砷化镓GaAs氮化镓GaN材料的发展趋势与市场应用 - 学兔兔 www.bzfxw.com .pdf

应用专题IA P P L l c A T I 。N s 砷化镓G a A s 氮化镓G aN 材料 的发展趋势与市场应用 华强 摘要】由于半导体材料硅S i 在物理特性上的先天限制，仅能应用在1G H z 以下的工作频率。砷化 镓G a A s 主要用于微波功率器件。即工作在微波波段( 频率3 0 0 3 0 00 0 0 M H z 之I f i ) 的半导体器 件。氮化镓材料由于禁带宽度达到3 4 e V ，成为高温、高频、大功率微波器件的首选材料之一。 本文介绍了国内外砷化镓G a A s 、氮化镓G a N 材料的发展趋势o 【关键词 半导体材料砷化镓G a A s 氮化镓G a N 【中图分类号】T N 3 0 4 【文献标识码】A 【文章编号】16 7 4 2 5 8 3 ( 2 0 16 ) 0 2 - 0 0 3 0 - 0 4 半导体材料是制作半导体器件和集成电路的电 子材料，是半导体工业的基础。随着新的半导体材料 出现、电力电子技术进步与制作工艺的提高，半导体 在过去经历了三代变化。砷化镓( G a A s ) 和氮化镓 ( G a N ) 半导体分别作为第二代和第三代半导体的代 表，相比第一代半导体硅( S i ) 价格更加昂贵，可谓 是半导体中的贵族。 目前砷化镓材料为代表的第二代半导体主要应 用于高频( 即微波) 领域，第三代氮化镓半导体处于 刚刚起步阶段，以超大功率应用为主。 1 砷化镓半导体：射频通讯的核心 1 1 无线通讯推动砷化镓半导体市场快速发展 砷化镓主要用于微波功率器件，即工作在微波 波段( 频率3 0 0 3 0 00 0 0 M H z 之间) 的半导体器件。 由于s i 在物理特性上的先天限制，仅能应用在I G H z 以下的频率。然而近年来由于无线高频通讯产品迅速 发展，使得具备高工作频率、电子迁移速率、抗天然 辐射及耗电量小等特性的砷化镓脱颖而出，在微波通 讯领域大规模应用。 ( 1 ) 手机通讯领域： 在手机无线网络中，系统中的无线射频模组必 定含有两个关键的砷化镓半导体零组件：以H B T 设计 的射频功率放大器( R FP A ) 和I ：, ( p H E M T 设计的射频 开关器。 3 0I 集成电路应用2 0 1 6 年2 月 传统的2 G 手机中，一般需要2 个功率放大器 ( P A ) ，另； b 2 G 手机只有一个频段，噪声要求低， 使用1 个射频开关器。到了3 G 时代，一部手机平均使 用4 颗P A 。3 5 G 手机平均使用6 颗P A ，使用2 个射频开 关器。 2 0 1 4 年，智能手机正式进入4 G B , - J 代，平均使用7 颗P A ，4 个射频开关器。4 G 的射频通信需要用到5 模 1 3 频，多模多频的砷化镓前端放大器模块及在“频” 和“模”之间切换的射频开关器不可或缺。目前，单 部4 G 智能手机仅达到标准的通信效果，就至少需要5 颗以上的砷化镓功率放大器，此外智能手机中的卫星 定位功能也需要用到l 颗功率放大器，4 G 智能手机支 持的无线局域网通信( W L A N ) 也需要至少1 颗功率 放大器。 下一代5 G 技术，其传输速度将是现行4 GL T E 的 1 0 0 倍，目前只有砷化镓功率放大器可以实现如此快 速的资料传输。4 G 及未来的5 G 通讯已成为砷化镓微 波芯片重要的成长动能之一。 在P A 领域，一直存在硅基C M O SP A 与砷化镓P A 之争。2 0 1 3 年上半年高通推出C M O S 功率放大器解决 方案开始打人低端智能手机供应链，但是由于硅材料 物理性能限制，无法应用于高频领域。因此，虽然硅 材料较砷化镓有成本优势，但是，高端市场并不会受 到影响，砷化镓材料在功率放大器市场仍有8 5 的市 占率。 