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氮化镓（GaN）是一种宽禁带半导体材料，其禁带宽度达到 3.4eV，是最具代表性的第三代半导体材料。
除了更宽的禁带宽度，氮化镓还具备更高的击穿电场、更高的热导率、更高的电子饱和速率，以及更优的抗辐照能力，这些特性对于电力电子、射频和光电子应用有独特优势。
GaN产业上游主要包括衬底与外延片的制备，下游是GaN芯片元器件的设计和制造。衬底的选择对于器件性能至关重要，衬底也占据了大部分成本，因而衬底制备是降低GaN器件成本的突破口。
衬底
GaN单晶衬底以2-4英寸为主，4英寸已实现商用，6英寸样本正开发。GaN单晶衬底的主要制备方法有氢化物气相外延法（HVPE）、氨热法和助熔剂法。
HVPE 方法生长速率快，易得到大尺寸晶体，是目前商业上提供GaN单晶衬底的主要方法，其缺点是成本高、晶体位错密度高、曲率半径小，且会造成环境污染。
氨热法生长技术结晶质量高，可以在多个籽晶上生长，易规模化生产，可以显著降低成本，缺点是生长压力较高，生长速率低。
助熔剂法生长条件相对温和，对生长装备要求低，可以生长出大尺寸的GaN单晶，缺点是易于自发成核形成多晶，难以生长出较厚的GaN晶体。
利用各种生长方法优势互补解决单一生长方法存在的问题是解决GaN单晶晶体质量、成本和规模量产的有效途径。2021年，三菱化学宣布采用低压酸性氨热法（LPAAT）开发出4英寸GaN单晶衬底，且晶体缺陷仅为普通GaN衬底的1/00-1/1000。三菱化学于2022年推出4英寸GaN单晶衬底。
开发生长尺寸更大、良率更高的GaN晶体制备方法将是GaN器件降本增效的关键，是能否在诸多下游应用领域渗透放量的关键。
目前，GaN材料主要有两种衬底技术，分别是GaN-on-Si（硅基氮化镓）和GaN-on-SiC（碳化硅基氮化镓）。另外，还有GaN-on-sapphire和GaN-on-GaN，不过这两种衬底的应用市场很有限。
GaN-on-SiC射频器件可应用于5G宏基站、卫星通信、微波雷达、航空航天等军事/民用领域；GaN-on-Si可制成功率器件，可在大功率快充充电器、新能源车、数据中心等领域实现快速渗透；GaN-on-sapphire和GaN-on-GaN可制成光电器件，GaN光电器件在MiniLED、MicroLED、传统LED照明领域应用优势突出。
在性能方面，GaN-on-SiC相对更好，但价格明显高于GaN-on-Si。GaN-on-SiC结合了SiC优异的导热性，以及GaN的高功率密度、低损耗能力，与Si相比，SiC是一种非常“耗散”的衬底，此基板上的器件可以在高电压和高漏极电流下运行，结温将随射频功率而缓慢升高，因此，其射频性能更好，是射频应用的理想材料。在相同的耗散条件下，SiC器件的可靠性和使用寿命更好。另外，SiC具有高电阻特性：这非常有利于毫米波传输，这在设计带有大型匹配电路的高频MMIC时很有价值。但是，SiC衬底仍然限制在4英寸与6英寸晶圆，8英寸的还没有推广。
GaN-on-SiC和GaN-on-Si应用的发展趋势（来源：YOLE）
目前，业界多数商用RF GaN器件采用GaN-on-SiC衬底。
SiC独特的电子和热性能使其非常适合高功率和高频半导体器件,其性能远超过Si或GaAs。GaN-on-SiC技术的关键优势包括降低开关损耗、更高的功率密度、更好的散热和更高的带宽容量。在系统层面，可以实现高度紧凑的解决方案，大大提高功率效率，降低成本。
与GaN-on-SiC相比，GaN-on-Si最大的优势就是衬底成本低，此外，GaN-on-Si生长速度较快，也较容易扩展到8英寸晶圆。虽然GaN-on-Si性能略逊于GaN-on-SiC，但目前工艺水平制造的器件已能达到 LDMOS 原始功率密度的5-8 倍，在高于2GHz的频率工作时，成本与同等性能的LDMOS 相差不大。还有一点很重要，那就是GaN-on-Si是硅基技术，与CMOS工艺兼容性好，使GaN器件与CMOS工艺器件能很好地集成在一个芯片上，可以利用现有硅晶圆代工厂已有的规模生产优势，实现产品的规模量产和快速上市。这使得GaN-on-Si成为市场的潜力股，未来有望大量导入5G基站用射频PA。
从应用发展角度来看，5G通信对射频元器件的需求正在快速增加过程中，需要大批量、低成本的GaN射频芯片，而这也给GaN-on-Si提供了发展契机。
