010 年，氮化鎵基高功率微波放大器件首先應用于小體積、高線(xiàn)性度等高端基站設備，開(kāi)始向移動(dòng)通信市場(chǎng)投放。隨著(zhù)第四代移動(dòng)通信（4G）無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )基礎設施建設的全面鋪開(kāi)，2014 年氮化鎵應用明顯增多，而 2GHz 以上 Si 基 LDMOS 器件的市場(chǎng)占有率從 92% 下降至 76%。而 5G 的推出，讓氮化鎵微波功率放大器接受度更高，在高頻段下，只能依賴(lài)氮化鎵基 HEMT 器件。目前，氮化鎵基 HEMT 的微波射頻技術(shù)基本實(shí)現了第三代半導體相對于前代半導體（Si 基 LDMOS、GaAs/InP 基 pHEMT 等）的大跨越。

目前，隨著(zhù) MBE 技術(shù)在氮化鎵材料應用中的進(jìn)展和關(guān)鍵薄膜生長(cháng)技術(shù)的突破，成功地生長(cháng)出了氮化鎵多種異質(zhì)結構。用氮化鎵材料制備出了金屬場(chǎng)效應晶體管（MESFET）、異質(zhì)結場(chǎng)效應晶體管 (HFET)、調制摻雜場(chǎng)效應晶體管（MODFET）等新型器件。調制摻雜的 AlGaN/GaN 結構具有高的電子遷移率 (2000cm2/v·s)、高的飽和速度 (1×107cm/s)、較低的介電常數，是制作微波器件的優(yōu)先材料；此外，氮化鎵及藍寶石等材料作襯底，散熱性能好，有利于器件在大功率條件下工作。

產(chǎn)業(yè)鏈不斷完善，產(chǎn)能增長(cháng)迅速

20 世紀 80 年代初，第三代半導體初露崢嶸，率先在化合物照明領(lǐng)域取得重大突破，目前已經(jīng)在全球形成萬(wàn)億級的市場(chǎng)規模。近 3 年受新冠疫情影響，第三代半導體發(fā)展有所緩滯，但全球體量仍以每年約 10% 的復合增長(cháng)率提高。隨著(zhù)深紫外發(fā)光二極管（LED）、Mini-LED、Micro-LED 等革新技術(shù)的出現，第三代半導體在光電子領(lǐng)域又開(kāi)辟出新型顯示、智慧農業(yè)、醫療健康等新的應用場(chǎng)景，將進(jìn)一步擴大市場(chǎng)規模。

近年來(lái)，氮化鎵技術(shù)取得了一系列重大突破。例如，德國芯片巨頭英飛凌成功開(kāi)發(fā)出 300 毫米氮化鎵功率半導體晶圓技術(shù)，顯著(zhù)降低了生產(chǎn)成本，有助于推動(dòng)氮化鎵技術(shù)的大規模商業(yè)化應用。

隨著(zhù)氮化鎵技術(shù)的不斷成熟和應用領(lǐng)域的不斷拓展，氮化鎵產(chǎn)業(yè)鏈也在不斷完善。從襯底到外延到功率器件、射頻器件、光電器件的全覆蓋，各企業(yè)都在努力完善自身的產(chǎn)業(yè)鏈布局。

來(lái)源：弗若斯特沙利文、英諾賽科招股書(shū)

而在英諾賽科招股書(shū)中把氮化鎵產(chǎn)業(yè)鏈分為上游供應商包括設備供應商及原材料供應商，其中原料主要涉及氮化鎵襯底，可分為藍寶石、硅、碳化硅、氮化鎵自支撐襯底四種材料。中游的氮化鎵功率半導體廠(chǎng)商負責氮化鎵功率半導體的設計、制造、封裝和測試等，具體又包含了 IDM 和 Fabless 兩種模式。在下游，氮化鎵功率半導體適用于應用場(chǎng)景廣泛的各種功率器件，包括消費電子、電動(dòng)汽車(chē)、數據中心、光伏、儲能等。

目前，各個(gè)環(huán)節國內均有企業(yè)涉足，如在射頻領(lǐng)域，氮化鎵襯底有維微科技、科恒晶體、鎵鋁光電等公司。外延片涉足企業(yè)有晶湛半導體、聚能晶源、英諾賽科等。蘇州能訊、四川益豐電子、中科院蘇州納米所等公司則同時(shí)涉足多環(huán)節，力圖形成全產(chǎn)業(yè)鏈公司。

