何鈞 梁瑤 張孔欣

一、概述

作為一種新型電子和光電子器件半導體材料，氮化鎵（GaN）與碳化硅（SiC）一起，被認為是繼第1代鍺（Ge）、硅（Si）半導體材料、第2代砷化鎵（GaAs）和磷化銦（InP）化合物半導體材料之后的所謂第3代半導體材料，其研究與應用是目前全球半導體產業(yè)化研究的前沿和熱點之一。它具有帶隙寬（而且是直接帶隙）、鍵強度大、電子遷移率高、化學穩(wěn)定性好（幾乎不被任何酸腐蝕）等優(yōu)良性質和強的抗輻照能力，在光電子、高頻微波器件以及電力電子器件和應用方面有著廣闊的前景。

GaN最初作為一種光電器件材料引起了工業(yè)界的關注和期待，其帶隙寬度以及直接帶隙特征，使之成為光電照明行業(yè)期待已久的短波長發(fā)光器件材料，用來填補藍綠光波段的空白。后來發(fā)現(xiàn)其三元合金系列還可以通過改變組分配比，可更加靈活地連續(xù)改變帶隙寬度和工作波長，使之成為更加理想的工程材料。中村修二等人在這方面的突破，早已成為半導體領域的傳奇故事[1]。隨著中村修二、赤崎勇、天野浩幾位研究者獲得2014年的諾貝爾物理學獎，其影響力已經超出了半導體工業(yè)界。除了普通的LED照明，GaN光電器件在高密度光盤的信息存取、全光顯示、激光打印機等領域也有著很大的應用市場。而在這些廣為人知的產業(yè)領域之外，GaN紫外探測器在火焰探測、導彈預警、生物醫(yī)藥以及特殊通訊等方面有重要的潛在應用，與SiC器件形成競爭關系[2]，但是由于外延質量的制約，目前商業(yè)應用只限于普通的光電PN管，高端的雪崩光電二極管還未超出實驗室研發(fā)階段。本文中，筆者關注的是GaN在微波射頻領域及功率電子器件領域中的市場前景。

二、GaN在微波射頻領域的應用

GaN作為微波射頻器件的潛力來源于其帶隙寬，鍵強度大、電子遷移率高的特征[3]。這也是其“第3代半導體”的名稱由來（這里的代際劃分基本根據是帶隙寬度）。在微波射頻領域，一般來說，功率表達式為電流和電壓的乘積，即P=IU。處理同樣的功率，人們總是希望提高工作電壓而減少電流，因為電流是損耗（銅損）和發(fā)熱的來源，不僅損失能量，而且降低器件和系統(tǒng)的可靠性。GaN高于硅和砷化鎵材料的帶隙寬度和鍵能，決定了它更高的工作電壓。同時它還具有高的強場漂移速度，以及在高電子遷移率晶體管（HEMT）中二維電子氣的面密度。適合在更高的工作電壓和頻率，以及更大的電流密度下工作，減少損耗和尺寸，提高性能、效率和可靠性。

GaN器件的技術發(fā)展和商業(yè)應用主要的限制因素是材料質量，這一點在光電和微波領域情況類似。一直以來，由于大塊GaN襯底體單晶的制備比較困難，所以GaN基LED以及微波器件都是異質外延器件，也就是在非GaN襯底上設法生長一層GaN單晶薄膜，再以此為基礎以半導體前道工藝做成器件。常用的襯底材料有硅、藍寶石和SiC。其中SiC與GaN的晶格匹配程度最好，生長的外延質量最高，并且SiC材料的導熱性也最好，因此高端的LED和微波器件都以SiC為襯底。但是SiC襯底的成本很高，因此限制了這類器件在一些民用領域的廣泛應用。在一些需要更高亮度光源的光電器件中，仍然希望能夠使用GaN襯底的同質外延。這方面也有一些研發(fā)工作。但是目前并無成熟技術。目前在廉價的硅襯底上設法生長高質量（低缺陷密度）的GaN外延（GaN-onSi），是GaN各個應用市場最為期待的技術。例如2015年3月GO Scale Capital金沙江創(chuàng)業(yè)投資與橡樹投資伙伴聯(lián)合組成的基金收購飛利浦旗下從事汽車和發(fā)光二極管原件業(yè)務的公司Lumileds的多數(shù)股權的協(xié)議被美國政府監(jiān)管部門外國投資委員會否決，原因是被認為與相關敏感技術有關。

