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GaN乘风破浪,高速增长

2021-08-30 16:33:02 小亿 463

近些年,下游行业应用对半导体材料性能要求不断提高,在射频(RF)和功率电子方面,氮化镓(GaN)芯片在消费电子领域渗透率不断提升,市场在高速增长。

 

TrendForce预计,2021年,GaN功率器件市场规模将达到6100万美元,年增长率达到90.6%,年增长率有望在2022年达到最高峰,后续随着厂商采用逐渐普及,增长态势将趋缓。

 

作为第三代化合物半导体的代表,GaN具有诸多优点,如高熔点、出色的击穿能力、更高的电子密度和电子速度,以及更高的工作温度,且GaN的能隙很宽,达到3.4eV,具有低导通损耗和高电流密度。

 

主要应用


GaN主要用于微波射频和功率电子领域。

 

GaN 在射频市场更关注高功率、高频率场景。由于GaN在高频下具有较高的功率输出和较小的面积,已被射频行业广泛采用。随着5G到来,GaN在Sub-6GHz宏基站和毫米波(24GHz 以上)小基站中找到了用武之地。

 

2020年,疫情对市场产生了短暂影响,意法半导体(ST Microelectronics)和英飞凌(Infineon)等欧洲巨头曾短暂减产。预计在预测期内,GaN在5G基站制造中的采用将越来越多,将带动市场增长。

 

在射频应用中,PA是GaN的主战场。5G对于设备性能和功率效率提出了更高的要求,特别是在基站端,基站数量和单个基站成本双双上涨,这将会带来市场空间的巨大增长。依据蜂窝通信理论计算,要达到相同的覆盖率,估计中国5G宏基站数量要达到约500万个。2021年全球5G宏基站PA和滤波器市场将达到243.1亿元人民币,年均复合增长率CAGR为162.31%,2021年全球4G和5G小基站射频器件市场将达到21.54亿元人民币,CAGR为140.61%。

 

由于基站越来越多地用到了多天线MIMO技术,这对PA提出了更多需求。预计到2022年,4G/ 5G基础用的射频半导体市场规模将达到16亿美元,其中,MIMO PA的年复合增长率将达到135%,射频前端模块的年复合增长率将达到 119%。

 

相对于4G,5G基站用到的PA数会加倍增长。4G基站采用4T4R方案,按照三个扇区,对应的射频PA需求量为12个,5G基站中,预计64T64R将成为主流方案,对应的PA需求量高达192个。

 

目前的PA市场,包括基站和手机端用的,制造工艺主要包括传统的LDMOS、GaAs,以及新兴的GaN。而在基站端,传统LDMOS工艺用的更多,但是,LDMOS 技术适用于低频段,在高频应用领域存在局限性。而为了适应5G网络对性能和功率效率的需求,越来越多地应用到了GaN,它能较好地适用于大规模MIMO。

 

GaN具有优异的高功率密度和高频特性。GaAs拥有微波频率和5V至7V的工作电压,多年来一直广泛应用于PA。硅基LDMOS技术的工作电压为28V,已经在电信领域使用了许多年,但其主要在4GHz以下频率发挥作用,在宽带应用中的使用并不广泛。相比之下,GaN的工作电压为28V至50V,具有更高的功率密度和截止频率,在MIMO应用中,可实现高整合性解决方案。

 

在宏基站PA应用中,GaN凭借高频、高输出功率的优势,正在逐渐取代LDMOS;在小基站中,未来一段时间内仍然以GaAs工艺为主,这是因为它具备可靠性和高性价比的优势,但随着GaN器件成本的降低和技术的提高,GaN PA有望在小基站应用中逐步拓展。

 

在手机端,射频前端PA还是以GaAs工艺为主,短期内还看不到GaN的机会,主要原因是成本和高电压特性,这在手机内难以接受。

 

功率电子方面,用GaN制造电源转换器,是当下最热门的。过去生产相关产品,最难的部分是取得碳化硅的基板,一片6英寸的晶圆,要价高达8万元台币。

 

近几年,市场上开始出现将GaN堆栈在硅基板上的技术(GaN on Si)。这种技术大幅降低了化合物半导体的成本,用在生产处理数百伏特的电压转换,可以做到又小又省电。目前,市面上已经可以看到,原本便当大小的笔电电源适配器,已经能做到只有饼干大小,OPPO、联想等公司,更要把这种技术内建在高端手机和笔电里。

 

野村证券发表的题为“A GaN Changer”的产业报告,认为未来2~3年,第三代半导体将重塑全球消费类电源市场,取代用硅制作的IGBT电源管理芯片。野村证券报告预估,2023年,这个市场产值每年将以6成以上速度增长。第三代半导体能源转换效率能达到95%以上,一旦被大幅采用,能实现很好的节能效果。

 

在功率电子方面,GaN的应用也在不断创新,例如,意法半导体(ST)正在开发一种将其BCD硅技术中内置的微控制器与GaN器件相结合的工艺,以实现智能电源。

 

据悉,这是建立在Bipolar-CMOS-DMOS(BCD)技术基础上的。BCD的开发始于35年前,它在4英寸晶圆上以4微米工艺结合了模拟,逻辑,存储器和功率组件。不久后,其第10代技术将开始以90nm工艺生产,这将导致40nm工艺与高度集成的微控制器一起用于有线和无线充电设备以及许多其他电源应用。

 

GaN外延片技术


GaN外延片主要有两种衬底技术,分别是GaN on Si(硅基氮化镓)和GaN on SiC(碳化硅基氮化镓)。当然,除了以上这两种主流技术外,还有GaN on sapphire,以及GaN on GaN技术。目前,GaN on Si应用较多。

 

