中國的氮化鎵產業要有一個長效的機制，能夠建立完整的技術體系，能夠相互的磨合、配合、相互去協作，形成競爭力。

【分享主題】氮化鎵主題報告（二）氮化鎵（GaN）電子器件產業發展

【分享時間】2020年2月28日17:30-18:30

【分享嘉賓】任 勉 蘇州能訊高能半導體有限公司總經理

任勉，蘇州能訊高能半導體有限公司的總經理兼CFO，公司聯合創始人之一。創辦能訊十餘年來，任勉一直在探索與實踐氮化鎵技術與產品在中國的發展，為能訊半導體堅持IDM的發展戰略、構築企業核心競爭力作出貢獻。任勉先生是中國寬禁帶半導體聯盟理事、江蘇省雙創人才。他擁有北京大學光華MBA學位及美國杜克大學的MBA認證。

▌以下為整理的分享內容（略有刪減）。

大家好，我是蘇州能訊高能半導體的任勉。我今天與大家分享的主題是GaN電子器件的產業的概況。

說到GaN，我們必須要看一下這幾個改變世界的人，2000年的諾貝爾獎物理獎，他獎勵給Hemt（High Electron Mobility Transistor）異質結結構的電子器件理論依據。這是GaN電子器件奠定了理論基礎的三位科學家。在2014年，又有三位科學家獲得了諾貝爾物理學獎。當然，這是一個遲到的諾貝爾獎，獎勵藍光led的應用。這幾位科學家的貢獻，使得氮化鎵在21世紀開始進入到應用領域裡面。

GaN作為寬禁帶半導體材料的一個典型代表。它是具有著與以硅為代表的第一代半導體材料和以砷化鎵為代表的第二代半導體材料相比較大性能差異。第三代半導體氮化鎵的外延材料主要是Ⅲ-Ⅴ族的化合物半導體。第一代半導體是以硅單一元素半導體。第二代半導體砷化鎵，也是化合物半導體，禁帶寬度不足，無法展現出更多的禁帶寬度的特點。

氮化鎵的應用實際上從led的發光器件開始。逐步發展到現在開始大規模的使用到的射頻微波器件，並且已經進入到電力電子領域。這個發展歷程的內在邏輯是什麼呢？首先GaN的這個LED發光器件是一種不可替代的技術。因為氮化鎵發出來的藍光波長範圍。當藍光一出來，就可以迅速的去得到運用。

同時隨著無線通訊的發展，射頻微波領域對於PA（功率放大器）的要求進一步提升。3G、4G、以至現在5G移動通信的發展，推動了GaN基站的應用。實際從4G之後，我們就已經開始大量的採用氮化鎵器件。但是，它的性能提升有一個過程。

我們可以看得到，氮化鎵在4G時代的時候就可以看到，同頻率同功率等級的氮化鎵比硅基的LDMOS有10%左右的效率提升，但是應用並沒有那麼順利，為什麼呢？這就涉及到一個可替代性的問題和成本的考量。LDMOS的性能不斷在提升，氮化鎵的成本和可靠性不能一下就得到認知，所以他會有一個考量過程。到現在5G，尤其到高頻段以後，GaN便成為首選，進入到射頻微波領域的爆發期。

當然，我們去年開始，包括今年疫情剛剛開始不久，小米雷軍雷總強大的帶貨能力，氮化鎵的功率器件進入到我們生活中來，引發了氮化鎵電力電子器件的應用。實際上，這個市場應用是一個剛剛開始。這是一個成本非常敏感的消費級市場應用。它的成本導向非常非常明顯。所以接下來他還會進一步的進入到更高性能要求，以及成本更加合理的一個應用空間及應用區間去。

接下來，我將從微波射頻、電力電子，以及我國的GaN產業所面臨的一些機會和挑戰這三個部分給大家來介紹一下。

微波射頻領域

首先進入射頻微波領域。GaN最早開始的時候是在雷達、衛星通訊、寬帶移動通訊等等軍事領域。現在隨著5G移動通訊的頻譜擴展，開始進入到了宏基站領域，接下來明顯的覺察到它會進入到一個更加廣闊的終端領域。隨著毫米波應用起來之後，會進入到終端。當然，GaN在5G移動通訊的物聯網，汽車通訊等等領域的需求、的應用會變得越來越多。

