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射频领域的明星材料:砷化镓和氮化镓

2019-10-16

  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。

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  (数据源:yole;图:西南证券)不同材料的市场比重分布

  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。

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  (数据源:Qorvo;图:西南证券)

  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。


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