半導(dǎo)體兩大原材料淺析

半導(dǎo)體原料共經(jīng)歷了三個發(fā)展階段：第一階段是以硅 (Si)、鍺 (Ge) 為代表的第一代半導(dǎo)體原料;第二階段是以砷化鎵 (GaAs)、磷化銦 (InP) 等化合物為代表;第三階段是以氮化鎵 (GaN)、碳化硅 (SiC)、硒化鋅 (ZnSe) 等寬帶半導(dǎo)體原料為主。

第三代半導(dǎo)體原料具有較大的帶寬寬度，較高的擊穿電壓 (breakdown voltage)，耐壓與耐高溫性能良好，因此更適用于制造高頻、高溫、大功率的射頻組件。

從第二代半導(dǎo)體原料開始出現(xiàn)化合物，這些化合物憑借優(yōu)異性能在半導(dǎo)體領(lǐng)域中取得廣泛應(yīng)用。

如 GaAs 在高功率傳輸領(lǐng)域具有優(yōu)異的物理性能優(yōu)勢，廣泛應(yīng)用于手機(jī)、無線局域網(wǎng)絡(luò)、光纖通訊、衛(wèi)星通訊、衛(wèi)星定位等領(lǐng)域。

GaN 則具有低導(dǎo)通損耗、高電流密度等優(yōu)勢，可顯著減少電力損耗和散熱負(fù)載。可應(yīng)用于變頻器、穩(wěn)壓器、變壓器、無線充電等領(lǐng)域。

SiC 因其在高溫、高壓、高頻等條件下的優(yōu)異性能，在交流 - 直流轉(zhuǎn)換器等電源轉(zhuǎn)換裝置中得以大量應(yīng)用。

明日之星 -GaN

GaN 是未來最具增長潛力的化合物半導(dǎo)體，與 GaAs 和 InP 等高頻工藝相比，GaN 制成組件輸出的功率更大;與 LDMOS 和 SiC 等功率工藝相比，GaN 的頻率特性更好。

大多數(shù) Sub 6GHz 的蜂窩網(wǎng)絡(luò)都將采用 GaN 組件，因為 LDMOS 無法承受如此高的頻率，而 GaAs 對于高功率應(yīng)用又非理想之選。

此外，因為較高的頻率會降低每個基地臺的覆蓋范圍，所以需要安裝更多的晶體管，進(jìn)而帶動 GaN 市場規(guī)模將迅速擴(kuò)大。

GaN 組件產(chǎn)值目前占整個市場 20% 左右，Yole 預(yù)估到 2025 年比重將提升至 50% 以上。

GaN HEMT 已經(jīng)成為未來大型基地臺功率放大器的候選技術(shù)。目前預(yù)估全球每年新建約 150 萬座基地臺，未來 5G 網(wǎng)絡(luò)還將補(bǔ)充覆蓋區(qū)域更小、分布更加密集的微型基地臺，這將刺激 GaN 組件的需求。

此外，國防市場在過去幾十年里一直是 GaN 開發(fā)的主要驅(qū)動力，目前已用于新一代空中和地面雷達(dá)。

手機(jī)中基石 -GaAs

GaAs 作為最成熟的化合物半導(dǎo)體之一，是智能手機(jī)零組件中，功率放大器 (PA) 的基石。

根據(jù) StrategyAnalytics 數(shù)據(jù)顯示， 2018 年全球 GaAs 組件市場(含 IDM 廠組件產(chǎn)值)總產(chǎn)值約為 88.7 億美元，創(chuàng)歷史新高，且市場集中度高，其中 Qorvo 的市場份額占比為 26%。

由于 GaAs 具有載波聚合和多輸入多輸出技術(shù)所需的高功率和高線性度，GaAs 仍將是 6 GHz 以下頻段的主流技術(shù)。除此之外，GaAs 在汽車電子、軍事領(lǐng)域方面也有一定的應(yīng)用。

總結(jié)上述這些 III-V 族化合物半導(dǎo)體組件具有優(yōu)異的高頻特性，長期以來被視為太空科技中無線領(lǐng)域應(yīng)用首選。

隨著商業(yè)上寬帶無線通信及光通訊的爆炸性需求，化合物半導(dǎo)體制程技術(shù)更廣泛的被應(yīng)用在高頻、高功率、低噪聲的無線產(chǎn)品及光電組件中。同時也從掌上型無線通信，擴(kuò)散至物聯(lián)網(wǎng)趨勢下的 5G 基礎(chǔ)建設(shè)和光通訊的技術(shù)開發(fā)領(lǐng)域。作為資深的射頻專家，Qorvo 在這個領(lǐng)域有深入的研究。