IDM 還是 Fabless？

目前在硅基半導體領(lǐng)域，主要有 Fabless 和 IDM 兩種模式。IDM 模式是一種垂直整合型商業(yè)模式，即企業(yè)自行設計芯片，并將自行生產(chǎn)加工、封裝、測試后的成品進(jìn)行銷(xiāo)售。與 IDM 模式不同，Fabless 模式是一種專(zhuān)注于設計的商業(yè)模式。在這種模式下，企業(yè)主要負責集成電路的設計、測試和銷(xiāo)售環(huán)節，而將晶圓制造、封裝和測試等生產(chǎn)環(huán)節外包給專(zhuān)業(yè)的代工合作伙伴來(lái)完成。

而在氮化鎵領(lǐng)域，IDM 模式的代表廠(chǎng)商有三安光電、英諾賽科、士蘭微電子、蘇州能訊、江蘇能華、大連芯冠科技等公司，Fabless 廠(chǎng)商主要有華為海思、安譜隆等，同時(shí)海威華芯和三安集成可提供 GaN 器件代工服務(wù) (Foundry 模式)。

當下，很多過(guò)去致力于硅基半導體代工的廠(chǎng)商也早已觀(guān)察到氮化鎵市場(chǎng)的廣闊前景，并提前開(kāi)始布局。例如，代工龍頭臺積電就一直很關(guān)注氮化鎵產(chǎn)業(yè)，其程度甚至超過(guò)當前風(fēng)頭正盛的碳化硅。早在 2020 年，臺積電就宣布，要與意法半導體合作加速氮化鎵制程的開(kāi)發(fā)，并將分離式與整合式氮化鎵元件導入市場(chǎng)。透過(guò)此合作，意法半導體將采用臺積電公司的氮化鎵制程來(lái)生產(chǎn)其氮化鎵產(chǎn)品。

很多氮化鎵廠(chǎng)商已經(jīng)開(kāi)始與臺積電進(jìn)行合作，而臺積電所進(jìn)行的氮化鎵代工業(yè)務(wù)也多是目前主流的 GaN-on-Si。而一直將臺積電視為其競爭對手的三星，也在氮化鎵領(lǐng)域上進(jìn)行了投資。為填補本身在晶圓代工上的劣勢，三星已經(jīng)開(kāi)始培育韓國國內半導體產(chǎn)業(yè)的新創(chuàng )公司，其中就包括三星投資部門(mén)的 80 億韓元投資的 IVworks，該公司是韓國第一家開(kāi)發(fā) 8 英寸 GaN-on-Si 外延片和 4 英寸 GaN-on-SiC 外延片的晶圓代工廠(chǎng)。

其他還有像聯(lián)電、世界先進(jìn)、穩懋半導體、三安集成、X-Fab 等代工廠(chǎng)商均有氮化鎵的代工業(yè)務(wù)。

IDM 模式強調全生命周期控制和垂直整合，適用于技術(shù)密集型和資金密集型的行業(yè)；而 Fabless 模式則專(zhuān)注于設計和技術(shù)創(chuàng )新，適用于規模較小、資源有限但具有創(chuàng )新能力的企業(yè)。在實(shí)際應用中，企業(yè)應根據自身的技術(shù)實(shí)力、資金狀況和市場(chǎng)定位等因素來(lái)選擇適合自己的商業(yè)模式。同時(shí)，隨著(zhù)半導體產(chǎn)業(yè)的不斷發(fā)展和市場(chǎng)需求的不斷變化，企業(yè)也應不斷調整和優(yōu)化自己的商業(yè)模式以適應市場(chǎng)變化。

為提高競爭力并確保穩定供應，氮化鎵功率半導體企業(yè)通常結合資源和技術(shù)優(yōu)勢，以建立涵蓋氮化鎵功率半導體設計與生產(chǎn)的完整產(chǎn)業(yè)鏈系統。因此，近年領(lǐng)先的 IDM 功率半導體公司多次收購氮化鎵功率半導體產(chǎn)業(yè)的參與者，以建立本身的地位。早期布局 IDM 的企業(yè)可獲得先發(fā)優(yōu)勢和長(cháng)期競爭力。

氮化鎵市場(chǎng)前景大，已經(jīng)孵化了大量企業(yè)。對于后發(fā)企業(yè)來(lái)說(shuō)，選擇 Fabless 不失為一個(gè)好的選擇。短期內，兩種模式可能共存。但隨著(zhù)硅基半導體代工企業(yè)的介入，憑借強大的資本積累有望打破這種平衡局面。