作為微波器件，SiC基GaN（GaNon-SiC）器件首先被應用于追求性能，對成本不敏感的軍事領域，具體的器件類型是HEMT功放，比如“愛國者”的升級版陸基雷達就包含GaN微波器件。根據相關市場調查報告，2015年全球GaN微波器件的市場規(guī)模超過2億美元。其中大部分仍然是軍事領域中使用的SiC襯底上制作的HEMT功放。以著名的美國科銳（CREE）公司為例，其微波和功率器件部門（已經獨立出來，新公司名為Wolfspeed）的主要產品為SiC襯底上的GaN微波器件，以及SiC同質外延上制作的功率器件。近年來這一部門的營業(yè)額大都在9000萬美元左右，利潤在40%以上[4]。一般認為其中大部分營收以及絕大部分利潤來源于為高端軍事應用服務的 GaN微波器件。

由于我國在第2代半導體砷化鎵微波器件技術方面，長期落后于世界先進水平，嚴重拖累軍事裝備水平，因此在GaN微波器件方面向相關研究機構（中國電子科技集團公司第13研究所，第55研究所等）投入大量資金，期望實現(xiàn)彎道超車。在這一新興技術領域提供了技術積累和人才儲備，期望能夠為今后民用市場的發(fā)展提供良好基礎。GaN微波器件所用的半絕緣型高阻SiC襯底，需要控制其非故意摻雜雜質濃度，技術曾長期被CREE公司壟斷；盡管后來II-IV公司以摻釩補償為基礎專利開發(fā)出新的半絕緣型襯底與CREE開展競爭，但是這一產品的市場價格仍然比已經以昂貴著稱的普通垂直結構SiC功率器件的低阻襯底還要高數(shù)倍。因此在對成本敏感的民用市場，主要應用硅基GaN材料。其主要器件仍然是HEMT功放，在通訊基站等應用市場中代替硅橫向擴散金屬氧化物半導體（LDMOS），活躍的公司以從前最初的NITRONEX和現(xiàn)在MACOM等為代表。這一領域具有注重可靠性，新系統(tǒng)研發(fā)成本高，技術代際更新慢的特點，同時一些提議的行業(yè)標準也傾向低成本的硅器件。

盡管如此，近年來，硅基GaNHEMT與砷化鎵（GaAs）器件一起仍然在不斷穩(wěn)定蠶食硅LDMOS的市場份額。顯示優(yōu)異的器件性能仍然是決定市場前景的主要因素。與下面談到的功率器件相比，硅基GaN外延技術挑戰(zhàn)相對較小，在成品率、穩(wěn)定性和技術來源的廣泛程度上，都要優(yōu)越一些。硅器件前道工藝的技術壁壘不高；設備要求方面，一般舊的4寸、6寸硅生產線就可以勝任，基本不需要改造，因此資金壁壘也不高。在特定應用（基站、社區(qū)、點對點通訊）中，在硅基GaN器件的價格水平范圍內，單是器件的成本壓力也可以承受。只是由于前述原因，增長速度有限，據估計目前的市場規(guī)模還遠未達到1億美元。

