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    • ?01、性質(zhì)卓越,應(yīng)用廣泛的氮化鎵材料
    • ?02、產(chǎn)業(yè)鏈不斷完善,產(chǎn)能增長(zhǎng)迅速
    • ?03、IDM還是Fabless?
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氮化鎵的未來(lái):IDM還是Fabless

11/25 09:55
2035
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作者:鵬程

今年十月份,日本功率器件大廠羅姆半導(dǎo)體(ROHM)公開(kāi)表示,將在氮化鎵功率半導(dǎo)體領(lǐng)域加強(qiáng)與臺(tái)積電合作,公司旗下的氮化鎵(GaN)產(chǎn)品將全面委托臺(tái)積電代工生產(chǎn)。

值得注意的是,羅姆之前主要利用內(nèi)部工廠來(lái)生產(chǎn)相關(guān)器件,但是近年來(lái)已經(jīng)開(kāi)始將部分產(chǎn)品委托臺(tái)積電代工,只不過(guò)羅姆此前并未對(duì)外公布。而此次,羅姆將全面委托臺(tái)積電代工生產(chǎn)有望運(yùn)用于廣泛用途的650V耐壓產(chǎn)品,借由活用外部資源,應(yīng)對(duì)急增的需求,擴(kuò)大業(yè)務(wù)規(guī)模。

有分析認(rèn)為,羅姆全面委托臺(tái)積電代工氮化鎵產(chǎn)品,旨在降低成本。畢竟,氮化鎵材料雖然性能優(yōu)越,但成本一直居高不下。如果成功,市場(chǎng)格局恐怕會(huì)發(fā)生劇變,臺(tái)積電和羅姆的合作,或許將成為氮化鎵產(chǎn)業(yè)的重要里程碑,加速行業(yè)的技術(shù)進(jìn)步和商業(yè)化進(jìn)程。而這背后或許也意味著羅姆可能正在逐漸轉(zhuǎn)變代工模式,即從IDM轉(zhuǎn)向Fabless。

?01、性質(zhì)卓越,應(yīng)用廣泛的氮化鎵材料

寬禁帶材料的研究與發(fā)展已歷經(jīng)多年,相較于傳統(tǒng)的硅基器件,寬禁帶器件能實(shí)現(xiàn)性能的巨大飛躍,比如寬禁帶半導(dǎo)體能夠在極端溫度下工作,承受更高的功率密度、電壓和頻率。正是這些優(yōu)勢(shì)使得寬禁帶材料在新一代電子系統(tǒng)中備受青睞。而在眾多寬禁帶材料中,氮化鎵尤為突出,其不僅在開(kāi)關(guān)應(yīng)用中展現(xiàn)出巨大潛力,也在射頻功率領(lǐng)域中展現(xiàn)出廣闊前景。

氮化鎵是一種直接能隙(direct bandgap)的半導(dǎo)體,自1990年起常用在發(fā)光二極管中。此化合物結(jié)構(gòu)類(lèi)似纖鋅礦,硬度很高。氮化鎵能隙為3.4eV,電子遷移率通常在幾百到幾千cm2/(V·s)的范圍內(nèi),可以用在高功率、高速的光電元件中,例如氮化鎵可以用在紫光的激光二極管,可以在不使用非線(xiàn)性半導(dǎo)體泵浦固體激光器Diode-pumped solid-state laser)的條件下,產(chǎn)生紫光(405nm)激光。

日本名古屋大學(xué)和名城大學(xué)教授赤崎勇、名古屋大學(xué)教授天野浩和美國(guó)加州大學(xué)圣塔芭芭拉分校教授中村修二,其在氮化鎵和固態(tài)照明和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)方面所做工作的巨大影響力而獲得了2014年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。1993年,隨著第1個(gè)具有微波特性的氮化鎵高電子遷移率晶體管(HEMT)器件被公開(kāi)報(bào)道,第三代半導(dǎo)體迅速進(jìn)入微波射頻的研發(fā)和應(yīng)用領(lǐng)域,尤其是氮化鎵射頻器件,以其特有的高功率、高效率、高線(xiàn)性、高工作電壓、抗輻照等優(yōu)異特性,成為硅(Si)、砷化鎵(GaAs)等器件的理想替代者,在軍事裝備、航空航天、第五代移動(dòng)通信5G)技術(shù)等領(lǐng)域發(fā)揮了重要的作用,并展現(xiàn)出了廣闊的發(fā)展前景。