万方数据 帏瓢髓I 凹) 蛐 1 4 4 射删n 6 嗣辱粕矾面目埘( C R N 埔撮4 2l 瑚 1 2 0 0 9 4 9 嗣薛砌嚏 职) 9 g t 1 瑚1 4 0 0l 锄1 7 9 2 ，G 手I U 嘲钻巧1 件瞩强 ! 删( 积) 5 4 9l s j 瑚L 强咖 ：瑚吼蔬随粗( 踬) 必3 3 , 1 51 4 3 0& 1 8恤 4 6 爿m 翻I 强S S 8 捧9 I 9 s 蝣帆( 饮) 4 4 9 & 7 sl 抛l H1 7 m 4 6 列幻磷辑I 亿R 】4 J L 9 1 6 7s 3l l & 1 61 甑强1 7 嘣 痢癣姚f 饮l 1 0 L 9 11 1 9 1 11 舢崩嫩s 4 嫩1 0 I 型一一一一一一一一一一一l 强2 1 1 强 1 1 ： 器群I 积，t 篓差曩薹耋 铲 7 0 5 0 加 3 0 应用专题 _ - G a A s 元件全球末 Y O Y 图1 砷化镓P A 市场规模估算( 数据来源：I D C ，T r e n d F o r c e ) 2 0 1 4 年全球智能手机销量达1 2 2 8 亿只， 中国智能手机出货量达4 0 2 亿只。根据我们粗 略估算，2 0 1 4 年度全球手机砷化镓功率元件需 求量接近1 2 0 亿颗，国内手机市场砷化镓元件 需求量超过3 5 亿颗。未来随着4 G 手机渗透率 的不断提升，手机用砷化镓元件还将不断增长 ( 图1 ) 。 ( 2 ) 其它领域： 由于砷化镓高频传输的特性，除了在手机 应用中飞速成长外，平板电脑、笔记本电脑中 搭载的W i F i 模组、固定网络无线传输，以及光 纤通讯、卫星通讯、点对点微波通讯、有线电 视、汽车导航系统、汽车防撞系统等，也分别 采用1 4 颗数量不等的功率放大器，这都是推 动砷化镓成长的强大动力( 图2 ) 。 = - 。 y 铆薛机 平扳 K 拍I - _ 蔓电子设鲁旧自动遗书强嚆髅幅噬I 投幕 ( i 荤；) 冒1 。t 站 根据S t r a t e g yA n a l y t i c s 调查数据，2 0 13 年全球砷 化镓微波功率半导体市场总产值约为6 4 7 亿美元，较 2 0 1 2 年5 9 3 亿美元成长11 。 1 2 国外I D M 厂商抢占砷化镓半导体市场先机 与硅材料大规模集成电路制造不同，砷化镓微 波功率半导体多为分立器件，制造工艺相对简单。另 ；。二j 窿，p 菇i i 谚1 i 、一! i ，过釜r ；i 0 童。j i r 爱。L I ， _ - | ，洋采I 卜1 、j l l ： 一方面，由于材料性能差异较大，砷化镓晶圆制造中 设备及工艺与硅有极大的不同。因此，我们一般所熟 悉的半导体晶圆制造厂商专注于硅晶圆制造，并不涉 及砷化镓晶圆制造领域。砷化镓半导体拥有自己独立 的全套产业链。 砷化镓半导体的制造流程与硅相似，从上游材 料、I C 设计、晶圆代工到封装测试，完成砷化镓半导 2 0 16 年2 月集成电路应J E I l3 1 耄： 雌 噍 憾 2 2 1 1 5 O 揣 躺 帆 | 喜 揣 慨 噍 nU互几墨 n二l|；|n二l| 彤瑚瑚啪m啪啪o 几些 墨篡I _ = 舯 0 一一一一 一醚酣一 万方数据 应用专题IA P P L c A T 。N s 体制造的全部流程的产业链 ( 图3 ) 。 砷化镓半导体产业参与者 多为国外I D M 厂商。2 0 1 3 年全 球砷化镓市场总产值6 4 7 亿美 元中，占比前5 的厂商中除了 稳懋外，均为集I c 设计、晶圆 加工、封装测试为一体的I D M 厂商。 目前全球砷化镓半导体 市场份额最大的S k y w o r k s ，占 E 9 2 4 ，全球前1 0 大手机厂家 都是它的客户。占比13 6 和 12 3 的T r i Q u i n t 与R F M D 现在 已合并成为Q o r v o ，集晶圆代 工与I D M 模式为一体( 图4 、 图5 ) 。 砷化镓材料现在正处于 发展阶段，目前全球砷化镓微 波功率半导体领域参与者数量 远远小于硅，市场分布较为均 衡。