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第三代半导体之GaN专题研究报告

第三代半导体之GaN专题研究报告

总结

我国GaN产品逐步从小批量研发、向规模化、商业化生产

发展。GaN单晶衬底实现2-3英寸小批量产业化，4英寸已经实

现样品生产。GaN异质外延衬底已经实现6英寸产业化，8英寸

正在进行产品研发。GaN材料应用范围仍LED向射频、功率器

件不断扩展。

射频器件方面，GaN受到5G推动。GaN射频器件衬底主要

采用SiC衬底。Cree拥有最强的实力，在射频应用的GaNHEMT、

尤其是GaN-on-SiC技术方面，该公司处于领先地位，远远领先日

系厂商住友电工和富士通。国内主要的厂商是海威华芯、三安集

成和华进创威。

功率器件方面，快充将成为最大推动力。2019年OPPO、小

米在新机型中采用了GaN快充器件，随着终端客户积极推进，

消费级GaN手机电源市场起量。除消费电子领域外，欧洲车企

积极采纳，车规级GaN充电市场迎来需求增长。

一、GaN产业格局初成，国内厂商加速布局

1.1化合物衬底的功率半导体对比

•GaN具备带隙大（3.4eV）、绝缘破坏电场大（2×106V/cm）

及饱和速度大（2.7×107cm/s）等Si及GaAs不具备的特点。由

于容易实现异质结构，因此在LED、半导体激光器、高频及高功

率元器件等领域的应用不断扩大。

1.2GaN结构特性

•GaN作为一种宽禁带材料，和硅等传统半导体材料相比，

能够在更高压、更高频、更高温度的环境下运行。从结构上看，

Si是垂直型的结构，GaN是平面型的结构，这也使得GaN的带

隙远大于Si。

•SiC相比，GaN在成本方面表现出更强的潜力，且GaN器

件是个平面器件，与现有的Si半导体工艺兼容性强，这使其更

容易不其他半导体器件集成。

•GaN具备带隙大（3.4eV）、绝缘破坏电场大（2×106V/cm）

及饱和速度大（2.7×107cm/s）等Si及GaAs不具备的特点。由

于容易实现异质结构，因此在LED、半导体激光器、高频及高功

率元器件等领域的应用不断扩大。

二、器件发展，材料先行

2.1GaN应用发展历程

LED：GaN不可替代；以蓝宝石为衬底；2000发展至今，2014

年推出蓝光LED

射频：GaN不硅基材料拉锯；以SiC衬底为主；注重性能、

稳定性；2018年PA中GaN超过硅基使用量；

功率器件：GaN参不竞争；以Si衬底为主；成本敏感，注

重实用、美观；2020年打开快充市场；

2.1GaN衬底与应用相关

•衬底的选择根据应用的需求而变化。目前市场上GaN晶

体管主流的衬底材料为蓝宝石、SiC和Si，GaN衬底由于工艺、

成本问题尚未得到大规模商用。蓝宝石衬底一般用于制造蓝光

LED，通常采用MOCVD法外延生长GaN。

SiC衬底一般用于射频器件，Si则用于功率器件居多。除了

应用场景外，晶格失配度、热膨胀系数、尺寸和价格都是影响衬

底选择的因素之一。

2.2GaN衬底发展历程

•SiC衬底应用较广。SiC衬底在4G时代被逐步推广和应用，

由于5G频率高于4G，我们预计GaN-on-SiC将在Sub-6GHz得到

广泛应用。目前SiC衬底主要以4寸、6寸为主，随着8寸SiC

晶圆生产工艺成熟，未来有望降低SiC衬底的使用成本。

GaN-on-Si主要用于功率器件，2019年Q1GaN-on-Si仍处于小规

模量产，但因为硅片尺寸已经达到12寸，未来有望依靠成本优

势得到大规模推广。

三、5G、快充推动GaN放量

3.1蓝光LED原理

•LED最基本的结构就是p-n结，由p型GaN和n型GaN

组成。目前，商业化的GaN基蓝光LED多采用InGaN/GaN多量

子阱结构。在蓝宝石衬底上先生长一层无掺杂的GaN作为缓冲

层，再生长一层Si掺杂的GaN层作为n型区，紧接着生长多个

周期的InGaN/GaN多量子阱作