虽然GaN on SiC性能相对较佳,但价格明显高于GaN on Si。另外,GaN on Si生长速度较快,也较容易扩展到8英寸晶圆。虽然GaN on Si性能略逊于GaN on SiC,但目前工艺水平制造的器件已能达到 LDMOS 原始功率密度的5-8 倍,在高于2GHz的频率工作时,成本与同等性能的LDMOS 出入不大。另外,硅基技术也将对CMOS工艺兼容,使GaN器件与CMOS工艺器件集成在一块芯片上。这些使得GaN on Si成为市场主流,而且主要应用于电力电子领域,未来有望大量导入5G基站的功率放大器 (PA)。

 

GaN on SiC则结合了SiC优异的导热性和GaN的高功率密度和低损耗的能力,与Si相比,SiC是一种非常“耗散”的衬底,此基板上的器件可以在高电压和高漏极电流下运行,结温将随射频功率而缓慢升高,因此射频性能更好,是射频应用的合适材料。在相同的耗散条件下,SiC器件的可靠性和使用寿命更好。但是,受限于SiC衬底,目前仍然限制在4英寸与6英寸晶圆,8英寸的还没有推广。

 

在射频应用方面,Cree(Wolfspeed)拥有最强的实力,在射频应用的 GaN HEMT 专利竞争中,尤其在GaN on SiC技术方面,该公司处于领先地位,远远领先于其主要竞争对手住友电工和富士通。英特尔和MACOM是目前最活跃的射频GaN专利申请者,主要聚焦在GaN on Si技术领域。GaN射频HEMT相关专利领域的新进入者主要是中国厂商,如HiWafer(海威华芯)、三安集成和华进创威。

 

局限性


与Si相比,GaN具有许多重要优势,更节能,更快,甚至更好的恢复特性。然而,它在一段时间内不会在所有应用中取代Si。

 

GaN需要克服的第一个障碍是晶体管的耗尽性质,有效功率和逻辑电路需要常开和常关两种类型的晶体管,虽然可以生产常关型GaN晶体管,但它们要么依赖于典型的Si MOSFET,要么需要特殊的附加层,这使得它们难以收缩,不能以与当前Si晶体管相同的规模生产GaN晶体管,这意味着其难以在CPU和其他微控制器中使用。

 

GaN晶体管的第二个问题是,用于制造增强型GaN晶体管的唯一已知方法,是使用松下公司获得的专利技术,这意味着涉及这种晶体管类型的任何创新都将依赖于松下,直到研究出其他方法。

 

成本控制


GaN功率元件价格已经出现很大的降幅,但成本仍是打开市场的关键,其与Si产品相比,目前成本还比较高。

 

英飞凌是率先使用12英寸晶圆工厂生产Si基功率元件的厂商,近年来,随着手机、电脑充电器的发展,GaN芯片得到越来越广的应用,相关制造技术也在快速推进中。近期,英飞凌公司表示,其GaN等新材料产品已经进入量产阶段,未来这类功率芯片的制造将从主流的6英寸转移到8英寸晶圆厂生产。这将有助于降低成本。

 

英飞凌预测,未来在生产规模、产能投资、良率控制等方面的共同推进下,GaN功率元件的成本有望下降,预计3~5年后有机会把成本降到跟Si基元件相仿的程度。


中国表现


无论是国际大厂,如Qorvo、英飞凌、NXP、Cree、日本住友等,还是中国本土厂商,如三安光电、海特高新(海威华芯)、苏州能讯和英诺赛科等,都在GaN上不断加大投入力度,以求占得市场先机。

 

近些年,中国陆续有相关的外延片项目投产,如2019下半年,北京耐威科技控股子公司聚能晶源投资建设的第三代半导体材料制造项目(一期)于9月正式投产。本项目设计产能为年产1万片GaN外延片,既可生产提供标准结构的 GaN 外延片,也可根据客户需求开发、量产定制化外延晶圆。

 

与此同时,西部地区首个GaN外延片工厂聚力成成功试产。在电力电子领域,聚力成具备开发6英寸650V/100V硅基氮化镓外延片技术能力,实现650V/15A硅基氮化镓功率器件的生产工艺。在微波射频领域,该公司同样具有研发GaN on SiC外延材料的技术能力,产品主要定位在射频通讯和射频能量市场。

 

目前,国内已有多家企业布局GaN外延片产业,除了聚力成以外,还有江苏能华、英诺赛科、三安集成、江苏华功、大连芯冠和海威华芯等,其中英诺赛科的8英寸Si基GaN生产线已经相继开始启用。

 

最近,中国本土厂商在GaN晶圆厂建设的脚步不断提速,例如,英诺赛科(苏州)半导体有限公司宣布其8英寸硅基氮化镓芯片生产线一期第一阶段产能扩展建设项目量产。预计2021年实现产能可达6000片/月。项目全部达产后预计将实现年产能78万片8英寸硅基氮化镓晶圆。据悉,该项目主要建设从器件设计、驱动IC设计开发、材料制造、器件制备、后段封测以及模块加工的全产业链宽禁带半导体器件制造平台。

 

无独有偶,就在不久前,中国本土另一家化合物半导体大厂赛微电子发布了关于与青州市人民政府签署《合作协议》的公告,赛微电子拟在青州经济开发区发起投资10亿元分期建设聚能国际6-8英寸硅基氮化镓功率器件半导体制造项目,一期建成投产后将形成5000片/月的6-8英寸氮化镓晶圆生产能力,二期建成投产后将形成12000片/月的6-8英寸氮化镓晶圆生产能力。

 

据统计,在GaN电力电子产线方面,截至2020年底,我国已有7条GaN on Si晶圆制造产线,另有约4条GaN电力电子产线正在建设。GaN射频产线方面,截至2020年底,我国有5条4英寸GaN on SiC生产线,有5条GaN射频产线正在建设。


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