氮化鎵的未來：IDM 還是 Fabless

今年十月份，日本功率器件大廠羅姆半導體（ROHM）公開表示，將在氮化鎵功率半導體領域加強與臺積電合作，公司旗下的氮化鎵（GaN）產品將全面委托臺積電代工生產。

值得注意的是，羅姆之前主要利用內部工廠來生產相關器件，但是近年來已經開始將部分產品委托臺積電代工，只不過羅姆此前并未對外公布。而此次，羅姆將全面委托臺積電代工生產有望運用于廣泛用途的 650V 耐壓產品，借由活用外部資源，應對急增的需求，擴大業(yè)務規(guī)模。

有分析認為，羅姆全面委托臺積電代工氮化鎵產品，旨在降低成本。畢竟，氮化鎵材料雖然性能優(yōu)越，但成本一直居高不下。如果成功，市場格局恐怕會發(fā)生劇變，臺積電和羅姆的合作，或許將成為氮化鎵產業(yè)的重要里程碑，加速行業(yè)的技術進步和商業(yè)化進程。

而這背后或許也意味著羅姆可能正在逐漸轉變代工模式，即從 IDM 轉向 Fabless。

性質卓越，應用廣泛的氮化鎵材料

寬禁帶材料的研究與發(fā)展已歷經多年，相較于傳統(tǒng)的硅基器件，寬禁帶器件能實現性能的巨大飛躍，比如寬禁帶半導體能夠在極端溫度下工作，承受更高的功率密度、電壓和頻率。正是這些優(yōu)勢使得寬禁帶材料在新一代電子系統(tǒng)中備受青睞。而在眾多寬禁帶材料中，氮化鎵尤為突出，其不僅在開關應用中展現出巨大潛力，也在射頻功率領域中展現出廣闊前景。

氮化鎵是一種直接能隙（direct bandgap）的半導體，自 1990 年起常用在發(fā)光二極管中。此化合物結構類似纖鋅礦，硬度很高。氮化鎵能隙為 3.4eV，電子遷移率通常在幾百到幾千 cm2/(V·s) 的范圍內，可以用在高功率、高速的光電元件中，例如氮化鎵可以用在紫光的激光二極管，可以在不使用非線性半導體泵浦固體激光器（Diode-pumped solid-state laser）的條件下，產生紫光（405nm）激光。日本名古屋大學和名城大學教授赤崎勇、名古屋大學教授天野浩和美國加州大學圣塔芭芭拉分校教授中村修二，其在氮化鎵和固態(tài)照明和數據存儲方面所做工作的巨大影響力而獲得了 2014 年諾貝爾物理學獎。

1993 年，隨著第 1 個具有微波特性的氮化鎵高電子遷移率晶體管（HEMT）器件被公開報道，第三代半導體迅速進入微波射頻的研發(fā)和應用領域，尤其是氮化鎵射頻器件，以其特有的高功率、高效率、高線性、高工作電壓、抗輻照等優(yōu)異特性，成為硅（Si）、砷化鎵（GaAs）等器件的理想替代者，在軍事裝備、航空航天、第五代移動通信（5G）技術等領域發(fā)揮了重要的作用，并展現出了廣闊的發(fā)展前景。21 世紀初，以 S 波段固態(tài)微波射頻器件為代表，美國首先將碳化硅（SiC）應用到裝備中，盡管隨后逐漸被氮化鎵取代，但其具有的高耐壓、高頻率特性得到電力電子領域的青睞，正逐步成為 Si 電力電子器件的替代者。

事實上，全球主要國家初期的產業(yè)奠基發(fā)展規(guī)劃都具備了明顯的國防軍事傾向與應用需求。目前，氮化鎵基 HEMT 的微波射頻技術基本實現了相對于前代半導體的大跨越。全球布局氮化鎵基半導體射頻器件的重要廠商有美國的 Cree（現 Wolfspeed）、Qorvo、MACOM 和 Raytheon 等，還有德國的 Infineon，加拿大的 GaN Systems，日本的三菱電機，以及荷蘭的 NXP 等。從制造成熟度方面看，美國 Raytheon 公司和 Qorvo 公司的氮化鎵產品已達到其國防部制造成熟度評估最高級，氮化鎵射頻器件的制造工藝已滿足最佳性能、成本和容量的目標要求，并已具備支持全速率生產的能力。2014 年，Raytheon 公司宣布在「愛國者」防空系統(tǒng)部署使用氮化鎵模塊的先進雷達；2021 年，將其 GaN-on-Si 技術授權給了 GlobalFoundries 公司，以共同開發(fā)出能處理 5G 和 6G 毫米波信號的 IC 制程，將氮化鎵基射頻器件（RF）規(guī)模化量產水平升至一個新臺階，進一步壓縮了 RF 的成本。

