解读射频GaN市场的机遇及未来发展

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　　图1 GaN晶圆

　　GaN已经在大部分高功率军事应用中站稳了脚跟，并且还抓住了有线电视、移动基础设施的部分市场。虽然LDMOS（横向扩散MOS晶体管）目前仍占据基础设施和工业市场的绝大部分份额，但这种情况可能很快就会改变，因为GaN性能与LDMOS基本相当甚至更胜一筹。也许LDMOS现在的唯一优势就是价格了，但这一优势也逐渐不保：Qorvo公司最近宣布将重心转移到6英寸SiC（碳化硅）基GaN上；MACOM公司也宣布将尝试在成本较低的CMOS（Complementary Metal Oxide Silicon 互补型金属氧化物半导体）生产线上生产8英寸Si（硅）基GaN。这些举动都有利于提高GaN的成本竞争优势。
　　此外，GaN在高功率应用市场上还在挑战GaAs（砷化镓）的地位，并且在大部分面向未来的军事应用中已经取代了GaAs，这些军事应用最重要的性能指标就是功率。
　　一、市场机遇
　　GaN现在和GaAs器件的发展类似，期望GaN的市场能够成熟起来，让其可做的器件变得多起来，特别是在高功率市场方面。随着技术的更新换代和成本的降低，预测GaN将会为功率放大器提供最好的价值功能，找到最优的平衡。现在在军民融合的大潮下，性能的要求更加凸显：
　　发射功率
　　效率
　　线性度
　　频率
　　带宽
　　工作温度
　　……
　　GaN在这些性能上表现得比GaAs和Si更好。例如，在军事器件中，GaN改善了尺寸、重量和功率（SWaP），并且将继续融入这些系统中。
　　多数GaN供应商将基站和卫星市场视为短期内的主要的增长方向。至于毫米波，5G也是一个巨大的机遇，目前GaN在宽频带、高频器件上表现良好。在射频能源市场GaN也适应得较好，制造厂商关注的航天以及防务市场在快速增长，这包括宽禁带，高功率放大器电子战、相控阵雷达和广泛的毫米波应用。
　　二、代工厂情况
　　北美有多家GaN的代工厂（包括在加拿大的一家），欧洲有两家，还有被称作是最大的不受管制类化合物半导体制造厂家：台湾的稳懋半导体（WIN Semiconductors）。尽管日本的射频GaN市场份额占有率高，我们也没发现有任何日本的公司提供代工服务，其中包括最大的GaN制造厂商之一的住友商事（Sumitomo）。
　　中国成都的海威华芯（HiWafer）半导体公司和厦门的三安集成电路公司（San’an Integrated Circuit）提供化合物半导体的代工服务，而且这两家公司都对外宣布说他们的6英寸GaN生产线已投产或正在建设。

　　

　　图2 三安光电

　　

　　图3 海威华芯LOGO

　　在美国，多数顾客选择Wolfspeed（Cree 旗下公司，被德国英飞凌公司收购），然而很多欧洲的企业，特别是在做航空和防务领域的企业，通常都会选择UMS（United Monolithic Semiconductors）公司或者OMMIC公司。
　　有几家公司跟这些代工厂存在战略合作伙伴关系，说白了就是将渠道独享，不分享给其他的公司。举个例子来说，GCS公司其总部在加利福尼亚州的托伦斯，但这家公司拒不提供关于我们做的这项调查的任何信息，这就是典型的受ITAR（国际武器贸易条例）控制的公司，也就是说，他们确实为一些公司提供射频GaN的制造服务。还有多家受管制类射频GaN制造商，像雷声（Raytheon），MACOM和Qorvo。
　　对应的还有一些相对独立的制造商：RFMD和TriQuint提供GaN制造代工服务，不过自从他们合并成为了Qorvo，从反馈的结果来看，他们仅仅为一些“战略上”的顾客服务。
　　三、衬底相关信息
　　多数射频GaN器件的衬底都是SiC，因为SiC和GaN的晶格匹配度非常不错，而且SiC还有GaN需要的高热导率的性能。
　　因为GaN器件相对于其他的一些器件来说，其功率密度很高。要把产生的热量快速导出不是一件容易的事情，所以衬底和外面封装的材料同样至关重要。但MACOM公司决定逆潮流而上，他们对抗国际整流器公司（该公司同样被德国英飞凌公司收购）的原始专利，这一专利就是Si衬底上生长GaN（MACOM收购了Nitronex，从Nitronex那儿得到的）。Si衬底，有更低的价格，但同时热导率也比SiC低。不过，MACOM公司有解决方法：其公布了一组数据，数据显示如果设计恰当，在应用上，Si基GaN的性能是可以和SiC基GaN性能一样可靠的。
　　Si基GaN拥有的优势在于：可以在标准工艺上处理更大的晶圆，并且其CMOS生产线成本低廉。不过MACOM公司并不提供代工服务，他们与GCS公司合作生产Si基GaN器件，但这一工艺并不开放给其他公司。
　　另一家公司，OMMIC公司是我们发现的除MACON公司外也能够生产Si基GaN的公司，但我们并没有发现OMMIC公司提供类似代工厂的Si基GaN生产服务。
　　所有的相关制造厂商都在关注3、4英寸的GaN晶圆，但随着需求的不断提升，也有很多打算将重心转移到6英寸的GaN晶圆生产上。一些公司已经宣布会在接下来的一到两年内，计划转到6英寸生产上。这是因为转到6英寸上利用率会更高，成本会稍降。举个例子：据BAE系统公司估计，若从4英寸晶圆生产转到6英寸晶圆生产（见图一），每平方毫米成本将会从3美元降到1.5美元。这是因为其可用面积会增加一倍。

　　

　　图4 六英寸Si基GaN

　　

　　图5 OMMIC公司6英寸晶圆