一個典型的這個通訊設備中，PA（射頻功率放大器），是一個很重要的元器件。這個PA的作用主要是將小信號的射頻信號進行放大，然後通過開關、天線等發射出去。本圖講的是功放的基本功能。那麼其實在這個功放上面，LDMOS、砷化鎵和氮化鎵都是有在應用的。

那麼氮化鎵的優勢呢，我相信直播間前幾期分享中，已經有嘉賓講過了，氮化鎵在材料學方面是有明顯的優勢的，這裡就不再贅述。

其實氮化鎵在射頻領域的核心優勢就是我上面這個公式Johnson`s FOM。這是一個評價因子，也就是說，輸出功率跟頻率的平方，它實際上是等於一個常數的。這個常數就是我這張圖上面的右下角那三條線。大家可以看得到那一條深藍色的線是硅基的極限。而紅色是砷化鎵的極限。氮化鎵的是淺一點的，藍色的這條線，那麼這個線的在縱座標的上的差別是100倍。

在同樣的頻率下面，他們的輸出功率是差100倍的。或者換一句話講，在同樣的一個輸出功率下面，他們的頻率帶寬範圍是很多倍。所以可以這樣理解，它的核心競爭優勢就是這個公式。

根據這個公式也有人做過大量的比較和統計。從上面圖中可以看到兩個角度，一個是從效率的角度，第二個是從功率的角度都得到了幾乎類似的曲線。大家看到最上面那條曲線是氮化鎵的曲線，可以看到，它在頻率上從1GＨｚ到10GＨｚ到100GＨｚ都展示出來了一個良好的效率和功率曲線。

大家看到那個淺藍色的就是硅的曲線變化趨勢，也就是說它在2.5GＨｚ左右，效率就開始急劇地下降。同時，輸出功率也是在急劇的下降。所以這就是咱驗證了為什麼5G移動通訊當擴展到2.6GＨｚ、3.5GＨｚ、4.9GＨｚ，還有毫米波的時候，氮化鎵就會大大的優於硅基的LDMOS 。

氮化鎵的射頻器件，經歷了一個很長的演進過程。上個世紀90年代還在實驗室提出一些概念。其中有幾個標誌性的事件就是96年，我們看到第一個微波器件造出來。當時輸出功率是每毫米一瓦。99年半絕緣碳化硅襯底實現，大概一個2寸片4000美元。

2000年到2004年期間的就解決了一些器件的設計和一些基礎的理論問題，比方說電流崩塌。還有這個緩衝層的外延結構。還有成本結構的設計能夠保證它的輸出功率。

2005年才開始進入的第一代的產品。美國DARPA（美國國防高級研究計劃局）支持的一個研究項目，解決了氮化鎵的可製造性。這使得氮化鎵成為一個可以製造可靠的產品，就是第一代的氮化鎵產品，那時候產品往往都還是用軍事領域。

2010-2015年之間，氮化鎵的50V的工藝，開始替代28V的工藝，使得氮化鎵開始進入通訊市場。那個時候，各個大公司都開始紛紛的推出一些產品。同時呢，我們的MMIC的技術與設計，以及工藝技術已經成熟。Foundry service已經出現了。

2015年到2020年，可以說氮化鎵已經進入到了第三代的技術演進。它開始出現了超高頻超寬帶的產品。超高頻現在已經做到30ＧＨｚ到80ＧＨｚ級的MMIC產品。效率已經達到理論極限的70%，在一些其他特殊的情況下面，還可以超過這個數字。

總結而言，氮化鎵射頻器件的主要核心優勢就是高效率。與硅相比，效率高很多。在基站側，以鐵塔公司的數據為例，3000多瓦的5G基站。大概是4G1300瓦左右的三倍到四倍。這個能耗是非常高的，所以他們很關注基站的通訊效率，而且一個ＰＡ又佔到了基站的60%功耗。

所以效率是一個是非常重要的因素。同時，氮化鎵還有著更大的帶寬。這種帶寬也是它能夠取代LDMOS，獲得設備廠商青睞的一個很重要的因素。當然了，氮化鎵本身就是一個可以在高溫下工作的器件，這在可靠性方面會有更大的好處。