三、GaN在功率電子領域的應用

與微波射頻領域相比，GaN在功率器件（也就是電力電子）產業(yè)的應用前景更加誘人。歷史上，電力電子器件在我國工業(yè)布局和規(guī)劃中一直處于一個不清晰的尷尬定位之上。其與市場龐大且發(fā)展迅速的信息電子行業(yè)相比，電力電子被歸入發(fā)展相對緩慢的“傳統(tǒng)”門類，一些相關產品（比如整流二極管）的工業(yè)標準還是由工信部制訂發(fā)布。實際上，電力電子不但在材料、技術、設備、生產管理方面與信息電子類似，而且同樣發(fā)展迅速。我國在功率器件技術發(fā)展上，面臨的困難不如集成電路產業(yè)那樣嚴重（設備封鎖等），但是在很多方面（比如IGBT器件）落后于世界先進水平的程度有過之而無不及，不合理的產業(yè)分類布局是原因之一。就GaN器件功率器件來說，其與信息電子的聯(lián)系就更為緊密，表現(xiàn)在下面幾個方面：

①目標市場偏向小功率等級，強調高頻、高效、小型化，主要應用通訊、個人信息設備的移動電源和小型電源等，屬于電子信息產業(yè)范圍。

②同樣由于前面提到的材料質量問題，目前GaN器件功率器件的功率與電壓等級不高，接近微波功率器件水平，而且工作頻率也高于目前對應的硅器件（MOSFET），因此器件結構和設計考量與微波器件都有較高的相似性；工藝設備更是相差無幾。

③由于GaN器件功率器件都是硅基的水平結構器件，一個特有的優(yōu)勢就是與其他非功率器件（電源管理）的整合集成。這使得它與其他硅電子信息器件更加密不可分。

功率電子器件的全球市場份額，常用的估計數(shù)字是在150億美元（不含潛在的新能源汽車功率電子市場）上下，區(qū)間較大。第3代半導體（GaN和SiC）器件可望替代其中至少1/3的高端市場份額。作為在散熱較差的硅基底上的水平結構功率器件，GaN器件被認為更適合小功率，高頻應用；而材料相對成熟且昂貴的SiC器件，屬于同質外延垂直結構，散熱好，同時高頻性能稍遜，更適合高功率高壓功率等級的應用。曾經認為600V和更低的電壓等級是GaN的領域，而1 200V及以上是SiC器件的地盤。中間有一個相互競爭的區(qū)間。由于明顯的成本結構，以及整合集成方面潛力優(yōu)勢，硅基GaN產品一度吸引了更多的研發(fā)熱情和資源，然而市場是最終的裁判者。在實際上，到目前為止，似乎二者在材料質量方面的進展步伐都不如預期。SiC材料至今未能達期望的電網輸電等高功率等級應用要求的水平，而是先一步在中等功率等級產品材料水平上成熟之后，重點轉向這一領域的商業(yè)化（比如，4寸向6寸的轉化）。商業(yè)競爭的結果是價格的不斷降低，在600V這個對應市電的常用產品電壓級別已經占據了穩(wěn)固優(yōu)勢。而且成本進一步降低的潛力和空間都很透明，步幅快而且穩(wěn)定。在另一方面，相比于微波射頻領域，功率器件對硅基GaN材料的質量要求更高，挑戰(zhàn)更大。最初的產品也是從二極管開始，有不同的結構設計思路。但是由于材料質量以及器件結構特點帶來的可靠性問題的影響，一直未能成熟。現(xiàn)在由于SiC器件不斷成熟和價格的降低，GaN功率二極管已經沒有市場前景，市場上領先的相關公司大都放棄了研發(fā)項目。

