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GaN将成PA主流技术 Qorvo恐成最大赢家

2017-07-27 10:35
黯影冰风
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如今,电子业正迈向4G的终点、5G的起点。 后者发展上仍有不少进步空间,但可以确定,新一代无线电网络势必需要更多组件、更高频率做支撑,可望为芯片商带庞大商机--特别是对RF功率半导体供货商而言。 对此,市研机构Yole于7月发布「2017年RF功率市场与科技报告」指出,RF功率市场近期可望由衰转盛,并以将近二位数的年复合成长率(GAGR)迅速成长;同时,氮化镓(GaN)将逐渐取代横向扩散金属氧化物半导体(LDMOS),成为市场主流技术。

拜电信基站升级、小型基地台逐渐普及所赐,RF功率市场可望脱离2015年以来的低潮,开始蓬勃发展--报告指出,整体市场营收到2022年底则有望暴增75%之多,2016~2022年间CAGR将达9.8%;其中,占电信基础设施近一半比重的基站、无线回程网络等相关组件,同一时段CAGR各为12.5%、5.3%。 再者,鉴于效能较高、体积较小且稳定性较佳,砷化镓(GaAs)、GaN等固态技术将在国防应用上逐渐取代真空管,提供RF功率组件更多发展机会。 Yole预期,此部分营收至2022年将成长20%,2016~2022年间CAGR达4.3%。

技术方面,受与日俱增的信息流量、更高操作频率与带宽等需求驱使,GaN组件使用越来越普遍,正于电信大型基站、雷达/航空用真空管与其它宽带应用上取代LDMOS组件,现已占据整体20%营收以上。 针对未来网络设计,Yole表示,GaN之于载波聚合(CA)、多输入多输出(MIMO)等新科技,效能与带宽上双双较LDMOS具优势。 此外,得力于在行动网络产业发展得当,GaAs技术已成熟到能进入市场,可望在国防、有线电视等应用上稳占一席之地。

此报告估计,GaN将于未来5~10年成为3W以上RF功率应用的主流技术,GaAs基于其稳定性与不错的性价比,也得以维持一定比重;至于LDMOS部分则将继续衰退,市场规模跌至整体15%,然考虑到其高成熟性与低成本等,短期内在RF功率市场仍不至面临淘汰。

络达科技技术长林珩之表示,5G基地台的功率放大器将会以砷化镓与氮化镓制程为主,因其是功率主导(Power Handle),并以表现度为主要衡量指针。 但这样的制程需更多的校准(Calibration)程序,成本会比较高。 不过,基地台的整体数量相较于手机应用是比较少的,因此即便其成本略高,仍在客户能接受的范围内。

林珩之指出,功率主导的特性,更将促使氮化镓比砷化镓来得更有优势,因频率更高,往往得靠氮化镓才有办法做到。 到了5G时代,氮化镓将很有机会取代横向扩散金属氧化物半导体(Lateral Diffused MOS, LDMOS)。

而在手机功率放大器部分,目前2G是以互补式金属氧化物半导体(CMOS)制程为主,3G、4G则是砷化镓制程,5G因为高频的关系,络达十分看好氮化镓制程,该技术同时还能让电压撑得更久。

林珩之分析,未来5G时代,手机功率放大器采用的半导体制程,预估将会是砷化镓/氮化镓占一半、CMOS占一半。 小于6GHz频段的半导体技术,会是以砷化镓与氮化镓制程为主,因天线与电磁波的波长是成正比的,且高频的天线比较大,也就须采用高功率的技术来达成,因此很有机会变成砷化镓与氮化镓制程的天下。

林珩之进一步指出,氮化镓制程有办法支撑很高的功率,这是CMOS无法做到的。 除非5G技术有办法运用小功率在空中进行融合,CMOS制程才会有机会涵盖到这部分的市场。 但在5G mmWave频段,则会是以CMOS制程为主。 林珩之进一步表示,因mmWave频段采用的天线比较小,就会是以CMOS制程为主,像是CPU、GPU、ASIC等,该制程与化合物半导体很不相同,价格会比砷化镓/氮化镓制程来得低。

此外,CMOS制程的应用领域也比较宽广,目前在交换器(Switch)上便使用得相当广泛,而采用氮化镓制程的交换器就比较难做,因其是属于双极性接面型晶体管(Bipolar Junction Transistor, BJT)。 物联网这类以价格为主要驱动的应用,由于对功率的要求比较低,也会是CMOS制程所能发挥的地方。

GaN 在射频应用中脱颖而出的三大原因

镓 (Ga) 是一种化学元素,原子序数为 31。镓在自然界中不存在游离态,而是锌和铝生产过程中的副产品。

GaN 化合物由镓原子和氮原子排列构成,最常见的是纤锌矿晶体结构。纤锌矿晶体结构(如下图所示)呈六方形,通过两个晶格常数(图中标记为 a 和 c)来表征。

GaN 晶体结构

在半导体领域,GaN 通常是高温下(约为 1,100°C)在异质基板(射频应用中为碳化硅 [SiC],电源电子应用中为硅 [Si])上通过金属有机物化学气相淀积 (MOCVD) 或分子束外延 (MBE) 技术而制成。

GaN-on-SiC 方法结合了 GaN 的高功率密度功能与 SiC 出色的导热性和低射频损耗。这就是 GaN-on-SiC 成为高功率密度射频应用合并选择的原因所在。如今,GaN-on-SiC 基板的直径可达 6 英寸。

GaN-on-Si 合并的热学性能则低得多,并且具有较高的射频损耗,但成本也低很多。这就是 GaN-on-Si 成为价格敏感型电源电子应用合并选择的原因所在。如今,GaN-on-Si 基板的直径可达 12 英寸。

那么,为何 GaN 在射频应用中优于其他半导体呢?

