中国的氮化镓产业要有一个长效的机制，能够建立完整的技术体系，能够相互的磨合、配合、相互去协作，形成竞争力。

【分享主题】氮化镓主题报告（二）氮化镓（GaN）电子器件产业发展

【分享时间】2020年2月28日17:30-18:30

【分享嘉宾】任 勉 苏州能讯高能半导体有限公司总经理

任勉，苏州能讯高能半导体有限公司的总经理兼CFO，公司联合创始人之一。创办能讯十余年来，任勉一直在探索与实践氮化镓技术与产品在中国的发展，为能讯半导体坚持IDM的发展战略、构筑企业核心竞争力作出贡献。任勉先生是中国宽禁带半导体联盟理事、江苏省双创人才。他拥有北京大学光华MBA学位及美国杜克大学的MBA认证。

▌以下为整理的分享内容（略有删减）。

大家好，我是苏州能讯高能半导体的任勉。我今天与大家分享的主题是GaN电子器件的产业的概况。

说到GaN，我们必须要看一下这几个改变世界的人，2000年的诺贝尔奖物理奖，他奖励给Hemt（High Electron Mobility Transistor）异质结结构的电子器件理论依据。这是GaN电子器件奠定了理论基础的三位科学家。在2014年，又有三位科学家获得了诺贝尔物理学奖。当然，这是一个迟到的诺贝尔奖，奖励蓝光led的应用。这几位科学家的贡献，使得氮化镓在21世纪开始进入到应用领域里面。

GaN作为宽禁带半导体材料的一个典型代表。它是具有着与以硅为代表的第一代半导体材料和以砷化镓为代表的第二代半导体材料相比较大性能差异。第三代半导体氮化镓的外延材料主要是Ⅲ-Ⅴ族的化合物半导体。第一代半导体是以硅单一元素半导体。第二代半导体砷化镓，也是化合物半导体，禁带宽度不足，无法展现出更多的禁带宽度的特点。

氮化镓的应用实际上从led的发光器件开始。逐步发展到现在开始大规模的使用到的射频微波器件，并且已经进入到电力电子领域。这个发展历程的内在逻辑是什么呢？首先GaN的这个LED发光器件是一种不可替代的技术。因为氮化镓发出来的蓝光波长范围。当蓝光一出来，就可以迅速的去得到运用。

同时随着无线通讯的发展，射频微波领域对于PA（功率放大器）的要求进一步提升。3G、4G、以至现在5G移动通信的发展，推动了GaN基站的应用。实际从4G之后，我们就已经开始大量的采用氮化镓器件。但是，它的性能提升有一个过程。

我们可以看得到，氮化镓在4G时代的时候就可以看到，同频率同功率等级的氮化镓比硅基的LDMOS有10%左右的效率提升，但是应用并没有那么顺利，为什么呢？这就涉及到一个可替代性的问题和成本的考量。LDMOS的性能不断在提升，氮化镓的成本和可靠性不能一下就得到认知，所以他会有一个考量过程。到现在5G，尤其到高频段以后，GaN便成为首选，进入到射频微波领域的爆发期。

当然，我们去年开始，包括今年疫情刚刚开始不久，小米雷军雷总强大的带货能力，氮化镓的功率器件进入到我们生活中来，引发了氮化镓电力电子器件的应用。实际上，这个市场应用是一个刚刚开始。这是一个成本非常敏感的消费级市场应用。它的成本导向非常非常明显。所以接下来他还会进一步的进入到更高性能要求，以及成本更加合理的一个应用空间及应用区间去。

接下来，我将从微波射频、电力电子，以及我国的GaN产业所面临的一些机会和挑战这三个部分给大家来介绍一下。

微波射频领域

首先进入射频微波领域。GaN最早开始的时候是在雷达、卫星通讯、宽带移动通讯等等军事领域。现在随着5G移动通讯的频谱扩展，开始进入到了宏基站领域，接下来明显的觉察到它会进入到一个更加广阔的终端领域。随着毫米波应用起来之后，会进入到终端。当然，GaN在5G移动通讯的物联网，汽车通讯等等领域的需求、的应用会变得越来越多。

