氮化鎵的未來(lái)：IDM還是Fabless

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。