2023年10月24日，英飛淩宣布完成收購氮化镓系統公司（GaN Systems），豐富氮化镓功率轉換解決方案産品組合和領先的應用技術； 2024年1月11日，瑞薩電子與全球氮化镓功率半導體供應商Transphorm宣布雙方達成最終協定，瑞薩電子将收購Transphorm所有已發行普通股。 海外巨頭在氮化镓市場動作頻頻，這将顯著地推動了氮化镓技術的發展和行業格局的變化，同時也充分顯示了氮化镓技術在功率電子器件領域的戰略重要性。實際上，不僅在功率電子器件領域，氮化镓同樣廣泛應用于光電、射頻等市場。本文将梳理氮化镓器件下遊應用、襯底分類、生産成本、技術路徑等次元的資訊，供行業相關人士參考。 首先回顧下氮化镓材料的特點：禁帶寬度高、飽和電子漂移速率高、介電常數低、擊穿場強高，使其具備耐高壓、尺寸小、高頻率、損耗低、信号傳輸低延遲、串擾小等優勢，這些優勢也為氮化镓廣泛的應用提供了基礎。
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下遊應用
氮化镓器件主要應用于光電、射頻和電力電子等領域。根據前瞻産業研究院資料，2020年三大領域的下遊應用占比分别為68%、20%、10%。光電領域：氮化镓材料可以用于制備高性能的LED（發光二極管）和LD（雷射二極管）器件，還可以用于制備高性能的光電子器件，如光電探測器、太陽能電池和光通信器件等，到目前為止，光電領域依然是GaN的傳統強項。射頻領域：氮化镓因高功率密度、低能耗、适合高頻率和寬帶寬的特點，成為5G通信的關鍵材料。目前射頻器件領域LDMOS、砷化镓、氮化镓三者占比相差不大，但随着矽基氮化镓技術的發展，結合了氮化镓的高性能和矽基工藝的成本優勢，使其成為5G中射頻功率放大器的有力競争者。據Yole預測，至2025年，砷化镓市場佔有率基本維持不變的情況下，氮化镓有望替代大部分LDMOS份額，占據射頻器件市場約50%的份額。電力電子領域：氮化镓功率器件在消費電子快充市場已經得到了廣泛應用，特别是在智能手機和筆記本電腦的充電器中，由于氮化镓器件能夠在提高效率的同時減小體積，這使得快充裝置更加便攜和高效。另外，随着長時間的市場培育，很多氮化镓廠商都開始陸續釋出了自己的高功率産品，已經在光伏新能源、資料中心、電動汽車等應用上實作突破。 值得一提的是，氮化镓在新能源汽車領域主要有三種應用：車載充電器，用于給高壓電池充電；DC/DC轉換器，将來自高壓電池的電力轉換給汽車上其他電子裝置；牽引驅動或電機控制，可以用于驅動電機。但相較于碳化矽的“上車”熱潮，氮化镓仍在蓄力中，汽車市場規模仍然很小。 另外，氮化镓可以實作更高的功率密度和效率，比純矽解決方案更有效地進行電量處理，将功率轉換器的功率損耗大幅降低，并更大限度地減少對添加冷卻器件的需求，可以在更小的空間内，設計更小更輕的系統。
襯底分類
目前氮化镓器件主要采用藍寶石、SiC、Si等襯底，但外延層氮化镓和異質襯底之間存在晶格失配和熱失配問題，效率降低。作為襯底，氮化镓自然是最适合用來作為氮化镓外延片生長的襯底材料，同質外延生長可以從根本上解決使用異質襯底材料所遇到的晶格失配與熱失配問題，将生長過程中由于材料之間性質差異所引起的應力降到最低。 但因為氮化镓在高溫下會分解，不能用單晶矽生産工藝的傳統直拉法拉出單晶，需要純靠氣體反應合成，而氮氣性質非常穩定，镓又是稀有金屬，兩者反應時間長，速度慢，反應産生的副産物多，是以氮化镓襯底的生産對裝置要求苛刻，技術複雜，是以産能也相對較低，市場售價高，目前市場上采用氮化镓襯底的廠商較少。