21世紀(jì)初,以S波段固態(tài)微波射頻器件為代表,美國(guó)首先將碳化硅SiC)應(yīng)用到裝備中,盡管隨后逐漸被氮化鎵取代,但其具有的高耐壓、高頻率特性得到電力電子領(lǐng)域的青睞,正逐步成為Si電力電子器件的替代者。事實(shí)上,全球主要國(guó)家初期的產(chǎn)業(yè)奠基發(fā)展規(guī)劃都具備了明顯的國(guó)防軍事傾向與應(yīng)用需求。目前,氮化鎵基HEMT的微波射頻技術(shù)基本實(shí)現(xiàn)了相對(duì)于前代半導(dǎo)體的大跨越。

全球布局氮化鎵基半導(dǎo)體射頻器件的重要廠商有美國(guó)的Cree(現(xiàn)Wolfspeed)、Qorvo、MACOM和Raytheon等,還有德國(guó)的Infineon,加拿大的GaN Systems,日本的三菱電機(jī),以及荷蘭的NXP等。從制造成熟度方面看,美國(guó)Raytheon公司和Qorvo公司的氮化鎵產(chǎn)品已達(dá)到其國(guó)防部制造成熟度評(píng)估最高級(jí),氮化鎵射頻器件的制造工藝已滿(mǎn)足最佳性能、成本和容量的目標(biāo)要求,并已具備支持全速率生產(chǎn)的能力。

2014年,Raytheon公司宣布在“愛(ài)國(guó)者”防空系統(tǒng)部署使用氮化鎵模塊的先進(jìn)雷達(dá);2021年,將其GaN-on-Si技術(shù)授權(quán)給了GlobalFoundries公司,以共同開(kāi)發(fā)出能處理5G和6G毫米波信號(hào)的IC制程,將氮化鎵基射頻器件(RF)規(guī)?;慨a(chǎn)水平升至一個(gè)新臺(tái)階,進(jìn)一步壓縮了RF的成本。此外,氮化鎵具有優(yōu)良的電子遷移率和電子飽和漂移速度,這使得它在射頻和微波電子器件中具有出色的性能,例如5G通信系統(tǒng)中的射頻功率放大器

5G基站對(duì)射頻器件提出更高的要求,傳統(tǒng)的橫向擴(kuò)散金屬氧化物半導(dǎo)體(LDMOS)無(wú)法適應(yīng)5G的高頻率,而氮化鎵適應(yīng)的頻率范圍拓展到了40GHz甚至更高,可適應(yīng)5G高頻的需求;氮化鎵具有軟壓縮特性,更容易預(yù)失真和線(xiàn)性化,實(shí)現(xiàn)更高的效率;氮化鎵可以做到更高的功率密度,達(dá)到LDMOS器件功率密度的4倍左右;氮化鎵封裝尺寸僅是LDMOS的1/4~1/7,氮化鎵射頻器件更適用于5G基站。

2010年,氮化鎵基高功率微波放大器件首先應(yīng)用于小體積、高線(xiàn)性度等高端基站設(shè)備,開(kāi)始向移動(dòng)通信市場(chǎng)投放。隨著第四代移動(dòng)通信(4G)無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的全面鋪開(kāi),2014年氮化鎵應(yīng)用明顯增多,而2GHz以上Si基LDMOS器件的市場(chǎng)占有率從92%下降至76%。而5G的推出,讓氮化鎵微波功率放大器接受度更高,在高頻段下,只能依賴(lài)氮化鎵基HEMT器件。目前,氮化鎵基HEMT的微波射頻技術(shù)基本實(shí)現(xiàn)了第三代半導(dǎo)體相對(duì)于前代半導(dǎo)體(Si基LDMOS、GaAs/InP基pHEMT等)的大跨越。目前,隨著 MBE技術(shù)在氮化鎵材料應(yīng)用中的進(jìn)展和關(guān)鍵薄膜生長(zhǎng)技術(shù)的突破,成功地生長(zhǎng)出了氮化鎵多種異質(zhì)結(jié)構(gòu)。

