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2023年10月24日，英飞凌宣布完成收购氮化镓系统公司（GaN Systems），丰富氮化镓功率转换解决方案产品组合和领先的应用技术；
2024年1月11日，瑞萨电子与全球氮化镓功率半导体供应商Transphorm宣布双方达成最终协议，瑞萨电子将收购Transphorm所有已发行普通股。
海外巨头在氮化镓市场动作频频，这将显著地推动了氮化镓技术的发展和行业格局的变化，同时也充分显示了氮化镓技术在功率电子器件领域的战略重要性。实际上，不仅在功率电子器件领域，氮化镓同样广泛应用于光电、射频等市场。本文将梳理氮化镓器件下游应用、衬底分类、生产成本、技术路径等维度的信息，供行业相关人士参考。
首先回顾下氮化镓材料的特点：禁带宽度高、饱和电子漂移速率高、介电常数低、击穿场强高，使其具备耐高压、尺寸小、高频率、损耗低、信号传输低延迟、串扰小等优势，这些优势也为氮化镓广泛的应用提供了基础。
图源：公开资料，与非网制作
下游应用
氮化镓器件主要应用于光电、射频和电力电子等领域。根据前瞻产业研究院数据，2020年三大领域的下游应用占比分别为68%、20%、10%。
光电领域：氮化镓材料可以用于制备高性能的LED（发光二极管）和LD（激光二极管）器件，还可以用于制备高性能的光电子器件，如光电探测器、太阳能电池和光通信器件等，到目前为止，光电领域依然是GaN的传统强项。
射频领域：氮化镓因高功率密度、低能耗、适合高频率和宽带宽的特点，成为5G通信的关键材料。目前射频器件领域LDMOS、砷化镓、氮化镓三者占比相差不大，但随着硅基氮化镓技术的发展，结合了氮化镓的高性能和硅基工艺的成本优势，使其成为5G中射频功率放大器的有力竞争者。据Yole预测，至2025年，砷化镓市场份额基本维持不变的情况下，氮化镓有望替代大部分LDMOS份额，占据射频器件市场约50%的份额。
电力电子领域：氮化镓功率器件在消费电子快充市场已经得到了广泛应用，特别是在智能手机和笔记本电脑的充电器中，由于氮化镓器件能够在提高效率的同时减小体积，这使得快充设备更加便携和高效。另外，随着长时间的市场培育，很多氮化镓厂商都开始陆续发布了自己的高功率产品，已经在光伏新能源、数据中心、电动汽车等应用上实现突破。
值得一提的是，氮化镓在新能源汽车领域主要有三种应用：车载充电器，用于给高压电池充电；DC/DC转换器，将来自高压电池的电力转换给汽车上其他电子设备；牵引驱动或电机控制，可以用于驱动电机。但相较于碳化硅的“上车”热潮，氮化镓仍在蓄力中，汽车市场规模仍然很小。
另外，氮化镓可以实现更高的功率密度和效率，比纯硅解决方案更有效地进行电量处理，将功率转换器的功率损耗大幅降低，并更大限度地减少对添加冷却器件的需求，可以在更小的空间内，设计更小更轻的系统。
衬底分类
目前氮化镓器件主要采用蓝宝石、SiC、Si等衬底，但外延层氮化镓和异质衬底之间存在晶格失配和热失配问题，效率降低。作为衬底，氮化镓自然是最适合用来作为氮化镓外延片生长的衬底材料，同质外延生长可以从根本上解决使用异质衬底材料所遇到的晶格失配与热失配问题，将生长过程中由于材料之间性质差异所引起的应力降到最低。
但因为氮化镓在高温下会分解，不能用单晶硅生产工艺的传统直拉法拉出单晶，需要纯靠气体反应合成，而氮气性质非常稳定，镓又是稀有金属，两者反应时间长，速度慢，反应产生的副产物多，所以氮化镓衬底的生产对设备要求苛刻，技术复杂，所以产能也相对较低，市场售价高，目前市场上采用氮化镓衬底的厂商较少。
图源：公开数据整理，与非网制作
GaN-on-sapphire：蓝宝石衬底由于工艺成熟，可获得较低成本、较大尺寸、高质量的单晶，主要制作成光电器件，广泛应用于LED照明、紫外/蓝/绿激光器等光电领域；
GaN-on-SiC：结合了碳化硅优异的导热性和氮化镓高功率密度、低损耗的特性，衬底上的器件可以在高电压和高漏极电流下运行，结温随RF功率缓慢升高，RF性能更好，主要制作功率器件、射频器件。但由于生长高质量、大尺寸碳化硅单晶难度大，SiC为层状结构易于解理，加工性能较差，容易在衬底表面引入台阶状缺陷，影响外延层质量。同尺寸的碳化硅衬底价格为蓝宝石衬底的几十倍，高昂的价格限制了其大规模应用。
GaN-on-Si：衬底成本低，生长速度快，GaN-on-Si是硅基工艺，与CMOS工艺兼容性好，能够将GaN器件与CMOS工艺器件很好的集成在一个芯片上，可以利用现有硅晶圆代工厂进行规模量产，主要制作功率器件、射频器件，应用于消费电子、工业、数据中心和电动汽车等领域；