一个典型的这个通讯设备中，PA（射频功率放大器），是一个很重要的元器件。这个PA的作用主要是将小信号的射频信号进行放大，然后通过开关、天线等发射出去。本图讲的是功放的基本功能。那么其实在这个功放上面，LDMOS、砷化镓和氮化镓都是有在应用的。

那么氮化镓的优势呢，我相信直播间前几期分享中，已经有嘉宾讲过了，氮化镓在材料学方面是有明显的优势的，这里就不再赘述。

其实氮化镓在射频领域的核心优势就是我上面这个公式Johnson`s FOM。这是一个评价因子，也就是说，输出功率跟频率的平方，它实际上是等于一个常数的。这个常数就是我这张图上面的右下角那三条线。大家可以看得到那一条深蓝色的线是硅基的极限。而红色是砷化镓的极限。氮化镓的是浅一点的，蓝色的这条线，那么这个线的在纵坐标的上的差别是100倍。

在同样的频率下面，他们的输出功率是差100倍的。或者换一句话讲，在同样的一个输出功率下面，他们的频率带宽范围是很多倍。所以可以这样理解，它的核心竞争优势就是这个公式。

根据这个公式也有人做过大量的比较和统计。从上面图中可以看到两个角度，一个是从效率的角度，第二个是从功率的角度都得到了几乎类似的曲线。大家看到最上面那条曲线是氮化镓的曲线，可以看到，它在频率上从1GＨｚ到10GＨｚ到100GＨｚ都展示出来了一个良好的效率和功率曲线。

大家看到那个浅蓝色的就是硅的曲线变化趋势，也就是说它在2.5GＨｚ左右，效率就开始急剧地下降。同时，输出功率也是在急剧的下降。所以这就是咱验证了为什么5G移动通讯当扩展到2.6GＨｚ、3.5GＨｚ、4.9GＨｚ，还有毫米波的时候，氮化镓就会大大的优于硅基的LDMOS 。

氮化镓的射频器件，经历了一个很长的演进过程。上个世纪90年代还在实验室提出一些概念。其中有几个标志性的事件就是96年，我们看到第一个微波器件造出来。当时输出功率是每毫米一瓦。99年半绝缘碳化硅衬底实现，大概一个2寸片4000美元。

2000年到2004年期间的就解决了一些器件的设计和一些基础的理论问题，比方说电流崩塌。还有这个缓冲层的外延结构。还有成本结构的设计能够保证它的输出功率。

2005年才开始进入的第一代的产品。美国DARPA（美国国防高级研究计划局）支持的一个研究项目，解决了氮化镓的可制造性。这使得氮化镓成为一个可以制造可靠的产品，就是第一代的氮化镓产品，那时候产品往往都还是用军事领域。

2010-2015年之间，氮化镓的50V的工艺，开始替代28V的工艺，使得氮化镓开始进入通讯市场。那个时候，各个大公司都开始纷纷的推出一些产品。同时呢，我们的MMIC的技术与设计，以及工艺技术已经成熟。Foundry service已经出现了。

2015年到2020年，可以说氮化镓已经进入到了第三代的技术演进。它开始出现了超高频超宽带的产品。超高频现在已经做到30ＧＨｚ到80ＧＨｚ级的MMIC产品。效率已经达到理论极限的70%，在一些其他特殊的情况下面，还可以超过这个数字。

总结而言，氮化镓射频器件的主要核心优势就是高效率。与硅相比，效率高很多。在基站侧，以铁塔公司的数据为例，3000多瓦的5G基站。大概是4G1300瓦左右的三倍到四倍。这个能耗是非常高的，所以他们很关注基站的通讯效率，而且一个ＰＡ又占到了基站的60%功耗。

所以效率是一个是非常重要的因素。同时，氮化镓还有着更大的带宽。这种带宽也是它能够取代LDMOS，获得设备厂商青睐的一个很重要的因素。当然了，氮化镓本身就是一个可以在高温下工作的器件，这在可靠性方面会有更大的好处。