此外，氮化鎵具有優(yōu)良的電子遷移率和電子飽和漂移速度，這使得它在射頻和微波電子器件中具有出色的性能，例如 5G 通信系統(tǒng)中的射頻功率放大器。5G 基站對射頻器件提出更高的要求，傳統(tǒng)的橫向擴散金屬氧化物半導體（LDMOS）無法適應 5G 的高頻率，而氮化鎵適應的頻率范圍拓展到了 40GHz 甚至更高，可適應 5G 高頻的需求；氮化鎵具有軟壓縮特性，更容易預失真和線性化，實現更高的效率；氮化鎵可以做到更高的功率密度，達到 LDMOS 器件功率密度的 4 倍左右；氮化鎵封裝尺寸僅是 LDMOS 的 1/4~1/7，氮化鎵射頻器件更適用于 5G 基站。2010 年，氮化鎵基高功率微波放大器件首先應用于小體積、高線性度等高端基站設備，開始向移動通信市場投放。隨著第四代移動通信（4G）無線網絡基礎設施建設的全面鋪開，2014 年氮化鎵應用明顯增多，而 2GHz 以上 Si 基 LDMOS 器件的市場占有率從 92% 下降至 76%。而 5G 的推出，讓氮化鎵微波功率放大器接受度更高，在高頻段下，只能依賴氮化鎵基 HEMT 器件。目前，氮化鎵基 HEMT 的微波射頻技術基本實現了第三代半導體相對于前代半導體（Si 基 LDMOS、GaAs/InP 基 pHEMT 等）的大跨越。

目前，隨著 MBE 技術在氮化鎵材料應用中的進展和關鍵薄膜生長技術的突破，成功地生長出了氮化鎵多種異質結構。用氮化鎵材料制備出了金屬場效應晶體管（MESFET）、異質結場效應晶體管 (HFET)、調制摻雜場效應晶體管（MODFET）等新型器件。調制摻雜的 AlGaN/GaN 結構具有高的電子遷移率 (2000cm2/v·s)、高的飽和速度 (1×107cm/s)、較低的介電常數，是制作微波器件的優(yōu)先材料；此外，氮化鎵及藍寶石等材料作襯底，散熱性能好，有利于器件在大功率條件下工作。

產業(yè)鏈不斷完善，產能增長迅速

20 世紀 80 年代初，第三代半導體初露崢嶸，率先在化合物照明領域取得重大突破，目前已經在全球形成萬億級的市場規(guī)模。近 3 年受新冠疫情影響，第三代半導體發(fā)展有所緩滯，但全球體量仍以每年約 10% 的復合增長率提高。隨著深紫外發(fā)光二極管（LED）、Mini-LED、Micro-LED 等革新技術的出現，第三代半導體在光電子領域又開辟出新型顯示、智慧農業(yè)、醫(yī)療健康等新的應用場景，將進一步擴大市場規(guī)模。

近年來，氮化鎵技術取得了一系列重大突破。例如，德國芯片巨頭英飛凌成功開發(fā)出 300 毫米氮化鎵功率半導體晶圓技術，顯著降低了生產成本，有助于推動氮化鎵技術的大規(guī)模商業(yè)化應用。

隨著氮化鎵技術的不斷成熟和應用領域的不斷拓展，氮化鎵產業(yè)鏈也在不斷完善。從襯底到外延到功率器件、射頻器件、光電器件的全覆蓋，各企業(yè)都在努力完善自身的產業(yè)鏈布局。

來源：弗若斯特沙利文、英諾賽科招股書

而在英諾賽科招股書中把氮化鎵產業(yè)鏈分為上游供應商包括設備供應商及原材料供應商，其中原料主要涉及氮化鎵襯底，可分為藍寶石、硅、碳化硅、氮化鎵自支撐襯底四種材料。中游的氮化鎵功率半導體廠商負責氮化鎵功率半導體的設計、制造、封裝和測試等，具體又包含了 IDM 和 Fabless 兩種模式。在下游，氮化鎵功率半導體適用于應用場景廣泛的各種功率器件，包括消費電子、電動汽車、數據中心、光伏、儲能等。

