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半导体两大原材料浅析

2019-10-23 11:47
来源: 与非网

半导体原料共经历了三个发展阶段:第一阶段是以硅 (Si)、锗 (Ge) 为代表的第一代半导体原料;第二阶段是以砷化镓 (GaAs)、磷化铟 (InP) 等化合物为代表;第三阶段是以氮化镓 (GaN)、碳化硅 (SiC)、硒化锌 (ZnSe) 等宽带半导体原料为主。

第三代半导体原料具有较大的带宽宽度,较高的击穿电压 (breakdown voltage),耐压与耐高温性能良好,因此更适用于制造高频、高温、大功率的射频组件。

从第二代半导体原料开始出现化合物,这些化合物凭借优异性能在半导体领域中取得广泛应用。

如 GaAs 在高功率传输领域具有优异的物理性能优势,广泛应用于手机、无线局域网络、光纤通讯、卫星通讯、卫星定位等领域。

GaN 则具有低导通损耗、高电流密度等优势,可显着减少电力损耗和散热负载。可应用于变频器、稳压器、变压器、无线充电等领域。

SiC 因其在高温、高压、高频等条件下的优异性能,在交流 - 直流转换器等电源转换装置中得以大量应用。

明日之星 -GaN

GaN 是未来最具增长潜力的化合物半导体,与 GaAs 和 InP 等高频工艺相比,GaN 制成组件输出的功率更大;与 LDMOS 和 SiC 等功率工艺相比,GaN 的频率特性更好。

大多数 Sub 6GHz 的蜂窝网络都将采用 GaN 组件,因为 LDMOS 无法承受如此高的频率,而 GaAs 对于高功率应用又非理想之选。

此外,因为较高的频率会降低每个基地台的覆盖范围,所以需要安装更多的晶体管,进而带动 GaN 市场规模将迅速扩大。

GaN 组件产值目前占整个市场 20% 左右,Yole 预估到 2025 年比重将提升至 50% 以上。

GaN HEMT 已经成为未来大型基地台功率放大器的候选技术。目前预估全球每年新建约 150 万座基地台,未来 5G 网络还将补充覆盖区域更小、分布更加密集的微型基地台,这将刺激 GaN 组件的需求。

此外,国防市场在过去几十年里一直是 GaN 开发的主要驱动力,目前已用于新一代空中和地面雷达。

手机中基石 -GaAs

GaAs 作为最成熟的化合物半导体之一,是智能手机零组件中,功率放大器 (PA) 的基石。

根据 StrategyAnalytics 数据显示, 2018 年全球 GaAs 组件市场(含 IDM 厂组件产值)总产值约为 88.7 亿美元,创历史新高,且市场集中度高,其中 Qorvo 的市场份额占比为 26%。

由于 GaAs 具有载波聚合和多输入多输出技术所需的高功率和高线性度,GaAs 仍将是 6 GHz 以下频段的主流技术。除此之外,GaAs 在汽车电子、军事领域方面也有一定的应用。

总结上述这些 III-V 族化合物半导体组件具有优异的高频特性,长期以来被视为太空科技中无线领域应用首选。

随着商业上宽带无线通信及光通讯的爆炸性需求,化合物半导体制程技术更广泛的被应用在高频、高功率、低噪声的无线产品及光电组件中。同时也从掌上型无线通信,扩散至物联网趋势下的 5G 基础建设和光通讯的技术开发领域。作为资深的射频专家,Qorvo 在这个领域有深入的研究。

Qorvo 手机事业部高级销售经理 David Zhao 之前在接受媒体采访时指出,5G 对 PA 线性度要求更高,所以耐压高的 GaAs 工艺更受青睐。砷化镓 Die 倒装技术,已经被 QRVO 普遍采用。相比于传统的砷化镓 wire bonding 封装,倒装工艺让模块  厚度更薄,一致性更好。通过配合 SOI、CMOS 和 SAW/BAW 的倒装工艺,尺寸更小,功能更 多的 SiP 射频模组成为可能。

总结:

砷化镓、氮化镓 MMIC 芯片作为手机生产的重要器件,20 世纪 90 年代中期就已取代了射频、微波领域里低性能硅基集成电路而成为无线通讯产业不可或缺的 IC 元件。因其工艺制造比硅器件困难大,以前国内尚无一家成熟的生产厂家,所需的射频功率芯片(GaAs MMIC 、GaN MMIC)主要依赖进口,这对我国半导体产业和通讯产业特别是即将推广应用的 5G 技术发展构成了重大屏障。在国家政策和资金大力支持下,经过多年的技术积累和发展,从材料砷化镓(GaAs)、氮化镓(GaN)到芯片 GaAs MMIC 、GaN MMIC 实现重大突破基础上,2018 年北京双仪投资 10 亿元在北京建设月产 2 万片 6 吋砷化镓单片集成电路(GaAs MMIC)规模化量产生产线,海特高新投资 14.2 亿元建设 6 吋年产 4 万片 GaAs MMIC、3 万片 GaN MMIC 生产线,并都将在 2019 年初投产,以满足国内 5G 等市场对砷化镓 MMIC 和氮化镓 MMIC 芯片的迫切需求,扭转我国依赖进口的不利局面。

砷化镓(GaAs)、氮化镓(GaN)作为时下新兴的半导体工艺技术,尤其在高频率、高功率、高温度环境下实现的电源转换效率、功率密度、宽带稳定性等性能飞跃,成为光学存储、激光打印、高亮度 LED 和无线通讯特别是无线网络 5G 基站(移动通信、无线网络、点到点和点到多点通信)、手机、军工领域无可比拟的重要而关键器件。作为光电子、宽禁带半导体材料中耀眼的新星,GaAs 在 5G 通讯、物联网、OLED、太阳能电池等技术中的应用代表了当前和未来发展方向之一,作为有潜力的光电子材料,不但从生产到应用已经很成熟,而且稳定性和不错的性价比以及深加工后产品价值具有 10 倍的放大系数,未来市场也将保持 9%的年均增速;GaN 应用还有待开发、但却可以在更高频率、更高功率、更高温度下工作,在光学存储、激光打印、高亮度 LED 以及无线基站等领域的应用前景受到关注,在高亮度 LED、蓝光激光器和功率半导体领域是颇受欢迎的材料。

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