【芯版图】15年前被视作砷化镓未来替代品，GaN进化史被谁书写
2020-02-26
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集微网消息（文/小如）近年来，第三代半导体材料正凭借其优越的性能和巨大的市场前景，成为全球半导体市场争夺的焦点。所谓第三代半导体材料，主要包括 SiC（碳化硅）、GaN（氮化镓）、金刚石等。
目前第三代半导体材料研究重点多集中于SiC和GaN技术。随着小米氮化镓充电器的推出，GaN的热度被迅速点燃。
从GaN的发展来看，GaN首先在LED领域大放异彩，而时间也从上世纪90年代开始。自20世纪初以来，GaN功率器件已经逐步商业化。2010年，第一个GaN功率器件由IR投入市场，2014年以后，600V GaN HEMT已经成为GaN器件主流。2014年，行业首次在8英寸SiC上生长GaN器件。
而自商用功率GaN器件首次发布以来，越来越多的企业进入该产业链，如EPC、GaN Systems、Transphorm、Navitas等。当然，功率器件行业巨头如英飞凌、安森美半导体、意法半导体、松下和德州仪器等在过去的几年里也启动了“GaN计划”。
（来源：中泰证券研究所）
始于军工的GaN
2005年，美国国防部高级研究计划局（DARPA）为将GaN视为GaAs的替代品，开始为制造商提供GaN研发资金，从而开始致力于其发展。彼时，国防工业界希望每个单元都能获得高功率，以缩小阵列，而GaN保证了真正意义上的高效率。
在这一过程中，不得不提及美国军工企业——洛克希德·马丁公司。同样是在2005年，洛马公司开始了“太空篱笆”项目。DARPA希望促进GaN的成熟度以使工业界达到预期产量，从而使部件从经济上而言更加实惠。洛马公司参与了美国空军3DELRR雷达项目，美国空军要求该项目采用GaN芯片。
据悉，2010年洛马公司达到了技术成熟度6级，能够演示采用GaN技术建造的高功率L波段发射机。
各大厂商的GaN布局之路
美国雷声公司（Raytheon）
雷神公司是美国的大型国防合约商，成立于1922年。随着GaN达到相应的成熟度等级，美国军方希望将其应用于新的雷达项目。
2014年，雷声公司正在将GaN和有源电扫阵列（AESA）装备到到“爱国者”雷达系统中。基于GaN的AESA赋予雷达360°的监视能力。
2015年2月，美国政府批准雷声公司研制的装备有AESA/GaN的新型“爱国者”雷达进入国际市场销售。
雷声公司的AMDR雷达将作为首个采用GaN芯片的雷达交付。AMDR雷达将被整合到美国海军DDG 51 Flight III型驱逐舰上。
伴随着GaN功率器件产业的发展，越来越多的公司也相继加入了GaN阵营，总体来看，目前GaN产业链中的万家仍以美日欧为主。
Qorvo
上文提及的洛马公司由于没有制造厂，一度求助于商业制造厂商美国Cree公司和TriQuint半导体公司。2015年，TriQuint与RFMD两家公司合并成立一家新公司Qorvo，一家全球领先的RF厂商从此诞生。
2014年6月，TriQuint公司达到制造成熟度（MRL）9级。2014年7月，TriQuint公司的GaN制造工艺达到TRL9级，符合全部性能、成本和产能目标，并具备支持全速率生产的能力，也是首个达到制造成熟度（MRL）9级的公司。
2015年5月，Qorvo公司推出了采用GaN的Ku和Ka波段功率放大器，能提高商业小孔径终端和军用卫星通信的效率、增益和功率。
2015年9月，Qorvo宣布将专有的碳化硅(SiC)基QGaN25氮化镓(GaN)工艺技术扩展用于在6英寸晶圆上生产单片微波集成电路(MMIC)。预计从4英寸过渡到6英寸晶圆，大约能使Qorvo公司的碳化硅基氮化镓生产能力增加一倍
为了满足日渐上升的5G要求，Qorvo目前能提供从QGaN50到QGaN09，从20伏、28伏、36伏、48伏到65伏所有电压的产品线。
Transphorm
美国Transphorm是一家设计、生产氮化镓功率转换器和模块的企业，其产品应用于电源、功率适配器、马达驱动器、太阳能转换器以及电动车辆等领域，也是公认的第一家将600伏GaN硅晶体管量产通过授证的公司。
Transphorm创始人Primit Parish和Umesh Mishra早年创办一家名为Nitres的GaN LED公司，在Nitres被Cree（科锐）收购后，2007年，两人便联合创办了Transphorm公司。
2013年，Transphorm公司推出了业内唯一经过JEDEC认证的GaN器件。同年，富士半导体公司和Transphorm公司宣布对两家公司的氮化镓功率器件解决方案进行整合。从那时起，Transphorm公司的JEDEC工艺和富士半导体公司的基础性技术就进行了结合并被移植到兼容CMOS技术、采用150毫米晶片工艺的福岛富士半导体公司晶片厂。