目前，各個環(huán)節(jié)國內均有企業(yè)涉足，如在射頻領域，氮化鎵襯底有維微科技、科恒晶體、鎵鋁光電等公司。外延片涉足企業(yè)有晶湛半導體、聚能晶源、英諾賽科等。蘇州能訊、四川益豐電子、中科院蘇州納米所等公司則同時涉足多環(huán)節(jié)，力圖形成全產業(yè)鏈公司。

IDM 還是 Fabless？

目前在硅基半導體領域，主要有 Fabless 和 IDM 兩種模式。IDM 模式是一種垂直整合型商業(yè)模式，即企業(yè)自行設計芯片，并將自行生產加工、封裝、測試后的成品進行銷售。與 IDM 模式不同，Fabless 模式是一種專注于設計的商業(yè)模式。在這種模式下，企業(yè)主要負責集成電路的設計、測試和銷售環(huán)節(jié)，而將晶圓制造、封裝和測試等生產環(huán)節(jié)外包給專業(yè)的代工合作伙伴來完成。

而在氮化鎵領域，IDM 模式的代表廠商有三安光電、英諾賽科、士蘭微電子、蘇州能訊、江蘇能華、大連芯冠科技等公司，Fabless 廠商主要有華為海思、安譜隆等，同時海威華芯和三安集成可提供 GaN 器件代工服務 (Foundry 模式)。

當下，很多過去致力于硅基半導體代工的廠商也早已觀察到氮化鎵市場的廣闊前景，并提前開始布局。例如，代工龍頭臺積電就一直很關注氮化鎵產業(yè)，其程度甚至超過當前風頭正盛的碳化硅。早在 2020 年，臺積電就宣布，要與意法半導體合作加速氮化鎵制程的開發(fā)，并將分離式與整合式氮化鎵元件導入市場。透過此合作，意法半導體將采用臺積電公司的氮化鎵制程來生產其氮化鎵產品。

很多氮化鎵廠商已經開始與臺積電進行合作，而臺積電所進行的氮化鎵代工業(yè)務也多是目前主流的 GaN-on-Si。而一直將臺積電視為其競爭對手的三星，也在氮化鎵領域上進行了投資。為填補本身在晶圓代工上的劣勢，三星已經開始培育韓國國內半導體產業(yè)的新創(chuàng)公司，其中就包括三星投資部門的 80 億韓元投資的 IVworks，該公司是韓國第一家開發(fā) 8 英寸 GaN-on-Si 外延片和 4 英寸 GaN-on-SiC 外延片的晶圓代工廠。

其他還有像聯(lián)電、世界先進、穩(wěn)懋半導體、三安集成、X-Fab 等代工廠商均有氮化鎵的代工業(yè)務。

IDM 模式強調全生命周期控制和垂直整合，適用于技術密集型和資金密集型的行業(yè)；而 Fabless 模式則專注于設計和技術創(chuàng)新，適用于規(guī)模較小、資源有限但具有創(chuàng)新能力的企業(yè)。在實際應用中，企業(yè)應根據自身的技術實力、資金狀況和市場定位等因素來選擇適合自己的商業(yè)模式。同時，隨著半導體產業(yè)的不斷發(fā)展和市場需求的不斷變化，企業(yè)也應不斷調整和優(yōu)化自己的商業(yè)模式以適應市場變化。

為提高競爭力并確保穩(wěn)定供應，氮化鎵功率半導體企業(yè)通常結合資源和技術優(yōu)勢，以建立涵蓋氮化鎵功率半導體設計與生產的完整產業(yè)鏈系統(tǒng)。因此，近年領先的 IDM 功率半導體公司多次收購氮化鎵功率半導體產業(yè)的參與者，以建立本身的地位。早期布局 IDM 的企業(yè)可獲得先發(fā)優(yōu)勢和長期競爭力。

氮化鎵市場前景大，已經孵化了大量企業(yè)。對于后發(fā)企業(yè)來說，選擇 Fabless 不失為一個好的選擇。短期內，兩種模式可能共存。但隨著硅基半導體代工企業(yè)的介入，憑借強大的資本積累有望打破這種平衡局面。