I D M 厂商毛利率达4 0 ， R F M D ( Q o r v o ) 为原诺基亚 P A 供货商，毛利率低于同行业 平均水平。 F r 百1 而1 啦： G a A s g l 延过程复杂形成单独外延企业 【一 6 a A s 器件 图3 砷化镓( G a A s ) 半导体产业链 R F M D 1 2 3 T r i Q u i n t 1 3 为 G I l l i U i l b 元件 - j | 5 枣子元件 9 吖w D n 【s T r i O t I n t “R F M D - A w a g oT e c h n a o 哨 穗患 H n l J l e S E I M ，A C O MT e c h M u r a t a 三羹 O t h e r s 图42 0 13 年砷化镓半导体制造商市场份额 ( 数据来源：s t r a t e g y a n a l y t i c s ) 1 3 砷化镓半导体代工经营模式出现 无线通讯的普及催生砷化镓代工经营模式。在 无线通讯的拉动下砷化镓微波功率半导体需求量快速 增长，半导体制造受到巨额的研发和设备投入、产品 价格下降快等因素的制约。 砷化镓专业代工拥有较短的设计周期，成本较 低且能够快速导入市场，未来在砷化镓整体产业具有 竞争力，砷化镓半导体垂直分工的经营模式已经出 现。 尽管目前砷化镓半导体主要由美国三家I D M 厂 商( S k y w o r k s ，T r i Q u i n t 与R F M D 合并而成的Q o r v o ， A v a g o ) 占据，但近年来，晶圆代工在整个市场中的 占比不断提高。其中台湾的稳懋是砷化镓晶圆代工 领域龙头，主要客户为A v a g o 、M u r a t a 、S k y w o r k s 、 R D A 、A n a d g i c s 等。 3 21 集成电路应用2 0 1 6 年2 , E J 2 氮化镓半导体：节能产业的未来 2 1 宽禁带半导体氮化镓。高频性能更强 氮化镓材料由于禁带宽度达到3 4 e V ，与S I C 、 金刚石等半导体材料一起，被誉为第三代半导体材 料，被称为宽禁带半导体。由于氮化镓具有禁带宽度 大、击穿电场高、饱和电子速度大、热导率高、介电 常数小、化学性质稳定和抗辐射能力强等优点，成为 高温、高频、大功率微波器件的首选材料之一。 在氮化镓器件研究初期，晶体合成困难。1 9 8 6 年，日本的赤崎勇开发了“低温堆积缓冲层技术”可 以获得用于半导体元件的高品质氮化镓。由于带隙覆 盖了更广的光谱范围，氮化镓制造的高亮度L E D 、绿 色L E D 、蓝光光盘产品应用出现在商业领域。 从1 9 9 3 年开始，利用二维电子气氮化镓能达到 更高的迁移率，适合砷化镓所不能达到的高频动作。 一固一 一 量T M 一 | 万方数据 采用氮化镓的高频晶体管开始用 在移动通信站、通信卫星、雷达 等领域。 到了2 0 0 0 年前后，硅制功 率元件已经普及，之前利用蓝宝 石基板的氮化镓类功率元件价格 高，很难进入商业领域，这时开 始采用硅基板，但制造成本依然 很高。主要是应用于I C T 设备、 工业设备和汽车电子等领域的小 型电源组件。未来，有望采用氮 化镓基板，能获得更高品质、具 有较高价格竞争力的氮化镓功率 器件。 自2 0 1 3 年开始，随着技术积 累逐渐完成，氮化镓民用市场开 始起步。 增长率百分比 柏、 应用专题 曰怖憔V 棚 W 、 V ，一 一潮 曩蕾嘲 垦要蜀 S + r 1 r 1 r 1 1 2 0 1 02 0 1 22 0 1 42 0 1 62 0 1 82 0 2 02 0 2 22 0 2 4 正 匣蛐皿 图5 氮化镓( G a N ) 主要应用的预期潜在市场 ( 数据来源：Y o l eD e v e l o p m e n t ) 2 2 氮化镓功率半导体民用市场起步 美国