一、概述
作为一种新型电子和光电子器件半导体材料，氮化镓(GaN)与碳化硅(SiC)一起，被认为是继第1代锗(Ge)、硅(Si)半导体材料、第2代砷化镓(GaAs)和磷化铟(InP)化合物半导体材料之后的所谓第3代半导体材料，其研究与应用是目前全球半导体产业化研究的前沿和热点之一。它具有带隙宽(而且是直接带隙)、键强度大、电子迁移率高、化学稳定性好(几乎不被任何酸腐蚀)等优良性质和强的抗辐照能力，在光电子、高频微波器件以及电力电子器件和信息产业应用方面有着广阔的前景。
GaN最初作为一种光电器件材料引起了工业界的关注和期待，其带隙宽度以及直接带隙特征，使之成为光电照明行业期待已久的短波长发光器件材料，用来填补蓝绿光波段的空白。后来发现其三元合金系列还可以通过改变组分配比，可更加灵活地连续改变带隙宽度和工作波长，使之成为更加理想的工程材料。中村修二等人在这方面的突破，早已成为半导体领域的传奇故事[1]。随着中村修二、赤崎勇、天野浩几位研究者获得2014年的诺贝尔物理学奖，其影响力已经超出了半导体工业界。除了普通的LED照明，GaN光电器件在高密度光盘的信息存取、全光显示、激光打印机等领域也有着很大的应用市场。而在这些广为人知的产业领域之外，GaN紫外探测器在火焰探测、导弹预警、生物医药以及特殊通讯等方面有重要的潜在应用，与SiC器件形成竞争关系[2]，但是由于外延质量的制约，目前商业应用只限于普通的光电PN管，高端的雪崩光电二极管还未超出实验室研发阶段。本文中，笔者关注的是GaN在微波射频领域及功率电子器件领域中的市场前景。
二、GaN在微波射频领域的应用
GaN作为微波射频器件的潜力来源于其带隙宽，键强度大、电子迁移率高的特征[3]。这也是其“第3代半导体”的名称由来(这里的代际划分基本根据是带隙宽度)。在微波射频领域，一般来说，功率表达式为电流和电压的乘积，即P=IU。处理同样的功率，人们总是希望提高工作电压而减少电流，因为电流是损耗(铜损)和发热的来源，不仅损失能量，而且降低器件和系统的可靠性。GaN高于硅和砷化镓材料的带隙宽度和键能，决定了它更高的工作电压。同时它还具有高的强场漂移速度，以及在高电子迁移率晶体管(HEMT)中二维电子气的面密度。适合在更高的工作电压和频率，以及更大的电流密度下工作，减少损耗和尺寸，提高性能、效率和可靠性。
GaN器件的技术发展和商业应用主要的限制因素是材料质量，这一点在光电和微波领域情况类似。一直以来，由于大块GaN衬底体单晶的制备比较困难，所以GaN基LED以及微波器件都是异质外延器件，也就是在非GaN衬底上设法生长一层GaN单晶薄膜，再以此为基础以半导体前道工艺做成器件。常用的衬底材料有硅、蓝宝石和SiC。其中SiC与GaN的晶格匹配程度最好，生长的外延质量最高，并且SiC材料的导热性也最好，因此高端的LED和微波器件都以SiC为衬底。但是SiC衬底的成本很高，因此限制了这类器件在一些民用领域的广泛应用。在一些需要更高亮度光源的光电器件中，仍然希望能够使用GaN衬底的同质外延。这方面也有一些研发工作。但是目前并无成熟技术。目前在廉价的硅衬底上设法生长高质量(低缺陷密度)的GaN外延(GaN-onSi)，是GaN各个应用市场最为期待的技术。例如2015年3月GO Scale Capital金沙江创业投资与橡树投资伙伴联合组成的基金收购飞利浦旗下从事汽车和发光二极管原件业务的公司Lumileds的多数股权的协议被美国政府监管部门外国投资委员会否决，原因是被认为与相关敏感技术有关。
作为微波器件，SiC基GaN(GaNon-SiC)器件首先被应用于追求性能，对成本不敏感的军事领域，具体的器件类型是HEMT功放，比如“爱国者”的升级版陆基雷达就包含GaN微波器件。根据相关市场调查报告，2015年全球GaN微波器件的市场规模超过2亿美元。其中大部分仍然是军事领域中使用的SiC衬底上制作的HEMT功放。以著名的美国科锐(CREE)公司为例，其微波和功率器件部门(已经独立出来，新公司名为Wolfspeed)的主要产品为SiC衬底上的GaN微波器件，以及SiC同质外延上制作的功率器件。近年来这一部门的营业额大都在9000万美元左右，利润在40%以上[4]。一般认为其中大部分营收以及绝大部分利润来源于为高端军事应用服务的 GaN微波器件。
