氮化鎵的未來：IDM還是Fabless

台積電和羅姆的合作，或許將成為氮化鎵產業的重要里程碑。

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

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託台積電代工，只不過羅姆此前並未對外公佈。而此次，羅姆將全面委託台積電代工生產可望運用於廣泛用途的650V耐壓產品，藉由活用外部資源，應對急增的需求，擴大業務規模。

有分析認為，羅姆全面委託台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越，但成本一直居高不下。如果成功，市場格局恐怕會發生劇變，台積電和羅姆的合作，或許將成為氮化鎵產業的重要里程碑，加速產業的技術進步和商業化處理程序。

而這背後或許也意味著羅姆可能正在逐漸轉變代工模式，也就是從IDM轉向Fabless。

01. 性質卓越，應用廣泛的氮化鎵材料

寬禁帶材料的研究與發展已歷經多年，相較於傳統的矽基器件，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。正是這些優勢使得寬禁帶材料在新一代電子系統中備受青睞。而在眾多寬禁帶材料中，氮化鎵尤為突出，其不僅在開關應用上展現出巨大潛力，也在射頻功率領域展現廣闊前景。

氮化鎵是一種直接能隙（direct bandgap）的半導體，自1990年起常用於發光二極體。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)的範圍內，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雷射二極體，可以在不使用非線性半導體泵浦固體雷射（Diode-pumped solid-state laser）的條件下，產生紫光（405nm）雷射。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聖塔芭芭拉分校教授中村修二，其在氮化鎵和固態照明和資料儲存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電晶體（HEMT）裝置被公開報導，第三代半導體迅速進入微波射頻的研發與應用領域，尤其是氮化鎵射頻元件，以其特有的高功率、高效率、高線性、高工作電壓、抗輻照等優異特性，成為矽（Si）、砷化鎵（GaAs）等裝置的理想替代者，在軍事裝備、航空航太、第五代行動通訊（5G）技術等領域發揮了重要的作用，並展現出了廣闊的發展前景。 21世紀初，以S波段固態微波射頻裝置為代表，美國首先將碳化矽（SiC）應用到裝備中，儘管隨後逐漸被氮化鎵取代，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電力電子裝置的替代者。

事實上，全球主要國家初期的產業奠基發展規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上實現了相對於前代半導體的大跨越。全球佈局氮化鎵基半導體射頻裝置的重要廠商有美國的Cree（現為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。從製造成熟度來看，美國Raytheon公司和Qorvo公司的氮化鎵產品已達到其國防部製造成熟度評估最高級，氮化鎵射頻器件的製造工藝已滿足最佳性能、成本和容量的目標要求，並已具備支援全速率生產的能力。 2014年，Raytheon公司宣佈在「愛國者」防空系統部署使用氮化鎵模組的先進雷達；2021年，將其GaN-on-Si技術授權給了GlobalFoundries公司，以共同開發出能處理5G和6G毫米波訊號的IC過程，將氮化鎵基射頻元件（RF）規模化量產水平升至一個新台階，進一步壓縮了RF的成本。

此外，氮化鎵具有優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裝置中具有出色的性能，例如5G通訊系統中的射頻功率放大器。 5G基地台對射頻裝置提出更高的要求，傳統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範圍拓展到了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元件功率密度的4倍左右；氮化鎵封裝尺寸僅是LDMOS的1/4 ~1/7，氮化鎵射頻元件更適用於5G基地台。 2010年，氮化鎵基高功率微波放大器件首先應用於小體積、高線性度等高階基地台裝置，開始向移動通訊市場投放。隨著第四代行動通訊（4G）無線網路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元件的市場佔有率從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元件。目前，氮化鎵基HEMT的微波射頻技術基本上實現了第三代半導體相對於前代半導體（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。以氮化鎵材料製備出了金屬場效應電晶體（MESFET）、異質結場效應電晶體(HFET)、調製摻雜場效應電晶體（MODFET）等新型元件。調製摻雜的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，是製作微波元件的優先材料；此外，氮化鎵及藍寶石等材料作襯底，散熱性能好，有利於元件在高功率條件下運作。

