GaN器件的四大工艺路线，选硅基还是碳化硅基？

前言：【核芯观察】是电子发烧友编辑部出品的深度系列专栏，目的是用最直观的方式令读者尽快理解电子产业架构，理清上、中、下游的各个环节，同时迅速了解各大细分环节中的行业现状。我们计划会对包括集成电路、分立器件、传感器、光电器件等半导体产业上下游进行梳理。本期将继续研究第三代半导体的内容，这次带来的是氮化镓产业链上游梳理。

同为第三代半导体，GaN与前面几期我们提到的SiC其实也有很多不同。首先在GaN材料特性上，其承受的电压和功率密度会比SiC低一点，但GaN器件可以拥有接近于0的关断时间，也就是可以工作在比SiC器件更高的开关频率上。

另一方面，SiC在功率器件上的应用要比GaN早得多，GaN最负盛名、也是最早的应用，是蓝光LED。1969年，日本科学家首次实现了在蓝宝石衬底上GaN单晶薄膜的制备，但质量较差；1986年，赤崎勇和天野浩采用MOCVD法获得了高质量GaN薄膜，并于1989年在全球首次研制出了PN结蓝光LED；1992年，中村修二以双异质结构代替PN结，研制出高效率GaN蓝光LED。

随后的十多年时间里，GaN 分别在射频领域比如高电子迁移率晶体管（HEMT）和单片微波集成电路（MMIC），以及功率半导体领域起到了重要作用。2010年，国际整流器公司（IR公司，2014年被英飞凌收购）发布了全球第一个商用GaN功率器件，正式拉开GaN在功率器件领域的商业化大幕。

2014年，是硅基氮化镓真正从工艺到量产的时间节点，而2014-2018年，是整个产业生态逐渐完善的时间段，从2018年开始，氮化镓功率芯片的生态和制造工艺完善，开始大规模导入市场，目前在手机快充中被广泛应用。

在本次GaN专题中，我们将GaN产业链的上中下游各分为几个部分：上游主要是原材料，包括衬底、外延片；中游主要是IC设计、GaN晶圆制造、封装测试；下游是应用部分，包括射频器件、功率器件、以及光电器件。

一

GaN上游

GaN的上游材料部分，包括衬底、外延片。其中衬底是所有半导体芯片的底层材料，起到物理支撑、导热、导电等作用；而在衬底上生长出同质或异质晶体外延层的薄片，就叫外延片，器件有时候制作在外延片的外延层上，也有时候制作在外延片的衬底上（此时外延层起到支撑作用）。

GaN器件，则可以由同质或异质外延片制作而成，目前主流的是GaN异质外延片，衬底有蓝宝石、Si、SiC这三种，其中GaN-on-SiC（碳化硅基氮化镓）和GaN-on-Si（硅基氮化镓）可以用于功率和射频领域，GaN-on-Sapphire（蓝宝石基氮化镓）主要用于LED领域。但GaN单晶衬底，或者说GaN同质外延片由于工艺以及成本问题，目前还未大规模商用。

具体来看，基于不同衬底的GaN器件，在性能上会有一些区别。

 

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GaN-on-GaN

从上图其实能够看出，理论上，生长GaN外延层的最佳衬底还是GaN。以GaN作为衬底生长出的GaN外延层，晶体质量会大大提高，基于GaN-on-GaN的GaN器件，缺陷密度也会大大降低。

GaN-on-GaN在光电领域，主要用于蓝/绿激光器；在功率器件领域，近年随着高质量GaN单晶衬底的出现，垂直型GaN-on-GaN功率器件因为较高的功率等级和工作频率得到了更多关注，未来在高功率领域GaN-on-GaN会有较大的发展空间。

但由于GaN衬底的主要制作方式是，先在蓝宝石衬底上生长出GaN厚膜，分离后的GaN厚膜再作为外延用的衬底，所以成本极高。以4英寸衬底价格算，GaN衬底要比Si衬底贵接近90倍。

目前，主要的GaN单晶衬底供应商包括有国内的纳维科技、吴越半导体、中镓半导体、镓特半导体，日本的住友电工、古河机械、三菱化学，美国的Kyma法国的Lumilog等公司。其中主流的量产产品还是2英寸，4英寸与6英寸GaN单晶衬底已经有多家厂商宣布完成研发，其中4英寸有部分厂商实现量产。

苏州纳维在2017年率先推出4英寸GaN单晶衬底，并且还表示突破了6英寸的关键核心技术；2018年2月，东莞中稼半导体宣布，在国内首次试产4英寸自支撑GaN衬底，并在2019年10月发售4英寸自支撑氮化镓衬底；2020年3月，镓特半导体宣布开发出4英寸掺碳半绝缘GaN晶圆片，并表示“镓特是第一家，也是唯一一家生产4英寸半绝缘氮化镓晶圆片的公司”。