Qorvo 手機(jī)事業(yè)部高級銷售經(jīng)理 David Zhao 之前在接受媒體采訪時指出，5G 對 PA 線性度要求更高，所以耐壓高的 GaAs 工藝更受青睞。砷化鎵 Die 倒裝技術(shù)，已經(jīng)被 QRVO 普遍采用。相比于傳統(tǒng)的砷化鎵 wire bonding 封裝，倒裝工藝讓模塊 厚度更薄，一致性更好。通過配合 SOI、CMOS 和 SAW/BAW 的倒裝工藝，尺寸更小，功能更 多的 SiP 射頻模組成為可能。

總結(jié)：

砷化鎵、氮化鎵 MMIC 芯片作為手機(jī)生產(chǎn)的重要器件，20 世紀(jì) 90 年代中期就已取代了射頻、微波領(lǐng)域里低性能硅基集成電路而成為無線通訊產(chǎn)業(yè)不可或缺的 IC 元件。因其工藝制造比硅器件困難大，以前國內(nèi)尚無一家成熟的生產(chǎn)廠家，所需的射頻功率芯片(GaAs MMIC 、GaN MMIC)主要依賴進(jìn)口，這對我國半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)和通訊產(chǎn)業(yè)特別是即將推廣應(yīng)用的 5G 技術(shù)發(fā)展構(gòu)成了重大屏障。在國家政策和資金大力支持下，經(jīng)過多年的技術(shù)積累和發(fā)展，從材料砷化鎵(GaAs)、氮化鎵(GaN)到芯片 GaAs MMIC 、GaN MMIC 實現(xiàn)重大突破基礎(chǔ)上，2018 年北京雙儀投資 10 億元在北京建設(shè)月產(chǎn) 2 萬片 6 吋砷化鎵單片集成電路(GaAs MMIC)規(guī)模化量產(chǎn)生產(chǎn)線，海特高新投資 14.2 億元建設(shè) 6 吋年產(chǎn) 4 萬片 GaAs MMIC、3 萬片 GaN MMIC 生產(chǎn)線，并都將在 2019 年初投產(chǎn)，以滿足國內(nèi) 5G 等市場對砷化鎵 MMIC 和氮化鎵 MMIC 芯片的迫切需求，扭轉(zhuǎn)我國依賴進(jìn)口的不利局面。

砷化鎵(GaAs)、氮化鎵(GaN)作為時下新興的半導(dǎo)體工藝技術(shù)，尤其在高頻率、高功率、高溫度環(huán)境下實現(xiàn)的電源轉(zhuǎn)換效率、功率密度、寬帶穩(wěn)定性等性能飛躍，成為光學(xué)存儲、激光打印、高亮度 LED 和無線通訊特別是無線網(wǎng)絡(luò) 5G 基站(移動通信、無線網(wǎng)絡(luò)、點(diǎn)到點(diǎn)和點(diǎn)到多點(diǎn)通信)、手機(jī)、軍工領(lǐng)域無可比擬的重要而關(guān)鍵器件。作為光電子、寬禁帶半導(dǎo)體材料中耀眼的新星，GaAs 在 5G 通訊、物聯(lián)網(wǎng)、OLED、太陽能電池等技術(shù)中的應(yīng)用代表了當(dāng)前和未來發(fā)展方向之一，作為有潛力的光電子材料，不但從生產(chǎn)到應(yīng)用已經(jīng)很成熟，而且穩(wěn)定性和不錯的性價比以及深加工后產(chǎn)品價值具有 10 倍的放大系數(shù)，未來市場也將保持 9%的年均增速;GaN 應(yīng)用還有待開發(fā)、但卻可以在更高頻率、更高功率、更高溫度下工作，在光學(xué)存儲、激光打印、高亮度 LED 以及無線基站等領(lǐng)域的應(yīng)用前景受到關(guān)注，在高亮度 LED、藍(lán)光激光器和功率半導(dǎo)體領(lǐng)域是頗受歡迎的材料。

(關(guān)鍵字：半導(dǎo)體)