另外一点，氮化镓随着每瓦尺寸和重量的大幅缩小，它能够降低系统设计的难度，并且缩减整体的成本。虽然我们现在氮化镓价格可能会略微高于硅，大约高于20%到50%之间。但是他所带来的整体优势是要远远的超过了这部分价格差。

从这张图还可以看得到NXP的一个同频段功率等级的LDMOS和氮化镓效率是差１０％。氮化镓功率密度，现在大概在8瓦到10瓦之间，就可以用于规模生产的。而硅的功率密度比这小大概一两瓦。

这一页正好也可以看到4G通讯基站的带宽是40M。可以用LDMOS。到了5G通信基站，带宽需求，尤其是我们这次电联合营之后，必须要把带宽提高200兆。所以这个时候必须要用氮化镓器件。此外，Massive MIMO的宏基站已经成为5G的一个重要的技术的特点，只有Massive MIMO才能保证散热，氮化镓的高效率才能够有效的散热出去，如果用硅来做的话，它的散热将会不是很好。

氮化镓的设备还有一个明显的好处就是它的体积小。对于射频而言，我们功率可以做到很大，它的探测距离就远。从这个图中可以看到一些典型的军事应用，从路基的导弹防御系统的雷达，舰载的宙斯盾、神盾盾系统，以及机载相控阵雷达，都是氮化镓大显神通的地方。

关于氮化镓射频器件的市场主要参与者，这是我们感兴趣的一个话题。我这里列出来的这张表可以看得到日本住友、Qorvo。Wolfspeed以及恩智浦这四个国际的大厂，都是采用IDM的模式，而且他们的产能和技术以及解决方案的能力，市场渠道的能力以及在客户里面已经建立起来的品牌信任度，这些是我们国内的企业远远不能比的。

我们国内现在主要是四个品牌，一个是能讯半导体，还有以IDM为主要方式的CETC十三所、CETC五十五所，以及稳懋（win Foundry）专门做代工的一家制造工厂。

刚刚讲到了氮化镓的应用，它的市场空间是很大的，这里引用了YOLE的报告。报告中显示，未来几年，氮化镓的复合增长率将达到21%。这个数字回过头去看，YOLE每个都在发布，这个数字每年都会调高。所以实际进展可能会高于这个预期。

随着5G频谱的进一步扩展，中国从这个sub－6GＨｚ开始先部署。然后再视情况去看毫米波波段。但实际上，在全球范围之内，毫米波的部署已经开始了。那么在毫米波这个产业的角度来看的话，氮化镓是可以把它做成一个单芯片集成的一个soc。这是它的最大的优势。

具体来说，一个射频前端里面会要用到的氮化镓的高功率PA，开关，低噪放都可以用氮化镓来做。如果全部都用氮化镓做的时候，它的整个优势就会凸显出来。

长远一点的来说，氮化镓的射频市场就是我们的终端。氮化镓未来是可以替代智能手机现在应用的砷化镓器件。

大家可以看得到，我们智能手机中间的砷化镓功率放大器的个数从4G时代的6-7个，现在已经扩展出来，5G的华为Mate30pro的里面有14颗PA芯片。事实上，有人预测。还会到16颗，这还是指的在频段比较低的数量。如果随着高频的频段开放出来，这个数字可能还会增加。

我们这里仅仅以智能手机为例，来举例说明它的市场空间是巨大的。而且它的整个数量级是在基站的10倍到20倍，所以这是一个大有可为的地方。

氮化镓进入智能终端领域，它还会面临一些问题，现在还做不到。我们也总结了一下，现在主要是三方面的问题。

2. 氮化镓作为一种宽禁带的半导体，它是需要在高电压下发挥他的优势的，而我们不可能将手机设成一个高电压运行的系统。如果用氮化镓，起码要到36伏（人体的安全电压的极限）。那么如何对智能手机电源架构进行重新设计是一个难题。

