两大技术阵营加速扩产

尽管出现了一家公司掌握两种技术的情形,在RF GaN领域仍然是两大技术阵营。

碳化硅基氮化镓引领商用

目前业界超过95%商用RF GaN器件在采用碳化硅基氮化镓工艺。在RF应用方面,Cree(Wolfspeed)实力最强,在GaN HEMT专利竞争中,尤其是碳化硅基氮化镓技术方面远远领先于主要竞争对手住友电工和富士通。戏剧性的是,2016年7月,英飞凌宣布以8．5亿美元现金收购Cree Wolfspeed功率与RF部门;2017年2月,因美国政府原因收购遇阻;2018年3月,大反转出现,Cree反以3．45亿欧元并购了英飞凌设计制造LDMOS放大器,同时拥有GaN-SiC/Si器件生产能力的RF功率业务,Cree成为了全球最大的RF GaN器件供应商。Cree除为自己生产RF GaN器件,还向提供GaN代工生产服务。

Cree在RF领域主要走碳化硅基氮化镓路线,2019年5月,它在美国北卡罗莱纳州扩建了一座先进自动化8英寸碳化硅晶圆工厂及一座材料超级工厂,以此提升其碳化硅晶圆尺寸和市占率,并将碳化硅基氮化镓先进磊晶(Epitaxial)技术进一步应用于功率及RF元件。

早在2018年,新兴应用工程材料供应商II-VI与SEDI(住友电工旗下住友电气设备创新公司)合作,打造垂直整合的6英寸晶圆制造平台,制造最先进的碳化硅基氮化镓HEMT器件,以支持下一代无线网络。

2019年10月,II-VI推出了世界上第一款用于5G天线RF PA的8英寸半绝缘碳化硅衬底。II-VI在开发和大批量制造优质碳化硅衬底方面拥有多年经验,特别是受保护的庞大且不断扩大的知识产权组合。II-VI致力于不断提高材料质量和增加衬底直径,通过提高产量、降低成本,使合作伙伴能够制造性能更高的新一代器件。

为抢占新兴RF GaN市场,除了SEDI与II-VI的垂直整合,2020年10月,恩智浦(NXP)在美国亚利桑那州开设了世界上第一家6英寸碳化硅基氮化镓晶圆厂,是为美国境内专注于5G RF PA的最先进晶圆厂,其能力可扩展至6G甚至更高。恩智浦认为,随着蜂窝市场向更高频率和功率发展,氮化镓可提供最先进的线性化能力和RF性能,简化5G部署;对国防和工业也可提供宽带性能和高频操作,其固态器件的所有优点都可以应用于RF功率应用,而不会影响效率。

在代工层面,Win Semiconductor等主要参与者正在扩大产能,以满足不断增长的市场需求。2020年9月Win推出0．45m栅技术NP45-11碳化硅基氮化镓工艺,支持客户为大规模MIMO无线天线系统等5G应用设计混合Doherty放大器,以满足当前和未来5G应用需求。

硅基氮化镓的后来之势

英特尔和MACOM是目前最活跃的RF GaN专利申请者,主要聚焦硅基氮化镓技术路线。

2018年,MACOM和意法半导体(ST)合作将硅基氮化镓引入主流RF市场和应用, ST 6英寸平台的制造规模、供应安全性和波涌产能与MACOM硅基氮化镓RF功率产品组合可满足主流消费、汽车和无线基站项目需求。MACOM在ST制造的硅晶圆上开发GaN器件,硅基氮化镓的预期突破性成本结构和功率密度将使4G/LTE和大规模MIMO 5G天线成为可能。合作提高了硅基氮化镓产能,通过扩大晶圆供应支持5G无线网络建设,实现硅基氮化镓的成本优势、规模经济和产业化,满足全球5G网络建设的需求。在扩大MACOM货源的同时,ST也可以在手机、无线基站和相关商业电信基础设施应用以外的RF市场制造和销售自己的硅基氮化镓产品。

