射频GaN市场机遇及Foundry代工厂巡览

一、前言

氮化镓（GaN、Gallium nitride）是氮和镓的化合物，是一种III和V的直接能隙（direct bandgap）的半导体，自1990年起常用在发光二极管中。此化合物结构类似纤锌矿，硬度很高。氮化镓的能隙很宽，为3.4电子伏特，可以用在高功率、高速的光电元件中，例如氮化镓可以用在紫光的激光二极管，可以在不使用非线性半导体泵浦固体激光（Diode-pumped solid-state laser）的条件下，产生紫光（405 nm）激光。

（图1 GaN晶格结构）

其对电离辐射的敏感性是低的（如同其他III族氮化物），使得它成为用于人造卫星的太阳能电池阵列的合适材料。军事的和空间的应用也可能受益，因为设备显示出在辐射环境中的稳定性。因为氮化镓晶体管可以在高得多的温度和工作在远远超过砷化镓 (GaAs) 晶体管更高的电压，使它们在微波频率成为理想的功率放大器。

（图2 GaN晶圆）

今年的GaN（氮化镓）器件市场异常活跃，GaN逐渐成为主流，开始渗透一些批量需求的商业市场。
GaN已经在大部分高功率军事应用中站稳了脚跟，并且还抓住了有线电视、移动基础设施的部分市场。虽然LDMOS（横向扩散MOS晶体管）目前仍占据基础设施和工业市场的绝大部分份额，但这种情况可能很快就会改变，因为GaN性能与LDMOS基本相当甚至更胜一筹。也许LDMOS现在的唯一优势就是价格了，但这一优势也逐渐不保：Qorvo公司最近宣布将重心转移到6英寸SiC（碳化硅）基GaN上；MACOM公司也宣布将尝试在成本较低的CMOS（Complementary Metal Oxide Silicon 互补型金属氧化物半导体）生产线上生产8英寸Si（硅）基GaN。这些举动都有利于提高GaN的成本竞争优势。

此外，GaN在高功率应用市场上还在挑战GaAs（砷化镓）的地位，并且在大部分面向未来的军事应用中已经取代了GaAs，这些军事应用最重要的性能指标就是功率。
 
二、总体情况

北美有多家GaN的代工厂（包括在加拿大的一家），欧洲有两家，还有被称作是最大的不受管制类化合物半导体制造厂家：台湾的稳懋半导体（WIN Semiconductors）。尽管日本的射频GaN市场份额占有率高，我们也没发现有任何日本的公司提供代工服务，其中包括最大的GaN制造厂商之一的住友商事（Sumitomo）。

中国正在积极的收购及成立半导体公司，打算快速地构建模拟市场和数字化市场。成都的海威华芯（HiWafer）半导体公司和厦门的三安集成电路公司（San’an Integrated Circuit）提供化合物半导体的代工服务，而且这两家公司都对外宣布说他们的6英寸GaN生产线已投产或正在建设。

（图3 三安光电LOGO）

（图4 海威华芯LOGO）

在美国，多数顾客选择Wolfspeed（Cree 旗下公司，被德国英飞凌公司收购），然而很多欧洲的企业，特别是在做航空和防务领域的企业，通常都会选择UMS（United Monolithic Semiconductors）公司或者OMMIC公司。

有几家公司跟这些代工厂存在战略合作伙伴关系，说白了就是将渠道独享，不分享给其他的公司。举个例子来说，GCS公司其总部在加利福尼亚州的托伦斯，但这家公司拒不提供关于我们做的这项调查的任何信息，这就是典型的受ITAR（国际武器贸易条例）控制的公司，也就是说，他们确实为一些公司提供射频GaN的制造服务。还有多家受管制类射频GaN制造商，像雷声（Raytheon），MACOM和Qorvo。

对应的还有一些相对独立的制造商：RFMD和TriQuint提供GaN制造代工服务，不过自从他们合并成为了Qorvo，从反馈的结果来看，他们仅仅为一些"战略上"的顾客服务。

（图5 CREE LOGO）

（图6 OMMIC LOGO）
 
三、衬底相关信息

多数射频GaN器件的衬底都是SiC，因为SiC和GaN的晶格匹配度非常不错，而且SiC还有GaN需要的高热导率的性能。
因为GaN器件相对于其他的一些器件来说，其功率密度很高。要把产生的热量快速导出不是一件容易的事情，所以衬底和外面封装的材料同样至关重要。但MACOM公司决定逆潮流而上，他们对抗国际整流器公司（该公司同样被德国英飞凌公司收购）的原始专利，这一专利就是Si衬底上生长GaN（MACOM收购了Nitronex，从Nitronex那儿得到的）。Si衬底，有更低的价格，但同时热导率也比SiC低。不过，MACOM公司有解决方法：其公布了一组数据，数据显示如果设计恰当，在应用上，Si基GaN的性能是可以和SiC基GaN性能一样可靠的。

Si基GaN拥有的优势在于：可以在标准工艺上处理更大的晶圆，并且其CMOS生产线成本低廉。不过MACOM公司并不提供代工服务，他们与GCS公司合作生产Si基GaN器件，但这一工艺并不开放给其他公司。

另一家公司，OMMIC公司是我们发现的除MACON公