用氮化鎵材料制備出了金屬場(chǎng)效應(yīng)晶體管(MESFET)、異質(zhì)結(jié)場(chǎng)效應(yīng)晶體管(HFET)、調(diào)制摻雜場(chǎng)效應(yīng)晶體管(MODFET)等新型器件。調(diào)制摻雜的AlGaN/GaN結(jié)構(gòu)具有高的電子遷移率(2000cm2/v·s)、高的飽和速度(1×107cm/s)、較低的介電常數(shù),是制作微波器件的優(yōu)先材料;此外,氮化鎵及藍(lán)寶石等材料作襯底,散熱性能好,有利于器件在大功率條件下工作。

?02、產(chǎn)業(yè)鏈不斷完善,產(chǎn)能增長(zhǎng)迅速

20世紀(jì)80年代初,第三代半導(dǎo)體初露崢嶸,率先在化合物照明領(lǐng)域取得重大突破,目前已經(jīng)在全球形成萬(wàn)億級(jí)的市場(chǎng)規(guī)模。近3年受新冠疫情影響,第三代半導(dǎo)體發(fā)展有所緩滯,但全球體量仍以每年約10%的復(fù)合增長(zhǎng)率提高。隨著深紫外發(fā)光二極管(LED)、Mini-LED、Micro-LED等革新技術(shù)的出現(xiàn),第三代半導(dǎo)體在光電子領(lǐng)域又開(kāi)辟出新型顯示、智慧農(nóng)業(yè)、醫(yī)療健康等新的應(yīng)用場(chǎng)景,將進(jìn)一步擴(kuò)大市場(chǎng)規(guī)模。

近年來(lái),氮化鎵技術(shù)取得了一系列重大突破。例如,德國(guó)芯片巨頭英飛凌成功開(kāi)發(fā)出300毫米氮化鎵功率半導(dǎo)體晶圓技術(shù),顯著降低了生產(chǎn)成本,有助于推動(dòng)氮化鎵技術(shù)的大規(guī)模商業(yè)化應(yīng)用。隨著氮化鎵技術(shù)的不斷成熟和應(yīng)用領(lǐng)域的不斷拓展,氮化鎵產(chǎn)業(yè)鏈也在不斷完善。從襯底到外延到功率器件、射頻器件、光電器件的全覆蓋,各企業(yè)都在努力完善自身的產(chǎn)業(yè)鏈布局。

而在英諾賽科招股書(shū)中把氮化鎵產(chǎn)業(yè)鏈分為上游供應(yīng)商包括設(shè)備供應(yīng)商及原材料供應(yīng)商,其中原料主要涉及氮化鎵襯底,可分為藍(lán)寶石、硅、碳化硅、氮化鎵自支撐襯底四種材料。中游的氮化鎵功率半導(dǎo)體廠商負(fù)責(zé)氮化鎵功率半導(dǎo)體的設(shè)計(jì)、制造、封裝和測(cè)試等,具體又包含了IDM和Fabless兩種模式。

在下游,氮化鎵功率半導(dǎo)體適用于應(yīng)用場(chǎng)景廣泛的各種功率器件,包括消費(fèi)電子電動(dòng)汽車(chē)數(shù)據(jù)中心、光伏、儲(chǔ)能等。目前,各個(gè)環(huán)節(jié)國(guó)內(nèi)均有企業(yè)涉足,如在射頻領(lǐng)域,氮化鎵襯底有維微科技、科恒晶體、鎵鋁光電等公司。外延片涉足企業(yè)有晶湛半導(dǎo)體、聚能晶源、英諾賽科等。蘇州能訊、四川益豐電子、中科院蘇州納米所等公司則同時(shí)涉足多環(huán)節(jié),力圖形成全產(chǎn)業(yè)鏈公司。

?03、IDM還是Fabless?

目前在硅基半導(dǎo)體領(lǐng)域,主要有Fabless和IDM兩種模式。IDM模式是一種垂直整合型商業(yè)模式,即企業(yè)自行設(shè)計(jì)芯片,并將自行生產(chǎn)加工、封裝、測(cè)試后的成品進(jìn)行銷(xiāo)售。

