【芯观点】高规格的痛苦面具，GaN-On-SiC的未来

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要说GaN有多火，如果你是手机制造商，不推出一款GaN快充可能会被嘲笑“落伍”。而在射频领域，GaN更被认为是高功率和高性能应用场景的未来。在SiC衬底上生长出的GaN呢？优秀基因的强强结合能否成就未来的王者？

“高规格”市场的枷锁

GaN-On-SiC（碳化硅基氮化镓）结合了SiC优异的导热性和GaN高功率高频的特点，目前已广泛应用于5G基站、国防领域射频前端的功率放大器（PA）。

在RF GaN行业，碳化硅基氮化镓也确实是一位当之无愧的老前辈。 除了在军用雷达方面的深度渗透外，由于能够更好满足5G技术的高功率、高频率及宽禁带等要求，也一直是华为、诺基亚、三星等电信OEM厂商5G基站基础设施的选择。

集微访谈视频截图

业内人士指出，基站仍然是RF GaN收入的主要来源。“目前5G基站还是以Sub-6GHz通信技术为主，但未来会往毫米波方向布局，会向更高频的技术上发展” ，市场研究机构Yole的分析师邱柏顺在接受集微访谈采访时说。

随着全球加速5G部署，碳化硅基氮化镓有望在不久的将来取代硅基LDMOS 在射频市场的主导地位。据Yole预计，到2026年，GaN射频市场将达到24亿美元，2020-2026年复合年增长率为18%。其中，碳化硅基氮化镓射频市场预计达到22亿美元以上，预测期内复合年增长率为17%。

图源：Yole Développement

和基站市场的火热不同，碳化硅基氮化镓在移动终端领域却格外冷清，尚未开始规模应用。可以这样形容，碳化硅基氮化镓——这位“高规格”市场的老前辈，在面向大众的市场上，还只是一个正待冉冉升起的“新星”。

作为限制GaN 同质外延的最主要因素，成本也是碳化硅基氮化镓要提高全民 “喜爱度”必须解决的首要问题。

图源：平安证券

近两年，业界纷纷开始扩展碳化硅基氮化镓的衬底尺寸，以寻求更优的成本效益，包括美国Cree 和Qorvo都在向6英寸升级。去年，NXP宣布在美国亚利桑那州建造的首座6英寸GaN RF晶圆厂正式运营。

邱柏顺认为，NXP是一个非常关键的例子，代表了碳化硅基氮化镓正受到主流厂商的采用。未来需求的可预见性增长正加速生产平台从4英寸向6英寸方向演进。预计到2024年，整体市场上的6英寸碳化硅基氮化镓的数量将超过4英寸，6英寸将渐渐成为主流。

NXP 亚利桑那州6英寸GaN晶圆厂开幕式

不过，鉴于碳化硅衬底制造困难，关键技术仍掌握在少数美国厂商如Cree、II-VI等手中，因此在邱柏顺看来，“工艺技术的升级可能仍会先以美国公司为主”，全球范围的推广可能存在时间上的差异。

但无论如何，GaN-On-SiC走出“高规格”市场需要的不仅是工艺端的进步，更需要整个供应链协同发展，产业上下游全面建设。

来自“大众情人”硅的威胁

这一天多久才能到来？

在那之前，硅基氮化镓能否先于碳化硅基氮化镓在移动终端领域大放异彩？相比于SiC，Si基衬底价格更加便宜，且易于垂直集成，尺寸扩展也相对容易。不过就目前来说，硅基氮化镓PA在5G手机等消费电子领域还处于探索阶段。

Yole在之前的一份报告中指出，截至2021年第二季度硅基氮化镓的市场容量很小，但硅基氮化镓PA因其大带宽和小尺寸已吸引智能手机OEM，预计可能很快会被支持Sub-6GHz的5G手机型号采用。

尽管如此，在邱柏顺看来，硅基氮化镓PA仍然需要一个“杀手级应用”打开射频市场。这一过程需要第一个吃螃蟹的公司。谁会最终站出来，并将硅基氮化镓PA的供应链梳理完备？

截至目前，包括美光、意法半导体在内的公司都在推动硅基氮化镓研发计划。上半年，雷神和格芯也宣布将合作研发新型硅基氮化镓半导体。国内方面，6月5日，英诺赛科苏州8英寸硅基氮化镓研发生产基地已经正式进入量产阶段。

邱柏顺对表示，随着这些重点公司的投入，如果硅基氮化镓迎来产品应用的机会，一些公司也愿意采用，这可能会成为硅基氮化镓打入5G手机PA的契机。

图源：Yole Développement

但在SiC基GaN领域研究超过十年的SweGaN可不这么认为。

瑞典半导体材料公司SweGaN的首席技术官兼联合创始人陈志泰博士在接受eeNews采访时表示，硅基GaN 越来越受到IC设计者的青睐，但当前的技术仍然存在很多问题，最大的问题在于可靠性。

据了解，Si与GaN在晶格参数和热膨胀系数上分别有17%与46%的极大差异，以致硅基上生长出的GaN单晶往往会出现龟裂等缺陷，良品率较低。在相同条件下，SiC 的器件的可靠性和使用寿命均胜过Si。

据陈志泰称，在硅衬底上，GaN必须生长 5μm 厚度才能达到良好的质量，但GaN-On-SiC只需长到 2μm厚 。而随着 SiC 衬底尺寸不断扩大，将可以生长出缺陷更少、质量更好的GaN外延片。

此外，SiC具有高电阻特性，这对毫米波传输十分有益，在设计带有高频MMIC时是必需的。针对这一点，邱柏顺也指出，一些公司未来可以投入新的技术，特别是通过从前段工艺到后段工艺的整体配合，把材料的潜能开发出来，这会是整个供应链的新的商机。

站在风口

无论是5G基站还是雷达、卫星等国防领域，甚至智能手机的发展，中国的速度举世瞩目。在一系列第三代半导体产业政策背后，国内的GaN-On-SiC产业从衬底，到外延，再到整个垂直工艺端，正不断涌进新的参与者。“整体来说目前的布局还是比较完整的，”邱柏顺说。

市场机遇扑面而来，站在风口的“国产三代半”们，准备好了吗？（思坦）

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