另外一點，氮化鎵隨著每瓦尺寸和重量的大幅縮小，它能夠降低系統設計的難度，並且縮減整體的成本。雖然我們現在氮化鎵價格可能會略微高於硅，大約高於20%到50%之間。但是他所帶來的整體優勢是要遠遠的超過了這部分價格差。

從這張圖還可以看得到NXP的一個同頻段功率等級的LDMOS和氮化鎵效率是差１０％。氮化鎵功率密度，現在大概在8瓦到10瓦之間，就可以用於規模生產的。而硅的功率密度比這小大概一兩瓦。

這一頁正好也可以看到4G通訊基站的帶寬是40M。可以用LDMOS。到了5G通信基站，帶寬需求，尤其是我們這次電聯合營之後，必須要把帶寬提高200兆。所以這個時候必須要用氮化鎵器件。此外，Massive MIMO的宏基站已經成為5G的一個重要的技術的特點，只有Massive MIMO才能保證散熱，氮化鎵的高效率才能夠有效的散熱出去，如果用硅來做的話，它的散熱將會不是很好。

氮化鎵的設備還有一個明顯的好處就是它的體積小。對於射頻而言，我們功率可以做到很大，它的探測距離就遠。從這個圖中可以看到一些典型的軍事應用，從路基的導彈防禦系統的雷達，艦載的宙斯盾、神盾盾系統，以及機載相控陣雷達，都是氮化鎵大顯神通的地方。

關於氮化鎵射頻器件的市場主要參與者，這是我們感興趣的一個話題。我這裡列出來的這張表可以看得到日本住友、Qorvo。Wolfspeed以及恩智浦這四個國際的大廠，都是採用IDM的模式，而且他們的產能和技術以及解決方案的能力，市場渠道的能力以及在客戶裡面已經建立起來的品牌信任度，這些是我們國內的企業遠遠不能比的。

我們國內現在主要是四個品牌，一個是能訊半導體，還有以IDM為主要方式的CETC十三所、CETC五十五所，以及穩懋（win Foundry）專門做代工的一家制造工廠。

剛剛講到了氮化鎵的應用，它的市場空間是很大的，這裡引用了YOLE的報告。報告中顯示，未來幾年，氮化鎵的複合增長率將達到21%。這個數字回過頭去看，YOLE每個都在發佈，這個數字每年都會調高。所以實際進展可能會高於這個預期。

隨著5G頻譜的進一步擴展，中國從這個sub－6GＨｚ開始先部署。然後再視情況去看毫米波波段。但實際上，在全球範圍之內，毫米波的部署已經開始了。那麼在毫米波這個產業的角度來看的話，氮化鎵是可以把它做成一個單芯片集成的一個soc。這是它的最大的優勢。

具體來說，一個射頻前端裡面會要用到的氮化鎵的高功率PA，開關，低噪放都可以用氮化鎵來做。如果全部都用氮化鎵做的時候，它的整個優勢就會凸顯出來。

長遠一點的來說，氮化鎵的射頻市場就是我們的終端。氮化鎵未來是可以替代智能手機現在應用的砷化鎵器件。

大家可以看得到，我們智能手機中間的砷化鎵功率放大器的個數從4G時代的6-7個，現在已經擴展出來，5G的華為Mate30pro的裡面有14顆PA芯片。事實上，有人預測。還會到16顆，這還是指的在頻段比較低的數量。如果隨著高頻的頻段開放出來，這個數字可能還會增加。

我們這裡僅僅以智能手機為例，來舉例說明它的市場空間是巨大的。而且它的整個數量級是在基站的10倍到20倍，所以這是一個大有可為的地方。

氮化鎵進入智能終端領域，它還會面臨一些問題，現在還做不到。我們也總結了一下，現在主要是三方面的問題。

2. 氮化鎵作為一種寬禁帶的半導體，它是需要在高電壓下發揮他的優勢的，而我們不可能將手機設成一個高電壓運行的系統。如果用氮化鎵，起碼要到36伏（人體的安全電壓的極限）。那麼如何對智能手機電源架構進行重新設計是一個難題。