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GaN-on-sapphire：藍寶石襯底由于工藝成熟，可獲得較低成本、較大尺寸、高品質的單晶，主要制作成光電器件，廣泛應用于LED照明、紫外/藍/綠雷射器等光電領域；GaN-on-SiC：結合了碳化矽優異的導熱性和氮化镓高功率密度、低損耗的特性，襯底上的器件可以在高電壓和高漏極電流下運作，結溫随RF功率緩慢升高，RF性能更好，主要制作功率器件、射頻器件。但由于生長高品質、大尺寸碳化矽單晶難度大，SiC為層狀結構易于解理，加工性能較差，容易在襯底表面引入台階狀缺陷，影響外延層品質。同尺寸的碳化矽襯底價格為藍寶石襯底的幾十倍，高昂的價格限制了其大規模應用。GaN-on-Si：襯底成本低，生長速度快，GaN-on-Si是矽基工藝，與CMOS工藝相容性好，能夠将GaN器件與CMOS工藝器件很好的內建在一個晶片上，可以利用現有矽晶圓代工廠進行規模量産，主要制作功率器件、射頻器件，應用于消費電子、工業、資料中心和電動汽車等領域；GaN-on- GaN：具有更高的擊穿電壓和電子遷移率，這些特性使得氮化镓成為高效率光電器件和高頻電子器件等的理想選擇，但氮化镓單晶生長裝置要求高，工藝複雜，成本較高，目前小批量商用。對于追求最佳性能的應用，如高端雷射器和某些類型的光電探測器，可能會考慮使用氮化镓單晶襯底。
生産成本
氮化镓半導體産業鍊各環節為：襯底→氮化镓材料外延→器件設計→器件制造。 以矽基襯底氮化镓器件為例，根據聚力成半導體的資料，矽基襯底GaN HEMT的Die生産成本主要由襯底成本、外延片成本、制造+封測成本以及良率損失成本構成，分别占比7%、50%、23%和20%左右，外延片制造環節成本占整個Die生産成本将近一半，是整個氮化镓産業的核心工藝。 相對碳化矽來說，目前矽基襯底氮化镓（GaN-on-Si）和藍寶石襯底氮化镓（GaN-on-Sapphire）的制造成本是要低于SiC-on-SiC的，因為後者的襯底材料成本高出25倍以上，且晶圓制造良率也比較低。而其他襯底的氮化镓器件的成本則并沒有優勢。盡管在1200V以上的高電壓領域，碳化矽的成本效益最高，但在600V-1200V的高功率場景中，氮化镓的市場潛力巨大，正成為其新的藍海市場。 值得指出的是，氮化镓電子遷移率比碳化矽高2倍，是以氮化镓的開關損耗比較低。此外，氮化镓的工作頻率也高于碳化矽，是以可以減小電路中使用的磁性元件的尺寸。磁性元件尺寸減小有助于降低成本，該優勢最終展現在功率系統的物料清單（BOM）上。
技術路徑
氮化镓器件主要有兩種技術路線，平面型與垂直型。平面型氮化镓器件通常基于非本征襯底，如Si、SiC、藍寶石等。早期高品質單晶氮化镓襯底難以實作，成本比較高，隻能通過非本征襯底上生長異質外延氮化镓，由于襯底外延界面早期難以實作導通，是以利用異質結的平面型GaN器件逐漸成為了主流。 常開的D-mode（耗盡型）和常關的E-mode（增強型）構成了橫向HEMT器件的兩大類。由于器件中氮化镓與AlGaN界面有性質優良的二維電子氣（2DEG）形成了天然的導電溝道，是以未經特殊工藝等技術手段制成的器件都是常開的耗盡型器件。 D-mode（耗盡型）是氮化镓功率器件的自然狀态，在通常狀态下（栅源極電壓VGS=0），漏極和源極之間已存在2DEG，器件呈導通狀态；而當栅源極電壓VGS