3. 最后一个问题就是氮化镓射频器件在毫米波段会涉及到成本需要进一步降低。因为现在砷化镓基本上都是用六英寸的工艺来制造，它的工艺成熟，良率很高。氮化镓现在的都还在四英寸，而且良率还不够高。相对来说，这时候的成本比起终端高成本要求还有巨大的提升空间。同时，氮化镓在硅基上面做六英寸，甚至八英寸，会有明显的优势。现在六寸比四寸要有成本优势了，如果能够上到八寸，那它的成本要低于砷化镓。

电力电子器件

接下来我讲一下电力电子器件，这个并不是我们现在的重点产业化的方向，所以我也只是简单讲一下。

首先。我们认为，氮化镓适用于在二次电源。一次电源、二次电源在1200V伏以下都是比较适合它的。那么有各个应用领域，这个后面会讲更细的。那么它与硅相比，大家可以看一下，右边中间一点的这个图。灰黑色条线是硅器件的极限值。也就是说在，不同的电压下面的它的导通电阻。

我们现在这里列出来了几家公司，Transphorm、EPC、GaN system他们已经能够实现的产品的导通电阻在大概在600V左右。

目前这些产品都已经超过了英飞凌的Super Junction的电力电子器件。大家可以看得到，这只是氮化镓的开始。从理论上讲，大家可以看到最下面的那条红线，我们大概还有100倍的提升空间。

这样的提升空间能够显著的带来效率的提升，也就是说，氮化镓替代硅基器件来减少体积，并且提升效率。这就是小米雷军总带货的时候强调过的，拿出一个65v的器件，他就变得很小。而且效率也比以前要高很多。

大家也会感兴趣的是氮化镓与碳化硅在功率器件领域也会有形成一定的竞争。同样是宽禁带半导体。碳化硅一般被认为是用在功率等级更高，耐电压更高的领域。而硅基氮化镓的成本低，适合于用在一些中低压的领域。这主要是因为氮化镓现在还是一种平面性器件，它的源漏极的距离，在平面上来做限制了它的耐压。这是一个核心的区别。

氮化镓的电力电子器件市场也是非常有前景的。这张图也是YOLE的研究，实际上，现在氮化镓的业界出货量已经达到上百万颗的。

关于出货的顺序，大家可以从这张图中看到。首先在快充上面，对于一些新试用者，他能够比较好地去注重用户体验，能够承受稍微高一点的价钱。同时，它的可靠性要求实际上也没那么高。汽车雷达、数据中心电源到服务器电源等这些应用，会进一步加大功率等级，并且可靠性要求更高。总之，我们可以看到氮化镓的市场前景非常好。

挑战与机遇

业界达成一个共识，氮化镓在硅基上面生长可以降低成本。那么它主要会面临哪些挑战？这也是业界可能非常关注的一些问题。

1. 大尺寸硅基氮化镓材料的生长。

2. 就是我们常关型器件。如何实现常关型？实际上，在工业的领域还是有一些争议的，现在有好几种方式。都很能实现，但是都有各自的缺点，所以最终市场能够选择哪一种或者是多种的变程，技术还有待于进一步发展。

3. 技术方面的难度就是封装。高频高密度的封装实际上要求很高，尤其是氮化镓的优势是高频，可以使得器件小型化。但是实际上我们现在能够用的就是几百K，上M都不是很好，更别提到更高频的，把射频的性能跟它结合起来，这个有很高的难度。

那么再一个难度就是如何用好氮化镓？它在驱动、电磁兼容等方面都还是有很多问题，例如，周边的一些磁性元件、电感性元件的小型化能否跟得上，而且还要够便宜，这也是一个巨大的挑战。

我们认为产业化还面临的一个重要挑战就是如何去推广。谁能够愿意使用？这个问题似乎已经得到了一些缓解，比方说小米，Oppo，都开始在快充领域发力。这个是氮化镓电力电子器件的一个起步。

