嘿丝儿科技|突围还要蓄力，红出圈的氮化镓（GaN）：爆发前的黎明( 二 )

2020-09-20

实际上，从GaN本身来说，还只是处在爆发前夜。以红得发紫的GaN快充为例，半导体行业资深投资人老周（化名）给采访人员算了笔账：“小米GaN快充的单价是149元，目标是年销售100万个，这就是1.5亿元销售额。对一个产品来说，是很不错的成绩。但如果把使用的GaN芯片换算成晶圆，也就是300～500片的数量。对于晶圆厂，这都不算量产，至多是个样品生产阶段。 ”
老周一直在关注GaN功率市场的状况。据他连续5年的观察来看，整个市场还没有真正起量。
苏州能讯总经理任勉亦认为，功率GaN还是一个充满竞争的领域，对其成本要求比较高，需要与硅材料比拼成本、性能，其产业发展还不够成熟。
5G市场情况同样如此。根据业界的共识， 2W以下的场景主要使用了GaAsPA ， 2W以上的场景由LDMOS（横向扩散金属氧化物半导体）PA和GaNPA占据。 GaAs比较适合微基站，而GaN工艺适合用于宏基站大功率输出场景。
LDMOS是GaN在宏基站中最主要的对手。 5G频谱分布在6GHz以下及28GHz以上毫米波的波段，频率越高， LDMOS工艺的器件性能下降越多，因此其主要用在低频段部署中。
国内一家做宏基站PA的公司负责人赵林（化名）说：“5G的宏基站中， 3GHz以上GaN在替代LDMOS ，但是3GHz以内仍然以LDMOS为主。 ”
价格是一个重要的因素。根据5G基站的上游采购价格，拓璞分析，目前用于3.5GHz频段的5G宏基站，采用LDMOS工艺的PA单扇区的价格超过了400美元，采用GaN工艺的PA价格则超过了700美元。 ”
不过， 5G基础设施对高密度、小尺寸天线阵列的需求，导致射频系统中对功率和热管理处理的难度大增， GaN能效高、功率密度高，适应频率范围更宽，有能力应对5G基站小型化的趋势。
因此， GaN占主导的趋势愈发明显。国内的基站设备商在部署5G时采用了大量GaNPA ，其他国家的基站厂商在PA技术上也在跟随。
虽然形势大好，但是因为技术成熟度和5G部署的原因， “这个市场真正要起量，还是在明年。 ”老周判断。
GaN-on-Si还是GaN-on-SiC
GaN产业链包括上游的材料（衬底和外延）、中游的器件和模组、下游的系统和应用。
GaN材料的制备，主要包括衬底制备和外延工艺两大环节。衬底是由半导体单晶材料制造而成的晶圆片，可以直接进入晶圆制造环节生产半导体器件，也可以进行外延工艺加工生产外延片。外延是指在单晶衬底上生长一层新单晶的过程，新单晶可以与衬底为同一材料，也可以是不同材料。外延可以生产种类更多的材料，使器件设计有更多选择。
蓝宝石是GaN最初使用的衬底材料，也是最成熟的材料，大部分光电应用的GaN器件都是通过这种衬底制造的。新兴的两种衬底是Si和SiC ，即GaN-on-Si（硅基氮化镓）和GaN-on-SiC（碳化硅基氮化镓）。

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图GaN-on-SiC、GaN-on-Si、GaN-on-Diamond发展预测（来自YoleDe?veloppement）
大部分的厂商使用GaN-on-SiC来生产GaN射频器件。 SiC和GaN的晶格匹配度良好，而且SiC还有高热导率的性能，便于功率密度很高的GaN射频器件快速导出热量。
后起之秀Si衬底有更低的价格，但同时热导率也比SiC低。凭借成熟的Si工艺， GaN-on-Si可以用标准工艺处理更大的晶圆，大幅降低了生产成本，其晶圆成本只有SiC基的百分之一。
SiC衬底的主流尺寸是4～6英寸， 8英寸衬底已由II-VI公司和Cree公司研制成功。其中，半导电型SiC衬底以n型衬底为主，主要用于光电子器件、电力电子器件等。半绝缘型SiC衬底主要用于外延制造GaN高功率射频器件。
相比之下， GaN-on-Si性能略逊于GaN-on-SiC ，但目前工艺水平制造的器件已能达到LDMOS原始功率密度的5～8倍，在高于2GHz的频率工作时，成本与同等性能的LDMOS出入不大。

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