相比 Si 和 GaAs 等其他半导体,GaN 是一种相对较新的技术,但它已然成为某些高射频、大功耗应用的技术之选,比如需要长距离或以高端功率水平传输信号的应用(如雷达、基站收发器 [BTS]、卫星通信、电子战 [EW] 等)。

GaN-on-SiC在射频应用中脱颖而出,原因如下:

高击穿电场:由于 GaN 的带隙较大,GaN 具有较高的击穿电场,这使得 GaN 设备的工作电压可远远高于其他半导体设备。当受到足够高的电场作用时,半导体中的电子能够获得足够动能来打破化学键(这一过程被称为碰撞电离或电压击穿)。如果碰撞电离未得到控制,则可能会降低器件性能。由于 GaN 器件可以在较高电压下工作,因此可用于较高功率的应用。

高饱和速度:GaN 上的电子具有很高的饱和速度(在极高电场下的电子速度)。当结合大电荷能力时,这意味着 GaN 器件能够提供高得多的电流密度。

射频功率输出是电压与电流摆幅的乘积,所以,电压越高,电流密度越大,则实际尺寸的晶体管中产生的射频功率就越大。简言之,GaN 器件产生的功率密度要高得多。

出色的热属性:GaN-on-SiC 器件表现出不同一般的热属性,这主要因为 SiC 的高导热性。具体而言,这意味着在消耗功率相同的情况下,GaN-on-SiC 器件的温度不会变得像 GaAs 器件或 Si 器件那样高。器件温度越低才越可靠。

厂商相机而动,Qorvo恐成最大赢家

伴随RF功率组件发展趋势日渐明朗,各家大厂开始有所动作、抢争新世代科技的主导权:主流LDMOS供货商包括恩智浦(NXP)、安谱隆(Ampleon)、英飞凌(Infineon)等,正尝试透过外部代工获取GaN技术;传统GaAs厂商亦纷纷开始着重投资在此,少部分已成功将产能转进GaN、在市场拔得头筹;至于纯GaN供货商如科锐(Cree )旗下之Wolfspeed,一方面为LDMOS大厂供应相关组件、壮大市场,一方面则努力确保自身在GaN技术发展的领先地位。

据Yole指出,待GaN组件成为主流,掌握GaN市场的厂商将取代LDMOS主力厂商,成为RF功率市场领导者--现阶段除Wolfspeed,该领域领导厂商几乎都是由GaAs厂商转进。 就近期包括Infineon收购Wolfspeed受阻于美国政府、和康电讯(M/A-COM)与Infineon间的诉讼等相关事件来看,该领域的竞争似乎也日趋白热化。而在背后还隐藏着一哥射频大玩家——Qorvo。

作为射频领域的专家,Qorvo 预测, 8GHz 以下砷化镓仍是主流, 8GHz 以上氮化镓替代趋势明显。砷化 镓作为一种宽禁带半导体,可承受更高工作电压,意味着其功率密度及可工作温度更高,因而具有高功率密度、能耗低、适合高频率、支持宽带宽等特点,包括Qorvo在内的几个业界先驱已经在GaN上投入了巨额资金研究。

GaAs、 Si-LDMOS、 GaN 方案面积对比(source:Qorvo)

Qorvo表示,由于GaN具有高功率密度、宽频性能、高功率处理、输入功率稳定、减少零件尺寸和数量等特点,让其受到功率放大器和无线基础设施等市场的青睐。

据测试显示,GaN可以在一个微小的面积上发射很大的功率,且单位面积上收到的热度是GaAsDE 的十倍以上,因非常适合于5G正在追逐的毫米波频段。

我们需要清楚一点,GaN器件并不是一种新东西,它其实一早就被应用到军事雷达和有线电视等相关设施。但受限于成本问题,过去才一直没有被推广到民用领域。但在经过了Qorvo和Macom这些企业的努力,GaN材料的成本和制造成本开始下降。

如Qorvo早前宣布将其重心转移到6英寸SiC基GaN上,这些都有效的提高了其成本竞争优势。不过我们也要看到,其带来的功耗问题,也需要厂商去解决。

Qorvo无线基础设施产品部总经理Sumit Tomar认为,LDMOS器件物理上已经遇到极限,这就是氮化镓器件进入市场的原因。而基站应用需要更高的峰值功率、更宽的带宽以及更高的频率,这些因素都促成了基站接受氮化镓器件。但是GaN在进入手机的过程中,碰到了一些阻碍。Qorvo方面表示,氮化镓器件工作在低电压环境、必须设计新封装形式以满足散热要求和成本太高是制约GaN器件走向手机的关键。

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