2021年，日本住友电工和三菱化学都宣布将会在2022年开始量产4英寸GaN单晶衬底。

GaN-on-GaN外延片主流尺寸2英寸，NexGen Power Systems和Odyssey Semiconductor

已经推出了商业化外延产品以及沟槽型电力电子器件。

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GaN-on-SiC

SiC与GaN晶格失配较小，导电、热导率高，是主流的GaN外延生长衬底之一。其中，导电型SiC衬底主要用于外延GaN基LED等光电子器件、SiC基电力电子器件，半绝缘型SiC衬底主要用于外延制造GaN高功率射频器件，比如5G基站中的PA、军用雷达等。

目前 SiC 龙头 Wolfspeed的6英寸 N 型（导电型）SiC衬底价格约每片1000美元，而12英寸硅片价格仅在100美元左右。不过随着规模效应以及工艺提升，SiC 衬底的制造成本在加速下降。

 

根据天岳先进的公开数据，2021H1公司半绝缘SiC衬底单片成本较 2018 年下降了46%。同时像Wolfspeed、II-VI等正在加速量产8英寸SiC衬底的步伐，可以预见SiC衬底的成本会在未来几年进一步降低，每年降幅将达到8%-10%左右。

 

目前主要的SiC衬底供应商包括美国的Wolfspeed、II-VI，日本的罗姆，国内的天岳先进、天科合达等等。在半绝缘型碳化硅市场，主流的衬底尺寸为4英寸；而在导电型碳化硅市场，主流的衬底尺寸为6英寸。8英寸SiC衬底目前仍未大规模量产，预计在2022-2023年开始部分国际头部厂商会开始量产。

GaN-on-SiC外延片6 英寸代表企业有Wolfspeed、Qorvo、NXP，4英寸主要是住友电工。

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GaN-on-Si

Si作为最基础的半导体材料，当它用作GaN外延的衬底也有不少优点，成本低、晶体质量高、尺寸大、导电型、导热性好，热稳定性好等。

不过，由于Si和GaN之间的热失配和晶格失配很大，这种低适配性导致Si衬底上无法直接生长GaN外延层，需要多道缓冲层来过渡，因此外延层质量水平就比SiC基差不少，良率也较低，仅约为60%。

所以目前硅基氮化镓只能用来做小功率射频、功率器件，特别是在消费电子快充产品中得到广泛应用有替代Si MOSFET的趋势。未来随着GaN-on-Si异质外延技术的成熟，在5G、sub 6G的射频领域也将逐渐渗透。另外，GaN-on-Si由于成本优势，并且能够接近于蓝宝石LED类似的效能，在MiniLED以及MicroLED领域也有一定的发展空间。

硅基GaN外延片相关企业主要有比利时的EpiGaN、英国的IQE、日本的NTT-AT，中国厂商有苏州晶湛、苏州能华和世纪金光。4~6英寸Si基GaN外延片已经实现量产，目前市场份额最高的是住友电工、Wolfspeed、Qorvo等三家厂商。苏州晶湛2014年就已研发出8英寸硅基外延片，现阶段已能批量生产，2018年12月聚能晶源成功研制了 8 英寸硅基氮化镓（GaN-on-Si）外延晶圆。

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GaN-on-Sapphire

蓝宝石衬底主要应用在LED市场，主流尺寸为6英寸，蓝宝石衬底GaN-LED芯片市场占有率达到90%以上。

部分厂商也在推出蓝宝石基的GaN功率器件，比如Power Integrations推出的PowiGaN技术是业界首款GaN-on-Sapphire功率IC，其功率GaN HEMT是在蓝宝石衬底上制造的，并在智能手机快充应用上批量出货。国内苏州晶湛半导体也有GaN-on-Sapphire外延片推出。

总的来看，蓝宝石衬底由于与GaN晶格失配和热失配大、不导电、倒装焊工艺复杂、价格昂贵且导热性能差等原因，未来难以在功率和射频领域有更大规模的应用。

小结：

目前来看，Si基GaN和SiC基GaN是发展速度最快的两个工艺方向，大部分GaN功率以及射频器件都是基于Si和SiC衬底。其中SiC基GaN由于在军用雷达、射频等领域的应用，技术上更加成熟，随着8英寸SiC衬底正在开始量产，成本还会进一步降低。Si基GaN具有天然成本优势，目前已经在智能手机、快充电源等领域大量出货，未来还会向5G、sub 6G领域逐渐渗透，同样具有很大的应用潜力。未来几年内GaN市场在材料端的竞争，仍将是Si基GaN和SiC基GaN两种技术路线的竞争。

下一期，我们将会带来GaN产业中游，包括IC设计、GaN晶圆制造、封装测试的行业梳理。

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