與二極管相比，硅基GaNHEMT功放更有希望，它的主要市場目標是依靠高頻性能取代現(xiàn)在的硅MOSFET。這一領域并沒有SiC器件的競爭。相對二極管來說，GaNHEMT面臨的電環(huán)境不那么嚴酷。而且其目標市場領域（個人電子產品）對可靠性的要求不如工業(yè)應用市場，目前的器件水平已經可以適應。而且由于其市場特征，可以期望通過市場營銷以及消費者體驗認可（緊湊、小巧）推廣產品，與SiC器件面臨的完全以成本與可靠性為導向的理性冷血工業(yè)客戶市場不同。目前活躍在這一領域的公司有EPC、GaN Systems、以及Panasonic Quovo等。另外GaN的高頻特征使之成為一些重要的潛在領域的首要甚至是必要選擇，例如無線充電系統(tǒng)、植入系統(tǒng)、成像、和人造器官等。由于這個原因，盡管目前硅基GaN功率器件的全球市場規(guī)模估計（最低值1 000萬美元）遠遠低于SiC器件的市場規(guī)模（1.4億美元），相關市場預測機構（Yole，IMS）仍然給出了遠高于SiC器件的年度增長率（GaN80%，SiC38%）。到2020年將形成6億～10億美元的市場規(guī)模。需要指出的是這一數(shù)字是基于新能源汽車將大量采用硅基GaN器件的假定。盡管目前對于2種技術路線以及相關標準的支持者勢均力敵，由于前述SiC器件商業(yè)化進展，GaN器件在這一領域的前景并不明朗。

除了眾所周知的“電流崩塌”等可靠性問題，目前GaN功率器件市場擴張的一個明顯的技術障礙是驅動。HEMT器件結構本身適合作為一個所謂的常開型器件，就是在失去柵極電壓控制的情況下，源極和漏極是導通的。這在功率器件應用中被認為是不利的特征，也是影響SiC-JFET一直未能得到廣泛應用的原因。系統(tǒng)應用者寧肯使用可靠性尚不成熟的SiC-MOSFET器件，也不情愿開發(fā)適用于常開器件的驅動型式，這是市場的現(xiàn)實。為常開型器件設計的所謂硅級聯(lián)（Cascade）驅動，在應用中就帶來一些限制，首先就是這個硅級聯(lián)金屬-氧化物半導體場效應晶體管（MOSFET）本身需要具有與寬禁帶器件同樣的溫度指標。在某些應用中還有其他系統(tǒng)層面的問題。需要在系統(tǒng)應用和設計層面積累認識和經驗。HEMT也可以在結構設計上做一些調整，成為常關型器件。但是這會增加材料和工藝的復雜性和難度，在其他電性指標，以及良品率、可靠性上做出相應的犧牲。這一點也與SiCJFET類似。目前一般認為連常開型GaN-HEMT器件的穩(wěn)定良品率都是很大挑戰(zhàn)。常關型器件還只能從相對較低的電壓（比如200V左右）等級開始，隨著技術的成熟和改進逐漸提高。二者技術的成熟都有賴于在某些應用領域產品商業(yè)化的初步成功。

盡管與硅基GaN微波器件一樣，硅基GaN功率器件前道對設備投入的需求也不高，大致可以利用完全折舊的廢棄硅線。比如為GaN Systems代工的某著名IC代工服務商就是如此。但是如此有限的市場規(guī)模意味目前市場上并沒有能夠盈利的公司或者部門，以后幾年能夠在正常財務意義上生存的公司也不會很多。過去的幾年中，領域內富士通（Transphorm）、Velox（Power Integration）等起步公司的不斷融資或者被并購，反映了市場和財務上的嚴峻挑戰(zhàn)和未來市場機會并存的局勢。目前行業(yè)的突出瓶頸與風險，是外延材料技術掌握在極少數(shù)幾家公司手里，其成品率、穩(wěn)定性，以及相關的成本和供應都不為業(yè)界所知。這也是很多器件和應用開發(fā)環(huán)節(jié)技術人員和開發(fā)項目及投資決策者的共同疑慮。希望在較短時間內，硅基GaN的外延工藝的市場透明性和可得性會有較大的改善。此外，產業(yè)鏈結構的清晰化，是實質性投資規(guī)劃重要的參考因素。

參考文獻

[1] 姜天海，彭科峰.“小職員”變身“藍光之父”[J].科學新聞，2015（7）：52-53.

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[3] Andrew M，Jose J.GaN RF Technology for Dummies （Qorvo Special Edition）[M].John Weiley & Sons，Inc. Hoboken，NJ.2014.

[4] CREE公司年度和季度財務報表[R].2012-2016.