由于我国在第2代半导体砷化镓微波器件技术方面，长期落后于世界先进水平，严重拖累军事装备水平，因此在GaN微波器件方面向相关研究机构(中国电子科技集团公司第13研究所，第55研究所等)投入大量资金，期望实现弯道超车。在这一新兴技术领域提供了技术积累和人才储备，期望能够为今后民用市场的发展提供良好基础。GaN微波器件所用的半绝缘型高阻SiC衬底，需要控制其非故意掺杂杂质浓度，技术曾长期被CREE公司垄断;尽管后来II-IV公司以掺钒补偿为基础专利开发出新的半绝缘型衬底与CREE开展竞争，但是这一产品的市场价格仍然比已经以昂贵著称的普通垂直结构SiC功率器件的低阻衬底还要高数倍。因此在对成本敏感的民用市场，主要应用硅基GaN材料。其主要器件仍然是HEMT功放，在通讯基站等应用市场中代替硅横向扩散金属氧化物半导体(LDMOS)，活跃的公司以从前最初的NITRONEX和现在MACOM等为代表。这一领域具有注重可靠性，新系统研发成本高，技术代际更新慢的特点，同时一些提议的行业标准也倾向低成本的硅器件。
尽管如此，近年来，硅基GaNHEMT与砷化镓(GaAs)器件一起仍然在不断稳定蚕食硅LDMOS的市场份额。显示优异的器件性能仍然是决定市场前景的主要因素。与下面谈到的功率器件相比，硅基GaN外延技术挑战相对较小，在成品率、稳定性和技术来源的广泛程度上，都要优越一些。硅器件前道工艺的技术壁垒不高;设备要求方面，一般旧的4寸、6寸硅生产线就可以胜任，基本不需要改造，因此资金壁垒也不高。在特定应用(基站、社区、点对点通讯)中，在硅基GaN器件的价格水平范围内，单是器件的成本压力也可以承受。只是由于前述原因，增长速度有限，据估计目前的市场规模还远未达到1亿美元。
三、GaN在功率电子领域的应用
与微波射频领域相比，GaN在功率器件(也就是电力电子)产业的应用前景更加诱人。历史上，电力电子器件在我国工业布局和规划中一直处于一个不清晰的尴尬定位之上。其与市场庞大且发展迅速的信息电子行业相比，电力电子被归入发展相对缓慢的“传统”门类，一些相关产品(比如整流二极管)的工业标准还是由工信部制订发布。实际上，电力电子不但在材料、技术、设备、生产管理方面与信息电子类似，而且同样发展迅速。我国在功率器件技术发展上，面临的困难不如集成电路产业那样严重(设备封锁等)，但是在很多方面(比如IGBT器件)落后于世界先进水平的程度有过之而无不及，不合理的产业分类布局是原因之一。就GaN器件功率器件来说，其与信息电子的联系就更为紧密，表现在下面几个方面：
①目标市场偏向小功率等级，强调高频、高效、小型化，主要应用通讯、个人信息设备的移动电源和小型电源等，属于电子信息产业范围。
②同样由于前面提到的材料质量问题，目前GaN器件功率器件的功率与电压等级不高，接近微波功率器件水平，而且工作频率也高于目前对应的硅器件(MOSFET)，因此器件结构和设计考量与微波器件都有较高的相似性;工艺设备更是相差无几。
③由于GaN器件功率器件都是硅基的水平结构器件，一个特有的优势就是与其他非功率器件(电源管理)的整合集成。这使得它与其他硅电子信息器件更加密不可分。
功率电子器件的全球市场份额，常用的估计数字是在150亿美元(不含潜在的新能源汽车功率电子市场)上下，区间较大。第3代半导体(GaN和SiC)器件可望替代其中至少1/3的高端市场份额。作为在散热较差的硅基底上的水平结构功率器件，GaN器件被认为更适合小功率，高频应用;而材料相对成熟且昂贵的SiC器件，属于同质外延垂直结构，散热好，同时高频性能稍逊，更适合高功率高压功率等级的应用。曾经认为600V和更低的电压等级是GaN的领域，而1 200V及以上是SiC器件的地盘。中间有一个相互竞争的区间。由于明显的成本结构，以及整合集成方面潜力优势，硅基GaN产品一度吸引了更多的研发热情和资源，然而市场是最终的裁判者。在实际上，到目前为止，似乎二者在材料质量方面的进展步伐都不如预期。SiC材料至今未能达期望的电网输电等高功率等级应用要求的水平，而是先一步在中等功率等级产品材料水平上成熟之后，重点转向这一领域的商业化(比如，4寸向6寸的转化)。商业竞争的结果是价格的不断降低，在600V这个对应市电的常用产品电压级别已经占据了稳固优势。而且成本进一步降低的潜力和空间都很透明，步幅快而且稳定。在另一方面，相比于微波射频领域，功率器件对硅基GaN材料的质量要求更高，挑战更大。最初的产品也是从二极管开始，有不同的结构设计思路。但是由于材料质量以及器件结构特点带来的可靠性问题的影响，一直未能成熟。现在由于SiC器件不断成熟和价格的降低，GaN功率二极管已经没有市场前景，市场上领先的相关公司大都放弃了研发项目。