02. 產業鏈不斷完善，產能成長迅速

1980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，目前已在全球形成兆級的市場規模。近3年受新冠疫情影響，第三代半導體發展緩滯，但全球體量仍以每年約10%的復合成長率提高。隨著深紫外發光二極體（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開闢出新型顯示、智慧農業、醫療健康等新的應用場景，將進一步擴大市場規模。

近年來，氮化鎵技術取得了一系列重大突破。例如，德國晶片巨頭英飛凌成功開發出300毫米氮化鎵功率半導體晶圓技術，顯著降低了生產成本，有助於推動氮化鎵技術的大規模商業化應用。

隨著氮化鎵技術的不斷成熟和應用領域的不斷拓展，氮化鎵產業鏈也不斷完善。從基板到外延到功率元件、射頻元件、光電器件的全覆蓋，各企業都在努力完善自身的產業鏈佈局。

而在英諾賽科招股書中把氮化鎵產業鏈分為上游供應商包括裝置供應商及原料供應商，其中原料主要涉及氮化鎵襯底，可分為藍寶石、矽、碳化矽、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、製造、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於應用場景廣泛的各種功率元件，包括消費性電子、電動車、資料中心、太陽能、儲能等。

目前，各環節國內均有企業涉足，如在射頻領域，氮化鎵襯底有維微科技、科恆晶體、鎵鋁光電等公司。外延片涉足企業有晶湛半導體、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節，試圖形成全產業鏈公司。

03. IDM還是Fabless？

目前在矽基半導體領域，主要有Fabless和IDM兩種模式。 IDM模式是一種垂直整合型商業模式，即企業自行設計晶片，並將自行生產加工、封裝、測試後的成品進行銷售。與IDM模式不同，Fabless模式是一種專注於設計的商業模式。在這種模式下，企業主要負責積體電路的設計、測試和銷售環節，而將晶圓製造、封裝和測試等生產環節外包給專業的代工合作夥伴來完成。

而在氮化鎵領域，IDM模式的代錶廠商有三安光電、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整合可提供GaN 元件代工服務(Foundry模式)。

當下，許多過去致力於矽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，並提前開始佈局。例如，代工龍頭台積電就一直很關注氮化鎵產業，其程度甚至超過當前風頭正盛的碳化矽。早在2020年，台積電就宣佈，要與義法半導體合作加速氮化鎵製程的開發，並將分離式與整合式氮化鎵元件匯入市場。通過此合作，意法半導體將採用台積電公司的氮化鎵製程來生產其氮化鎵產品。

許多氮化鎵廠商已經開始與台積電合作，而台積電所進行的氮化鎵代工業務也多是目前主流的GaN-on-Si。而一直將台積電視為其競爭對手的三星，也在氮化鎵領域進行了投資。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的新創公司，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8英吋GaN-on-Si外延片和4吋GaN-on-SiC外延片的晶圓代工廠。

其他還有像是聯電、世界先進、穩懋半導體、三安整合、X-Fab等代工廠商均有氮化鎵的代工業務。

IDM模式強調全生命周期控制和垂直整合，適用於技術密集且資金密集的產業；而Fabless模式則專注於設計和技術創新，適用於規模較小、資源有限但具有創新能力的企業。在實際應用中，企業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模式。同時，隨著半導體產業的不斷髮展和市場需求的不斷變化，企業也應不斷調整和最佳化自己的商業模式以適應市場變化。

為提高競爭力並確保穩定供應，氮化鎵功率半導體企業通常結合資源和技術優勢，以建立涵蓋氮化鎵功率半導體設計與生產的完整產業鏈系統。因此，近年來領先的IDM功率半導體公司多次收購氮化鎵功率半導體產業的參與者，以建立本身的地位。早期佈局IDM的企業可獲得先發優勢和長期競爭力。

氮化鎵市場前景大，已經孵化了大量企業。對於後發企業來說，選擇Fabless不失為一個好的選擇。短期內，兩種模式可能共存。但隨著矽基半導體代工企業的介入，憑藉強大的資本積累有望打破這種平衡局面。 （半導體產業縱橫）