目前来看，GaN-on-Si商用仍处于起步阶段，但基于该材料制造的射频PA凭借高带宽和小尺寸吸引了智能手机OEM。随着关键厂商的技术进步，一些低于6GHz的5G手机很可能很快采用。
随着晶圆代工厂的进入，以及与新兴GaN-on-Si功率电子器件产业的协同效应正在加速其RF应用发展。有统计显示，在手持设备、国防和5G电信基础设施的推动下，预计到2026年，GaN-on-Si器件市场复合年增长率将达到86%。
外延片
由于GaN的熔点很高，且饱和蒸汽压较高，在自然界无法以单晶形式存在，必须采用外延法进行制备。MOCVD（金属有机物气相沉积法），MBE（分子束外延法），HVPE（氢化物气相外延法）等是比较传统的 GaN外延片制备方法。
MOCVD工艺以三甲基镓作为镓源，氨气（NH3）作为氮源，以蓝宝石(Al2O3)作为衬底，并用氢气和氮气的混合气体作为载气，将反应物载入反应腔内，加热到一定温度，使其发生反应，在衬底表面上吸附、成核、生长，最终形成一层GaN单晶薄膜。采用MOCVD法制备外延片的产量大，生长周期短，适合用于大批量生产。
MBE法制备GaN与MOCVD法类似，主要区别在于镓源的不同。MBE法的镓源通常采用 Ga的分子束，用该方法可以在相对低的温度下实现GaN的生长，一般为700 ℃左右。但外延层较厚的膜反应时间较长，在生产中发挥的效率欠佳，因此，该方法尚不能用于大规模生产。
HVPE法与上述两种方法的区别在于镓源，通常以氯化物GaCl3为镓源，NH3为氮源，在衬底上以1000 ℃左右的温度生长出GaN晶体。此方法生成的GaN晶体质量较好，高温下生长速度快，但高温反应对设备、成本与技术要求都比较高。
产业格局
从GaN产业链各环节来看，欧美日企业发展较早，技术积累、专利申请数量、规模制造能力等方面均处于绝对优势。中国在自主替代大趋势下，目前在产业链各环节均有所涉足，在政策支持下已在技术与生产方面取得一定进步。
全球范围内，无论是上游的衬底和外延片，还是中下游的芯片设计、制造，GaN产业链大都被美日欧的龙头企业把持着，如日本住友、罗姆，美国的Wolfspeed（Cree改名后的）、II-VI，德国英飞凌，韩国LG、三星等。
GaN-on-SiC衬底方面，Wolfspeed等传统大厂都倾向于采用该方案，GaN-on-Si方面，目前来看，MACOM，Ommic等国际厂商在重点研发基站用GaN-on-Si射频和功率芯片（包括Sub-6GHz和毫米波两大频段）。特别是MACOM，该公司是GaN-on-Si工艺的主要倡导者。
在射频应用方面，Wolfspeed拥有最强的实力，在射频应用的 GaN HEMT 专利竞争中，尤其在GaN-on-SiC技术方面，该公司处于领先地位。英特尔和MACOM是最活跃的射频GaN专利申请者，主要聚焦在GaN-on-Si技术领域。
意法半导体和MACOM联合研制出了RF GaN-on-Si原型芯片。据悉，意法半导体制造的RF GaN-on-Si原型晶圆和相关器件已达到成本和性能目标，完全能够与市场上现有的LDMOS和 GaN-on-SiC技术展开有效竞争。现在，这些原型已经进入认证测试和量产阶段。该公司正在和MACOM研究如何加大投入力度，以加快RF GaN-on-Si产品上市。
今年3月，英飞凌以8.3亿美元（57亿人民币）收购了GaN Systems公司，并斥资20亿欧元扩充其位于马来西亚居林和奥地利菲拉赫晶圆厂的GaN芯片产能。英飞凌功率和传感器系统总裁怀特表示，英飞凌特别看好GaN，该公司预测，到2027年，GaN芯片市场将以每年56%的速度增长。
在中国大陆地区，GaN产业还处于起步阶段。本土IDM代表企业有三安光电、英诺赛科、士兰微电子、苏州能讯、江苏能华、大连芯冠科技等，Fabless企业主要有华为海思、安谱隆等，同时，海威华芯和三安集成可提供GaN芯片晶圆代工服务。
在衬底材料方面，天岳先进、三安光电、天科合达、英诺赛科等中国本土企业在全球范围内的合计市占率比较低，在10%左右，三安光电，英诺赛科等厂商在重点研发基站用GaN-on-Si射频和功率芯片（包括Sub-6GHz和毫米波两大频段）。外延片方面，代表企业包括苏州晶湛、聚能晶源和聚灿光电。GaN射频HEMT相关专利方面，中国的海威华芯、三安集成和华进创威等开始涉足，争取在国际大厂把持的GaN专利领域分得一杯羹。
作者：畅秋
