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GaN將成PA主流技術,這家公司恐成最大贏家
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如今,電子業正邁向4G的終點、5G的起點。 後者發展上仍有不少進步空間,但可以確定,新一代無線電網路勢必需要更多元件、更高頻率做支撐,可望為晶片商帶龐大商機--特別是對RF功率半導體供應商而言。 對此,市研機構Yole於7月發佈「2017年RF功率市場與科技報告」指出,RF功率市場近期可望由衰轉盛,並以將近二位數的年複合成長率(GAGR)迅速成長;同時,氮化鎵(GaN)將逐漸取代橫向擴散金屬氧化物半導體(LDMOS),成為市場主流技術。

拜電信基站升級、小型基地台逐漸普及所賜,RF功率市場可望脫離2015年以來的低潮,開始蓬勃發展--報告指出,整體市場營收到2022年底則有望暴增75%之多,2016~2022年間CAGR將達9.8%;其中,占電信基礎設施近一半比重的基站、無線回程網路等相關元件,同一時段CAGR各為12.5%、5.3%。 再者,鑒於效能較高、體積較小且穩定性較佳,砷化鎵(GaAs)、GaN等固態技術將在國防應用上逐漸取代真空管,提供RF功率元件更多發展機會。 Yole預期,此部分營收至2022年將成長20%,2016~2022年間CAGR達4.3%。

技術方面,受與日俱增的資訊流量、更高操作頻率與頻寬等需求驅使,GaN元件使用越來越普遍,正於電信大型基站、雷達/航空用真空管與其它寬頻應用上取代LDMOS元件,現已佔據整體20%營收以上。 針對未來網路設計,Yole表示,GaN之于載波聚合(CA)、多輸入多輸出(MIMO)等新科技,效能與頻寬上雙雙較LDMOS具優勢。 此外,得力於在行動網路產業發展得當,GaAs技術已成熟到能進入市場,可望在國防、有線電視等應用上穩占一席之地。

此報告估計,GaN將於未來5~10年成為3W以上RF功率應用的主流技術,GaAs基於其穩定性與不錯的性價比,也得以維持一定比重;至於LDMOS部分則將繼續衰退,市場規模跌至整體15%,然考慮到其高成熟性與低成本等,短期內在RF功率市場仍不至面臨淘汰。

絡達科技技術長林珩之表示,5G基地台的功率放大器將會以砷化鎵與氮化鎵制程為主,因其是功率主導(Power Handle),並以表現度為主要衡量指針。 但這樣的制程需更多的校準(Calibration)程式,成本會比較高。 不過,基地台的整體數量相較於手機應用是比較少的,因此即便其成本略高,仍在客戶能接受的範圍內。

林珩之指出,功率主導的特性,更將促使氮化鎵比砷化鎵來得更有優勢,因頻率更高,往往得靠氮化鎵才有辦法做到。 到了5G時代,氮化鎵將很有機會取代橫向擴散金屬氧化物半導體(Lateral Diffused MOS, LDMOS)。

而在手機功率放大器部分,目前2G是以互補式金屬氧化物半導體(CMOS)制程為主,3G、4G則是砷化鎵制程,5G因為高頻的關係,絡達十分看好氮化鎵制程,該技術同時還能讓電壓撐得更久。

林珩之分析,未來5G時代,手機功率放大器採用的半導體制程,預估將會是砷化鎵/氮化鎵占一半、CMOS占一半。 小於6GHz頻段的半導體技術,會是以砷化鎵與氮化鎵制程為主,因天線與電磁波的波長是成正比的,且高頻的天線比較大,也就須採用高功率的技術來達成,因此很有機會變成砷化鎵與氮化鎵制程的天下。

林珩之進一步指出,氮化鎵制程有辦法支撐很高的功率,這是CMOS無法做到的。 除非5G技術有辦法運用小功率在空中進行融合,CMOS制程才會有機會涵蓋到這部分的市場。 但在5G mmWave頻段,則會是以CMOS制程為主。 林珩之進一步表示,因mmWave頻段採用的天線比較小,就會是以CMOS制程為主,像是CPU、GPU、ASIC等,該制程與化合物半導體很不相同,價格會比砷化鎵/氮化鎵制程來得低。

此外,CMOS制程的應用領域也比較寬廣,目前在交換器(Switch)上便使用得相當廣泛,而採用氮化鎵制程的交換器就比較難做,因其是屬於雙極性接面型電晶體(Bipolar Junction Transistor, BJT)。 物聯網這類以價格為主要驅動的應用,由於對功率的要求比較低,也會是CMOS制程所能發揮的地方。

GaN 在射頻應用中脫穎而出的三大原因
鎵 (Ga) 是一種化學元素,原子序數為 31。鎵在自然界中不存在遊離態,而是鋅和鋁生產過程中的副產品。
GaN 化合物由鎵原子和氮原子排列構成,最常見的是纖鋅礦晶體結構。纖鋅礦晶體結構(如下圖所示)呈六方形,通過兩個晶格常數(圖中標記為 a 和 c)來表徵。
 
在半導體領域,GaN 通常是高溫下(約為 1,100°C)在異質基板(射頻應用中為碳化矽 [SiC],電源電子應用中為矽 [Si])上通過金屬有機物化學氣相澱積 (MOCVD) 或分子束外延 (MBE) 技術而製成。