与二极管相比，硅基GaNHEMT功放更有希望，它的主要市场目标是依靠高频性能取代现在的硅MOSFET。这一领域并没有SiC器件的竞争。相对二极管来说，GaNHEMT面临的电环境不那么严酷。而且其目标市场领域(个人电子产品)对可靠性的要求不如工业应用市场，目前的器件水平已经可以适应。而且由于其市场特征，可以期望通过市场营销以及消费者体验认可(紧凑、小巧)推广产品，与SiC器件面临的完全以成本与可靠性为导向的理性冷血工业客户市场不同。目前活跃在这一领域的公司有EPC、GaN Systems、以及Panasonic Quovo等。另外GaN的高频特征使之成为一些重要的潜在领域的首要甚至是必要选择，例如无线充电系统、植入系统、成像、和人造器官等。由于这个原因，尽管目前硅基GaN功率器件的全球市场规模估计(最低值1 000万美元)远远低于SiC器件的市场规模(1.4亿美元)，相关市场预测机构(Yole，IMS)仍然给出了远高于SiC器件的年度增长率(GaN80%，SiC38%)。到2020年将形成6亿～10亿美元的市场规模。需要指出的是这一数字是基于新能源汽车将大量采用硅基GaN器件的假定。尽管目前对于2种技术路线以及相关标准的支持者势均力敌，由于前述SiC器件商业化进展，GaN器件在这一领域的前景并不明朗。
除了众所周知的“电流崩塌”等可靠性问题，目前GaN功率器件市场扩张的一个明显的技术障碍是驱动。HEMT器件结构本身适合作为一个所谓的常开型器件，就是在失去栅极电压控制的情况下，源极和漏极是导通的。这在功率器件应用中被认为是不利的特征，也是影响SiC-JFET一直未能得到广泛应用的原因。系统应用者宁肯使用可靠性尚不成熟的SiC-MOSFET器件，也不情愿开发适用于常开器件的驱动型式，这是市场的现实。为常开型器件设计的所谓硅级联(Cascade)驱动，在应用中就带来一些限制，首先就是这个硅级联金属-氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)本身需要具有与宽禁带器件同样的温度指标。在某些应用中还有其他系统层面的问题。需要在系统应用和设计层面积累认识和经验。HEMT也可以在结构设计上做一些调整，成为常关型器件。但是这会增加材料和工艺的复杂性和难度，在其他电性指标，以及良品率、可靠性上做出相应的牺牲。这一点也与SiCJFET类似。目前一般认为连常开型GaN-HEMT器件的稳定良品率都是很大挑战。常关型器件还只能从相对较低的电压(比如200V左右)等级开始，随着技术的成熟和改进逐渐提高。二者技术的成熟都有赖于在某些应用领域产品商业化的初步成功。
尽管与硅基GaN微波器件一样，硅基GaN功率器件前道对设备投入的需求也不高，大致可以利用完全折旧的废弃硅线。比如为GaN Systems代工的某著名IC代工服务商就是如此。但是如此有限的市场规模意味目前市场上并没有能够盈利的公司或者部门，以后几年能够在正常财务意义上生存的公司也不会很多。过去的几年中，领域内富士通(Transphorm)、Velox(Power Integration)等起步公司的不断融资或者被并购，反映了市场和财务上的严峻挑战和未来市场机会并存的局势。目前行业的突出瓶颈与风险，是外延材料技术掌握在极少数几家公司手里，其成品率、稳定性，以及相关的成本和供应都不为业界所知。这也是很多器件和应用开发环节技术人员和开发项目及投资决策者的共同疑虑。希望在较短时间内，硅基GaN的外延工艺的市场透明性和可得性会有较大的改善。此外，产业链结构的清晰化，是实质性投资规划重要的参考因素。
作者：何钧 梁瑶 张孔欣 来源：新材料产业 2016年5期