接下来的分享关于氮化镓技术路线和在不同应用领域的一些总结。可以看到两条线。一条是GaN-on-SiC的一些相关的应用，从最早的雷达，到基站。现在5G已经起来，迎来一个非常好的发展期。按照上面产品生命周期理论，前期缓慢增长已经过去，已经进入到一个高速的增长期。

通过GaN-on-Si发展曲线，可以看到它现在还是一个早期，还没有完全启动。它的应用随着射频以及电力电子的应用，会在未来迎来一个非常高的发展期。此外还看到另外一种可能，那就是GaN-on-Si进入到射频终端中，迎来更高的成长。

当然，我们也可以看到氮化镓在金刚石上的一些进展，现在还在研究。它在卫星通讯、雷达这些领域它也会有很好的应用。这是三个技术路线分别所处的现在状态和未来的发展趋势。

氮化镓的发展从来离不开各个国家本身的支持。美国否决中国收购飞利浦旗下的照明事业部收购。通过这件事情我们可以看得到国家政府对氮化镓的认知是越来越高的，而且也在大力的支持国家的氮化镓产业，纷纷在布局。

那么中国如何来做？刚刚我前面也讲到了，我们的整个产业在国际的竞争对手面前还是有很大劣势。主要有以下几点。

1. 氮化镓是一个射频器件行业，它汇聚了很多的学科，是一个交叉的技术，并且交叉复杂度非常高。射频，微波、半导体物理、材料等等，这些学科都是要交叉的。这个交叉也是这个行业的现在的主要壁垒。我们现在国内也很难能够拿到一个非常全的这种学科结合体，结合的团队。

2. 我们要有时间积累。因为氮化镓技术的完整性、工艺的稳定性，器件的可靠性，以及我们面临的一个供应链的运营，整个运转起来以后，它的成本控制，这些都是难题。

3. 产业化的难度要比我们想象的要大得多。有时候，一个很小的问题能够困扰很长一段时间。这个我们是一路走过来经验。我们的第一个工厂是在2012年建好的，运行到现在八年时间，各种难题层出不穷。

所以中国的氮化镓产业要有一个长效的机制，能够建立完整的技术体系，能够相互的磨合、配合、相互去协作，形成竞争力。当然，这些能够在一个团队里面来实现是最好的，因为整个产业链上的这种协作实际上是讲起来很容易，但是操作是不太容易的，所以这也就是为什么我们一直坚持在现在阶段选择IDM的一个重要原因。

大家可以看得到，如果我们用一些工具来衡量，我们国内的氮化镓产业，它的技术成熟度现在基本上已经达到L9。就是说能够支持现场的系统验证。但是我们的制造成熟度只是在小批量验证的这个阶段，还不能算大批量。尽管我们国内也有的出货在百万级，但是还不能够被称为大批量验证，所以我认为他是L9的阶段，达到L10则能够大批量量产。

另外一个从产业的角度，就是我们的质量管理的成熟度。质量管理伴随着技术到制造，到质量的成熟，是有一个过程的，往往是滞后的。现在我们也只能说是进入了一个通晓期。真正的稳定的质量，可能还需要一两年的时间。这是摆在国内器件面前的一个重要的、亟需攻克的难题。

讲了这么多难题，以及不容易做的地方，当然我们也有我们的优势。我们最大的优势就是我们有最优秀的客户，有愿意试错的客户和市场。这一页图展示了我们氮化镓器件的竞争的情况。氮化镓在基站射频器件的应用主要就是在华为、中兴、爱立信、诺基亚、三星这些设备厂商。

关于量产出货的压力。我们国际上四大巨头日本住友、wolfspeed、Qorvo和恩智浦，都是已经在国内国外大批量的出货了，那么我们国内的厂商CETC13所、能讯半导体都在奋起直追。这是我们的一个难得的机遇。未来的三年时间，我们一定要抓住这个机遇去提高我们的市场占有率。

这也是中国的氮化镓产业实现超越的机会，所以我们认为中国的氮化镓产业是大有可为的。

好的，谢谢大家，我就今天的这个分享和交流就到这里。

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關鍵字: 氮化 物联网 苏州