3. 最後一個問題就是氮化鎵射頻器件在毫米波段會涉及到成本需要進一步降低。因為現在砷化鎵基本上都是用六英寸的工藝來製造，它的工藝成熟，良率很高。氮化鎵現在的都還在四英寸，而且良率還不夠高。相對來說，這時候的成本比起終端高成本要求還有巨大的提升空間。同時，氮化鎵在硅基上面做六英寸，甚至八英寸，會有明顯的優勢。現在六寸比四寸要有成本優勢了，如果能夠上到八寸，那它的成本要低於砷化鎵。

電力電子器件

接下來我講一下電力電子器件，這個並不是我們現在的重點產業化的方向，所以我也只是簡單講一下。

首先。我們認為，氮化鎵適用於在二次電源。一次電源、二次電源在1200V伏以下都是比較適合它的。那麼有各個應用領域，這個後面會講更細的。那麼它與硅相比，大家可以看一下，右邊中間一點的這個圖。灰黑色條線是硅器件的極限值。也就是說在，不同的電壓下面的它的導通電阻。

我們現在這裡列出來了幾家公司，Transphorm、EPC、GaN system他們已經能夠實現的產品的導通電阻在大概在600V左右。

目前這些產品都已經超過了英飛凌的Super Junction的電力電子器件。大家可以看得到，這只是氮化鎵的開始。從理論上講，大家可以看到最下面的那條紅線，我們大概還有100倍的提升空間。

這樣的提升空間能夠顯著的帶來效率的提升，也就是說，氮化鎵替代硅基器件來減少體積，並且提升效率。這就是小米雷軍總帶貨的時候強調過的，拿出一個65v的器件，他就變得很小。而且效率也比以前要高很多。

大家也會感興趣的是氮化鎵與碳化硅在功率器件領域也會有形成一定的競爭。同樣是寬禁帶半導體。碳化硅一般被認為是用在功率等級更高，耐電壓更高的領域。而硅基氮化鎵的成本低，適合於用在一些中低壓的領域。這主要是因為氮化鎵現在還是一種平面性器件，它的源漏極的距離，在平面上來做限制了它的耐壓。這是一個核心的區別。

氮化鎵的電力電子器件市場也是非常有前景的。這張圖也是YOLE的研究，實際上，現在氮化鎵的業界出貨量已經達到上百萬顆的。

關於出貨的順序，大家可以從這張圖中看到。首先在快充上面，對於一些新試用者，他能夠比較好地去注重用戶體驗，能夠承受稍微高一點的價錢。同時，它的可靠性要求實際上也沒那麼高。汽車雷達、數據中心電源到服務器電源等這些應用，會進一步加大功率等級，並且可靠性要求更高。總之，我們可以看到氮化鎵的市場前景非常好。

挑戰與機遇

業界達成一個共識，氮化鎵在硅基上面生長可以降低成本。那麼它主要會面臨哪些挑戰？這也是業界可能非常關注的一些問題。

1. 大尺寸硅基氮化鎵材料的生長。

2. 就是我們常關型器件。如何實現常關型？實際上，在工業的領域還是有一些爭議的，現在有好幾種方式。都很能實現，但是都有各自的缺點，所以最終市場能夠選擇哪一種或者是多種的變程，技術還有待於進一步發展。

3. 技術方面的難度就是封裝。高頻高密度的封裝實際上要求很高，尤其是氮化鎵的優勢是高頻，可以使得器件小型化。但是實際上我們現在能夠用的就是幾百K，上M都不是很好，更別提到更高頻的，把射頻的性能跟它結合起來，這個有很高的難度。

那麼再一個難度就是如何用好氮化鎵？它在驅動、電磁兼容等方面都還是有很多問題，例如，周邊的一些磁性元件、電感性元件的小型化能否跟得上，而且還要夠便宜，這也是一個巨大的挑戰。

我們認為產業化還面臨的一個重要挑戰就是如何去推廣。誰能夠願意使用？這個問題似乎已經得到了一些緩解，比方說小米，Oppo，都開始在快充領域發力。這個是氮化鎵電力電子器件的一個起步。