GaN-on- GaN：具有更高的击穿电压和电子迁移率，这些特性使得氮化镓成为高效率光电器件和高频电子器件等的理想选择，但氮化镓单晶生长设备要求高，工艺复杂，成本较高，目前小批量商用。对于追求最佳性能的应用，如高端激光器和某些类型的光电探测器，可能会考虑使用氮化镓单晶衬底。
生产成本
氮化镓半导体产业链各环节为：衬底→氮化镓材料外延→器件设计→器件制造。
以硅基衬底氮化镓器件为例，根据聚力成半导体的数据，硅基衬底GaN HEMT的Die生产成本主要由衬底成本、外延片成本、制造+封测成本以及良率损失成本构成，分别占比7%、50%、23%和20%左右，外延片制造环节成本占整个Die生产成本将近一半，是整个氮化镓产业的核心工艺。
相对碳化硅来说，目前硅基衬底氮化镓（GaN-on-Si）和蓝宝石衬底氮化镓（GaN-on-Sapphire）的制造成本是要低于SiC-on-SiC的，因为后者的衬底材料成本高出25倍以上，且晶圆制造良率也比较低。而其他衬底的氮化镓器件的成本则并没有优势。尽管在1200V以上的高电压领域，碳化硅的性价比最高，但在600V-1200V的高功率场景中，氮化镓的市场潜力巨大，正成为其新的蓝海市场。
值得指出的是，氮化镓电子迁移率比碳化硅高2倍，因此氮化镓的开关损耗比较低。此外，氮化镓的工作频率也高于碳化硅，因此可以减小电路中使用的磁性元件的尺寸。磁性元件尺寸减小有助于降低成本，该优势最终体现在功率系统的物料清单（BOM）上。
技术路径
氮化镓器件主要有两种技术路线，平面型与垂直型。平面型氮化镓器件通常基于非本征衬底，如Si、SiC、蓝宝石等。早期高质量单晶氮化镓衬底难以实现，成本比较高，只能通过非本征衬底上生长异质外延氮化镓，由于衬底外延界面早期难以实现导通，因此利用异质结的平面型GaN器件逐渐成为了主流。
常开的D-mode（耗尽型）和常关的E-mode（增强型）构成了横向HEMT器件的两大类。由于器件中氮化镓与AlGaN界面有性质优良的二维电子气（2DEG）形成了天然的导电沟道，因此未经特殊工艺等技术手段制成的器件都是常开的耗尽型器件。
D-mode（耗尽型）是氮化镓功率器件的自然状态，在通常状态下（栅源极电压VGS=0），漏极和源极之间已存在2DEG，器件呈导通状态；而当栅源极电压VGS<0时，漏、源极之间的2DEG断开，器件截止。然而在电力电子应用中，常开的器件在使用上不便且有安全方面的问题，因此D-mode氮化镓HEMT器件在应用中，经常级联/串联低压硅MOS一起使用。
级联/串联低压硅MOS是通过利用低压Si MOSFET的开关带动整体的开关，尽管驱动电路和Si MOSFET相同，但由于级联架构的D-mode GaN的开关频率和速度远高于传统的Si MOSFET，所以要求驱动IC能够在很高的dv/dt环境下正常工作。
相对于D-mode，E-mode（增强型）为常关型，使用方式类似传统硅MOS，器件结构简单，适合高频化应用，增强型器件不需要负电压供电，实际应用中的氮化镓功率器件都需要是常关型的器件。为了制备这种增强型器件，目前主要采用的方案包括：p型栅、凹槽栅、F处理等。其中，P-GaN栅结构是实现增强型GaN HEMT的方案之一，本质是通过降低栅下2DEG的电子密度等，实现对栅压的控制，将阈值电压提高到正。
但需要指出的是，在高dv/dt环境中使用E-mode GaN时也有局限性，E-mode GaN器件需采用低栅极关断电阻，这样会限制转换速率控制，因为需要确保通过栅漏电容的电流不会在高dv/dt事件中打开栅极。
随着高质量单晶氮化镓衬底的商业化，与垂直型Si或SiC电力电子器件结构相近的垂直型氮化镓（GaN-on-GaN）器件得到快速发展，克服横向器件的一些高压限制和较大尺寸的问题，并逐步由实验室研究迈向产业化，但目前仅有北京大学、浙江大学、深圳大学、中国科学院苏州纳米技术与纳米仿生研究所等少数几家单位成功研制垂直型GaN-on-GaN功率器件，且主要为垂直型GaN-on-GaN功率二极管。
新型垂直结构GaN-on-GaN功率二极管能够从根本上突破传统平面型GaN-on-Si器件在击穿电压、动态导通性能等方面的限制，更大程度地发挥氮化镓材料本身的优势，有望成为高压、高效、快速的电力电子系统发展的新方向。
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