GaN-on-SiC 方法結合了 GaN 的高功率密度功能與 SiC 出色的導熱性和低射頻損耗。這就是 GaN-on-SiC 成為高功率密度射頻應用合併選擇的原因所在。如今,GaN-on-SiC 基板的直徑可達 6 英寸。

GaN-on-Si 合併的熱學性能則低得多,並且具有較高的射頻損耗,但成本也低很多。這就是 GaN-on-Si 成為價格敏感型電源電子應用合併選擇的原因所在。如今,GaN-on-Si 基板的直徑可達 12 英寸。

那麼,為何 GaN 在射頻應用中優於其他半導體呢?
相比 Si 和 GaAs 等其他半導體,GaN 是一種相對較新的技術,但它已然成為某些高射頻、大功耗應用的技術之選,比如需要長距離或以高端功率水準傳輸信號的應用(如雷達、基站收發器 [BTS]、衛星通信、電子戰 [EW] 等)。

GaN-on-SiC在射頻應用中脫穎而出,原因如下:
高擊穿電場:由於 GaN 的帶隙較大,GaN 具有較高的擊穿電場,這使得 GaN 設備的工作電壓可遠遠高於其他半導體設備。當受到足夠高的電場作用時,半導體中的電子能夠獲得足夠動能來打破化學鍵(這一過程被稱為碰撞電離或電壓擊穿)。如果碰撞電離未得到控制,則可能會降低器件性能。由於 GaN 器件可以在較高電壓下工作,因此可用於較高功率的應用。

高飽和速度:GaN 上的電子具有很高的飽和速度(在極高電場下的電子速度)。當結合大電荷能力時,這意味著 GaN 器件能夠提供高得多的電流密度。

射頻功率輸出是電壓與電流擺幅的乘積,所以,電壓越高,電流密度越大,則實際尺寸的電晶體中產生的射頻功率就越大。簡言之,GaN 器件產生的功率密度要高得多。

出色的熱屬性:GaN-on-SiC 器件表現出不同一般的熱屬性,這主要因為 SiC 的高導熱性。具體而言,這意味著在消耗功率相同的情況下,GaN-on-SiC 器件的溫度不會變得像 GaAs 器件或 Si 器件那樣高。器件溫度越低才越可靠。

廠商相機而動,Qorvo恐成最大贏家
伴隨RF功率元件發展趨勢日漸明朗,各家大廠開始有所動作、搶爭新世代科技的主導權:主流LDMOS供應商包括恩智浦(NXP)、安譜隆(Ampleon)、英飛淩(Infineon)等,正嘗試透過外部代工獲取GaN技術;傳統GaAs廠商亦紛紛開始著重投資在此,少部分已成功將產能轉進GaN、在市場拔得頭籌;至於純GaN供應商如科銳(Cree )旗下之Wolfspeed,一方面為LDMOS大廠供應相關元件、壯大市場,一方面則努力確保自身在GaN技術發展的領先地位。

據Yole指出,待GaN元件成為主流,掌握GaN市場的廠商將取代LDMOS主力廠商,成為RF功率市場領導者--現階段除Wolfspeed,該領域領導廠商幾乎都是由GaAs廠商轉進。 就近期包括Infineon收購Wolfspeed受阻於美國政府、和康電訊(M/A-COM)與Infineon間的訴訟等相關事件來看,該領域的競爭似乎也日趨白熱化。而在背後還隱藏著一哥射頻大玩家——Qorvo。

作為射頻領域的專家,Qorvo 預測, 8GHz 以下砷化鎵仍是主流, 8GHz 以上氮化鎵替代趨勢明顯。砷化 鎵作為一種寬禁帶半導體,可承受更高工作電壓,意味著其功率密度及可工作溫度更高,因而具有高功率密度、能耗低、適合高頻率、支援寬頻寬等特點,包括Qorvo在內的幾個業界先驅已經在GaN上投入了巨額資金研究。
 
Qorvo表示,由於GaN具有高功率密度、寬頻性能、高功率處理、輸入功率穩定、減少零件尺寸和數量等特點,讓其受到功率放大器和無線基礎設施等市場的青睞。

據測試顯示,GaN可以在一個微小的面積上發射很大的功率,且單位面積上收到的熱度是GaAsDE 的十倍以上,因非常適合於5G正在追逐的毫米波頻段。

我們需要清楚一點,GaN器件並不是一種新東西,它其實一早就被應用到軍事雷達和有線電視等相關設施。但受限於成本問題,過去才一直沒有被推廣到民用領域。但在經過了Qorvo和Macom這些企業的努力,GaN材料的成本和製造成本開始下降。

如Qorvo早前宣佈將其重心轉移到6英寸SiC基GaN上,這些都有效的提高了其成本競爭優勢。不過我們也要看到,其帶來的功耗問題,也需要廠商去解決。

Qorvo無線基礎設施產品部總經理Sumit Tomar認為,LDMOS器件物理上已經遇到極限,這就是氮化鎵器件進入市場的原因。而基站應用需要更高的峰值功率、更寬的頻寬以及更高的頻率,這些因素都促成了基站接受氮化鎵器件。但是GaN在進入手機的過程中,碰到了一些阻礙。Qorvo方面表示,氮化鎵器件工作在低電壓環境、必須設計新封裝形式以滿足散熱要求和成本太高是制約GaN器件走向手機的關鍵。
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