2015年1月，Transphorm公司和富士半导体宣布兼容CMOS技术的150毫米晶片厂开始大规模生产氮化镓开关功率器件。
2017年3月，Transphorm推出了当时市场上仅有的一款经过AEC-Q101认证的650V车用GaN器件。
IR
IR（美国国际整流公司）于2010年推出了第一批商用化的GaN产品iP2010和iP2011，用于多相和POL的DC-DC转换器、开关和服务器等。
2013年5月，IR开始Si上GaN器件的商业化。
2014年，IR被英飞凌收购。
英飞凌
英飞凌是市场上能提供涵盖硅（Si）、碳化硅（SiC）和氮化镓（GaN）等材料的全系列功率产品的公司。英飞凌拥有自主的研发能力，能够覆盖从前端到后端的自主研发，能够把整个氮化镓产业链在自己的工厂里面完成。
2014年9月，英飞凌以30亿美元收购美国国际整流（IR）公司，通过此次并购，英飞凌取得了IR的Si基板GaN功率半导体制造技术。
2015年3月，英飞凌和松下达成协议，联合开发采用松下电器的常闭式Si基板GaN晶体管，与英飞凌的表贴（SMD）封装的GaN器件，推出高能效600V GaN功率器件。松下向英飞凌授予了使用其常闭型GaN晶体管结构的许可。按照协议，两家公司均可生产高性能GaN器件。
英飞凌于2018年底开始量产CoolGaN 400V和600V增强型HEMT。
耐威科技
耐威科技以传感技术为核心，紧密围绕物联网、特种电子两大产业链，一方面大力发展MEMS、导航、航空电子三大核心业务，一方面积极布局无人系统、第三代半导体材料和器件等潜力业务，并获得国家大基金等资本青睐。
在GaN领域，耐威科技在即墨投资设立了聚能晶源公司，专注GaN外延材料的研发生长；在崂山投资设立了聚能创芯公司，专注GaN器件的开发设计。从入驻到项目建成投产，聚能晶源仅仅用了一年多的时间。
2018年5月份，耐威科技发起成立聚能晶源。2019年9月10日，聚能晶源举行“8英寸GaN外延材料项目投产暨产品发布仪式”，意味着国内8英寸GaN外延材料再添新兵。
如今，耐威科技已成功研制具备全球领先水平的8英寸硅基氮化镓外延晶圆，且正在持续研发氮化镓器件，致力于成为业界首屈一指的高性能GaN功率器件供应商。
苏州能讯
苏州能讯在江苏昆山建成了中国第一家氮化镓电子器件工厂。
苏州能讯采用整合设计与制造（IDM）的模式，自主开发了氮化镓材料生长、芯片设计、晶圆工艺、封装测试、可靠性与应用电路技术，致力于宽禁带半导体氮化镓电子器件技术与产业化，为5G移动通讯、宽频带通信等射频微波领域和工业控制、电源、电动汽车等电力电子领域等两大领域提供高效率的半导体产品与服务，是中国氮化镓产业领军企业。
Navitas（纳微半导体）
纳微半导体成立于2014年，是世界上第一家推出氮化镓功率IC的公司。
纳微是全球第一家GaN功率IC公司，纳微采用GaN工艺做驱动、保护、逻辑控制、电平转换电路，并将这些关键的数字和模拟电路与GaN功率器件单片集成。
2017年9月，纳微半导体发布了号称世界上最小的65W USB-PD 手提电脑电源适配器。
2018年6月21日，纳微半导体宣布在杭州设立国内GaNFast研发中心。
如今的纳微，更是因为小米GaN充电器而备受关注。
安森美
安森美半导体作为电源半导体重要供应商之一，投入了大量资金研发宽禁带（WBG）产品。安森美半导体定位为以合理成本提供最可靠的WBG产品，产品范围宽广，涵盖SiC二极管、SiC MOSFET和氮化镓(GaN)。
2015年，安森美与Transphorm建立合作关系，共同开发及共同推广基于GaN的产品和电源系统方案。2015年，两家公司已联名推出第一代600 V GaN 级联结构(Cascode)晶体管.
据悉，安森美第一代600 V硅基GaN器件已比高压硅MOSFET提供好4倍以上的门极电荷、更好的输出电荷、差不多的输出电容和好20倍以上的反向恢复电荷。
尽管有这些“铺路人”，但氮化镓的时代已经到来了呢？氮化镓产业发展的实际情况又是如何？
2月28日下午14时，集微龙门阵第二期，将邀请氮化镓行业代表企业及大咖，以腾讯会议及爱集微APP线上直播形式，共话GaN产业热潮下的思考和解读。
您可以扫描上方图片中的二维码，也可以点击此处进行报名。（校对/小北）
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赵碧莹
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