與IDM模式不同,F(xiàn)abless模式是一種專(zhuān)注于設(shè)計(jì)的商業(yè)模式。在這種模式下,企業(yè)主要負(fù)責(zé)集成電路的設(shè)計(jì)、測(cè)試和銷(xiāo)售環(huán)節(jié),而將晶圓制造、封裝和測(cè)試等生產(chǎn)環(huán)節(jié)外包給專(zhuān)業(yè)的代工合作伙伴來(lái)完成。而在氮化鎵領(lǐng)域,IDM模式的代表廠商有三安光電、英諾賽科、士蘭微電子、蘇州能訊、江蘇能華、大連芯冠科技等公司,F(xiàn)abless廠商主要有華為海思、安譜隆等,同時(shí)海威華芯和三安集成可提供GaN 器件代工服務(wù)(Foundry模式)。

當(dāng)下,很多過(guò)去致力于硅基半導(dǎo)體代工的廠商也早已觀察到氮化鎵市場(chǎng)的廣闊前景,并提前開(kāi)始布局。例如,代工龍頭臺(tái)積電就一直很關(guān)注氮化鎵產(chǎn)業(yè),其程度甚至超過(guò)當(dāng)前風(fēng)頭正盛的碳化硅。

早在2020年,臺(tái)積電就宣布,要與意法半導(dǎo)體合作加速氮化鎵制程的開(kāi)發(fā),并將分離式與整合式氮化鎵元件導(dǎo)入市場(chǎng)。透過(guò)此合作,意法半導(dǎo)體將采用臺(tái)積電公司的氮化鎵制程來(lái)生產(chǎn)其氮化鎵產(chǎn)品。很多氮化鎵廠商已經(jīng)開(kāi)始與臺(tái)積電進(jìn)行合作,而臺(tái)積電所進(jìn)行的氮化鎵代工業(yè)務(wù)也多是目前主流的GaN-on-Si。

而一直將臺(tái)積電視為其競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手的三星,也在氮化鎵領(lǐng)域上進(jìn)行了投資。為填補(bǔ)本身在晶圓代工上的劣勢(shì),三星已經(jīng)開(kāi)始培育韓國(guó)國(guó)內(nèi)半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)的新創(chuàng)公司,其中就包括三星投資部門(mén)的80億韓元投資的IVworks,該公司是韓國(guó)第一家開(kāi)發(fā)8英寸GaN-on-Si外延片和4英寸GaN-on-SiC外延片的晶圓代工廠。其他還有像聯(lián)電、世界先進(jìn)、穩(wěn)懋半導(dǎo)體、三安集成、X-Fab等代工廠商均有氮化鎵的代工業(yè)務(wù)。

IDM模式強(qiáng)調(diào)全生命周期控制和垂直整合,適用于技術(shù)密集型和資金密集型的行業(yè);而Fabless模式則專(zhuān)注于設(shè)計(jì)和技術(shù)創(chuàng)新,適用于規(guī)模較小、資源有限但具有創(chuàng)新能力的企業(yè)。

在實(shí)際應(yīng)用中,企業(yè)應(yīng)根據(jù)自身的技術(shù)實(shí)力、資金狀況和市場(chǎng)定位等因素來(lái)選擇適合自己的商業(yè)模式。同時(shí),隨著半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)的不斷發(fā)展和市場(chǎng)需求的不斷變化,企業(yè)也應(yīng)不斷調(diào)整和優(yōu)化自己的商業(yè)模式以適應(yīng)市場(chǎng)變化。為提高競(jìng)爭(zhēng)力并確保穩(wěn)定供應(yīng),氮化鎵功率半導(dǎo)體企業(yè)通常結(jié)合資源和技術(shù)優(yōu)勢(shì),以建立涵蓋氮化鎵功率半導(dǎo)體設(shè)計(jì)與生產(chǎn)的完整產(chǎn)業(yè)鏈系統(tǒng)。

因此,近年領(lǐng)先的IDM功率半導(dǎo)體公司多次收購(gòu)氮化鎵功率半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)的參與者,以建立本身的地位。早期布局IDM的企業(yè)可獲得先發(fā)優(yōu)勢(shì)和長(zhǎng)期競(jìng)爭(zhēng)力。氮化鎵市場(chǎng)前景大,已經(jīng)孵化了大量企業(yè)。對(duì)于后發(fā)企業(yè)來(lái)說(shuō),選擇Fabless不失為一個(gè)好的選擇。短期內(nèi),兩種模式可能共存。但隨著硅基半導(dǎo)體代工企業(yè)的介入,憑借強(qiáng)大的資本積累有望打破這種平衡局面。

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