用氮化镓取代无线网络基础设施PA

ST在硅晶圆制造方面的规模和运营优势释放了MACOM和ST的RF功率应用潜力,扩大了硅基氮化镓市场。ST更乐于在新的RF功率应用中使用硅基氮化镓,公司汽车与分立器件产品部总裁Marco Monti表示:“特别是在汽车应用,如传统发动机和RF照明应用中使用等离子点火,可以实现更高效、更持久的点火、照明系统。”

Strategy Analytics高级半导体应用服务总监Eric Higham表示赞同:“一旦高功率RF半导体器件的价格突破了0．04美元/瓦的关口,RF功率市场的重大机遇就会打开。RF功率器件出货量可能会达到数亿美元,用于商业微波烹饪、汽车照明和点火及等离子照明等应用,销售额将达到数十亿美元。”

2019年2月,MACOM-ST合作又有进展,在扩大ST工厂6英寸硅基氮化镓产能的同时,8英寸硅基氮化镓将按需扩产。扩产计划旨在支持全球5G电信网建设,因为根据MACOM估计,5年内PA需求数量将增至32至64倍,5G基础设施投资预计将增至3倍,因此,单个放大器成本估计会降至十分之一至二十分之一。

MACOM总裁兼首席执行官John Croteau表示:“为满足5G天线现场部署的成本、频谱和能效目标,运营商需要宽带隙GaN器件的性能,以及能够促进升级转型的成本结构和制造规模。MACOM与ST的联合产能投资可以布局全球高达85%的5G网络建设市场。”

2021年5月,领先的航空航天和国防科技公司Raytheon和全球领先的特殊工艺半导体制造商格芯(GlobalFoundries)达成战略协议,将共同开发新型硅基氮化镓半导体并实现商业化,目标直指5G和6G移动及无线基础设施的颠覆性RF性能。根据协议,Raytheon授权格芯使用其专有的硅基氮化镓技术和专知,在其位于佛蒙特州伯灵顿的Fab 9工厂开发这种新型半导体。

新兴中国生态系统值得关注

中国的RF GAN生态系统中存在着强大的技术独立动机,例如SICC(山东天岳)、CETC(中国电科)、HiWafer(海威华芯)和Sanan IC(三安集成),还有不断加入的投资、合作和新来者。RF GaN HEMT相关专利领域的新进入者有三安集成和HJCW(华进创威)。海威华芯是中国首家提供6英寸砷化镓/氮化镓微波集成电路(GaAs/GaN MMIC)纯晶圆代工服务的制造企业。

2020年4月,三安集成在国内最早开始6英寸化合物半导体晶圆制造,将在全球范围内为650V和1200V碳化硅器件及650V氮化镓功率高电子迁移率晶体管(HEMT)提供宽禁带功率电子器件代工服务,主要面向功率领域。

2020年12月,中国电子科技集团公司第十三研究所建设氮化镓RF前端PA生产技术平台,达到年加工放大器2000万只的能力。

2021年6月,山东天岳募资20亿提升碳化硅衬底产业化能力,产品包括半绝缘型和导电型碳化硅衬底。半绝缘型碳化硅基氮化镓外延片可制成HEMT等微波RF器件,应用于通信、无线电探测等领域;导电型碳化硅同质外延片可制成肖特基二极管、MOSFET等功率器件,应用于新功率汽车、轨道交通及大功率传输变电等。目前,山东天岳主要产品是4英寸半绝缘型碳化硅衬底,6英寸半绝缘型和6英寸导电型衬底还未量产。

IDM、代工厂及新兴中国市场参与者

“大”趋势不变

不管是碳化硅基氮化镓,还是硅基氮化镓,整个行业都在加速从4英寸到6英寸,甚至8英寸的演变,率先发生的应该是比较成熟和已经大规模商用的碳化硅基氮化镓技术。此外,头部企业也在探索金刚石基氮化镓器件技术。

近年来,国内在第三代半导体及其衬底方面投入很大,但有些分散,应用目标主要是功率器件,GaN RF代工主要是境外厂商在做。IDM和代工服务方面,与国际上量产6英寸,正在建设8英寸量产工厂的水平还存在不小差距。