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5G和军工双轮驱动化合物半导体业爆发

2016-10-11 09:03
小鱼时代
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  3.3. GaN:性能更强,半导体材料中的新贵

  Ga N 是新一代的宽禁带半导体材料,其禁带宽度几乎是 Si 的 3 倍、Ga As和的 2倍,临界击穿电场比 Si、Ga As大一个数量级,并具有更高的饱和电子迁移率和良好的耐温特性。它具有和 Ga As 几乎相近的频率特性。由于其特有的压电效应与自发极化的存在,它的二维电子气浓度比 Ga As 要高出一个数量级,所以具有很高的电流密度。由于氮化镓具有禁带宽度大、击穿电场高、饱和电子速度大、热导率高、介电常数小、化学性质稳定和抗辐射能力强等优点,成为高温、高频、大功率微波器件的首选材料之一。

  Al Ga N/Ga N HEMT 具有显著的电子迁移速度。通常 Al Ga N 作为势垒层,Ga N 作为沟道层,Al Ga N 层向 2DEG 层提供电子。因为 Ga N 能量相对要低一些,Al Ga N 层多余的电子会向邻近的禁带较低的 Ga N 层扩散。扩散的电子在它们扩散的反方向上产生一个电场,扩散电子和漂移电子趋于动态平衡,最终产生了类似于 PN 结的一个结构,落在没有掺杂的 Ga N 层上的电子,形成了二维电子气。2DEG 在垂直于异质结方向上会被紧紧限制住,只能在与之平行的方向上自由运动。在 HEMT 中的 2DEG 相比于 MOSFET 和 MESFET 场效应管,最显著的优势是具备更高的电子迁移速度。 Al Ga N/Ga N 这种结构不仅得益于高的电子迁移速度(~2000cm2/V? s),还有高的 2DEG 密度(~1013/cm2)。

  GaN 器件发展历史:在氮化镓器件研究初期,晶体合成困难。1986 年,日本的赤崎勇开发了“低温堆积缓冲层技术”可以获得用于半导体元件的高品质氮化镓。由于带隙覆盖了更广的光谱范围,用氮化镓制造的高亮度 LED、绿色 LED、蓝光光盘产品应用与商业领域。从 1993 年开始,利用二维电子气氮化镓能达到更高的迁移率,适合砷化镓所不能达到的高频动作。采用氮化镓的高频晶体管开始用在移动通信站、通信卫星、雷达等领域。到了 2000年前后,硅制功率元件已经普及,之前利用蓝宝石基板的氮化镓类功率元件价格高,很难进入商业领域。这时开始采用硅基板,但制造成本依然很高。主要是应用于 ICT 设备、工业设备和汽车电子等领域的小型电源组件。未来有望采用氮化镓基板,获得高品质化、具有较高价格竞争力的氮化镓功率器件。自 2013 年开始,随着技术积累逐渐完成,氮化镓民用市场开始起步。

  各国政策的大力推进下,国际半导体大厂纷纷将目光投向氮化镓功率半导体领域。随着 Si材料达到物理极限,在摩尔定律驱动下寻求下一个替代者刻不容缓,氮化镓因各方面优异的电学性能被认为是未来半导体材料的首选。传统半导体厂商关于氮化镓器件的收购和合作、许可协议不断发生,氮化镓功率半导体已经成了各家必争之地。美国和欧洲分别于 2002年和 2007年启动了氮化镓功率半导体推动计划,并且在 2007年首次在 6寸硅衬底上长出了氮化镓,自此从应用角度开始了氮化镓功率半导体推进。2013 年出现通过了 JEDEC 质量标淮的硅基氮化镓功率器件,同年中国科技部推出了第三代半导体 863计划。

  GaN 应用领域包括军事和宇航、无线基础设施、卫星通信、有线宽带,以及其它 ISM 频段应用。GaN 最初是为支持政府军事和太空项目而开发,但已得到商业市场的完全认可和应用,在无线基础设施领域的应用已超越国防应用,市场占比超过 GaN 市场总量的一半以上。随着对数据传输及更高工作频率和带宽需求的增长,2016~2022 年无线基础设施领域的 CAGR将达到 16%。在未来的网络设计中,如载波聚合和大规模 MIMO 等新技术的发展应用,将使 GaN比现有横向扩散金属氧化物半导体(LDMOS)更具优势。 但与此同时,国防领域仍将是 GaN 不可忽视的重要应用市场,并保持稳定增长。GaN 在国防领域的应用主要包括 IED干扰器、军事通讯、雷达、电子对抗等。GaN 将在越来越多的国防产品中得到应用,充分体现其在提高功率、缩小体积和简化设计方面的巨大优势。 GaN 领域的企业包括美国的美高森美(Microsemi)、M-A/COM、Qorvo、雷声、诺格、Wolfspeed、Anadigics,荷兰 Ampleon 和恩智浦(NXP),德国 UMS,韩国 RFHIC,日本的三菱(Mitsubishi)和住友(Sumitomo)。(注:科锐Cree2015 年 9月 3 日宣布将把旗下的功率和射频部门更名Wolfspeed)。

  据 Yole预测,2016~2020年 GaN 射频器件市场将扩大至目前的 2倍,市场复合年增长率(CAGR)将达到 4%;2020年末,市场规模将扩大至目前的 2.5 倍。2015年,受益于中国 LTE 网络的大规模应用,带来无线基础设施市场的大幅增长,有力地刺激了 GaN 射频产业。2015年末,整个 GaN射频市场规模接近 3亿美元。2017~2018 年,在无线基础设施及国防应用市场需求增长的推动下,GaN 市场会进一步放大,但增速会较 2015年有所放缓。2019~2020 年,5G 网络的实施将接棒推动氮化镓市场增长。我们预计到未来 10年,氮化镓市场将有望超过 30亿美元。

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