接下來的分享關於氮化鎵技術路線和在不同應用領域的一些總結。可以看到兩條線。一條是GaN-on-SiC的一些相關的應用，從最早的雷達，到基站。現在5G已經起來，迎來一個非常好的發展期。按照上面產品生命週期理論，前期緩慢增長已經過去，已經進入到一個高速的增長期。

通過GaN-on-Si發展曲線，可以看到它現在還是一個早期，還沒有完全啟動。它的應用隨著射頻以及電力電子的應用，會在未來迎來一個非常高的發展期。此外還看到另外一種可能，那就是GaN-on-Si進入到射頻終端中，迎來更高的成長。

當然，我們也可以看到氮化鎵在金剛石上的一些進展，現在還在研究。它在衛星通訊、雷達這些領域它也會有很好的應用。這是三個技術路線分別所處的現在狀態和未來的發展趨勢。

氮化鎵的發展從來離不開各個國家本身的支持。美國否決中國收購飛利浦旗下的照明事業部收購。通過這件事情我們可以看得到國家政府對氮化鎵的認知是越來越高的，而且也在大力的支持國家的氮化鎵產業，紛紛在佈局。

那麼中國如何來做？剛剛我前面也講到了，我們的整個產業在國際的競爭對手面前還是有很大劣勢。主要有以下幾點。

1. 氮化鎵是一個射頻器件行業，它匯聚了很多的學科，是一個交叉的技術，並且交叉複雜度非常高。射頻，微波、半導體物理、材料等等，這些學科都是要交叉的。這個交叉也是這個行業的現在的主要壁壘。我們現在國內也很難能夠拿到一個非常全的這種學科結合體，結合的團隊。

2. 我們要有時間積累。因為氮化鎵技術的完整性、工藝的穩定性，器件的可靠性，以及我們面臨的一個供應鏈的運營，整個運轉起來以後，它的成本控制，這些都是難題。

3. 產業化的難度要比我們想象的要大得多。有時候，一個很小的問題能夠困擾很長一段時間。這個我們是一路走過來經驗。我們的第一個工廠是在2012年建好的，運行到現在八年時間，各種難題層出不窮。

所以中國的氮化鎵產業要有一個長效的機制，能夠建立完整的技術體系，能夠相互的磨合、配合、相互去協作，形成競爭力。當然，這些能夠在一個團隊裡面來實現是最好的，因為整個產業鏈上的這種協作實際上是講起來很容易，但是操作是不太容易的，所以這也就是為什麼我們一直堅持在現在階段選擇IDM的一個重要原因。

大家可以看得到，如果我們用一些工具來衡量，我們國內的氮化鎵產業，它的技術成熟度現在基本上已經達到L9。就是說能夠支持現場的系統驗證。但是我們的製造成熟度只是在小批量驗證的這個階段，還不能算大批量。儘管我們國內也有的出貨在百萬級，但是還不能夠被稱為大批量驗證，所以我認為他是L9的階段，達到L10則能夠大批量量產。

另外一個從產業的角度，就是我們的質量管理的成熟度。質量管理伴隨著技術到製造，到質量的成熟，是有一個過程的，往往是滯後的。現在我們也只能說是進入了一個通曉期。真正的穩定的質量，可能還需要一兩年的時間。這是擺在國內器件面前的一個重要的、亟需攻克的難題。

講了這麼多難題，以及不容易做的地方，當然我們也有我們的優勢。我們最大的優勢就是我們有最優秀的客戶，有願意試錯的客戶和市場。這一頁圖展示了我們氮化鎵器件的競爭的情況。氮化鎵在基站射頻器件的應用主要就是在華為、中興、愛立信、諾基亞、三星這些設備廠商。

關於量產出貨的壓力。我們國際上四大巨頭日本住友、wolfspeed、Qorvo和恩智浦，都是已經在國內國外大批量的出貨了，那麼我們國內的廠商CETC13所、能訊半導體都在奮起直追。這是我們的一個難得的機遇。未來的三年時間，我們一定要抓住這個機遇去提高我們的市場佔有率。

這也是中國的氮化鎵產業實現超越的機會，所以我們認為中國的氮化鎵產業是大有可為的。

好的，謝謝大家，我就今天的這個分享和交流就到這裡。

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