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一文看懂化合物半导体

2020/1/13 13:43:05     

 

化合物半导体性能优异发展前景广阔化合物半导体主要指砷化镓GaAs氮化镓GaN和碳化硅SiC等第二第三代半导体相比第一代单质半导体在高频性能高温性能方面优异很多

砷化镓具有高频抗辐射耐高温的特性大规模应用于无线通讯领域目前已经成为PA 和Switch 的主流材料

氮化镓主要被应用于通讯基站功率器件等领域功放效率高功率密度大因而能节省大量电能同时减少基站体积和质量

碳化硅主要用于大功率高频功率器件IHS 预测到2025 年SiC 功率半导体的市场规模有望达到30 亿美元在未来的10 年内SiC 器件将开始大范围地应用于工业及电动汽车领域近期碳化硅产业化进度开始加速意法英飞凌等中游厂商开始锁定上游晶圆货源

什么是化合物半导体

半导体材料可分为单质半导体及化合物半导体两类前者如硅Si锗(Ge等所形成 的半导体后者为砷化镓GaAs氮化镓GaN碳化硅SiC等化合物形成半导 体在过去主要经历了三代变化砷化镓GaAs氮化镓GaN和碳化硅SiC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高频性能高温性能优 异很多制造成本更为高昂可谓是半导体中的新贵

三大化合物半导体材料中GaAs 占大头主要用于通讯领域全球市场容量接近百亿美元主要受益通信射频芯片尤其是 PA 升级驱动GaN 大功率高频性能更出色主要应用于军事领域目前市场容量不到 10 亿美元随着成本下降有望迎来广泛应用SiC 主要作为高功率半导体材料应用于汽车以及工业电力电子在大功率转换应用中具 有巨大的优势

超越摩尔光学射频功率等模拟 IC 持续发展

摩尔定律放缓集成电路发展分化现在集成电路的发展主要有两个方向More Moore深度摩尔和 More than Moore 超越摩尔摩尔定律是指集成电路大概 18 个月的 时间里在同样的面积上晶体管数量会增加一倍但是价格下降一半但是在28nm 时遇到了阻碍其晶体管数量虽然增加一倍但是价格没有下降一半More Moore 深度摩尔是指继续提升制程节点技术进入后摩尔时期与此同时More than Moore 超越摩尔被人们提出此方案以实现更多应用为导向专注于在单片 IC 上加入越来越多 的功能

模拟 IC 更适合在 Morethan Moore 超越摩尔道路先进制程与高集成度可以使 数字 IC 具有更好的性能和更低的成本但是这不适用于模拟 IC射频电路等模拟电路 往往需要使用大尺寸电感先进制程的集成度影响并不大同时还会使得成本升高先 进制程往往用于低功耗环境但是射频电源等模拟 IC 会用于高频高功耗领域先进 制程对性能甚至有负面影响低电源和电压下模拟电路的线性度也难以保证PA 主要技 术是 GaAs而开关主要技术是 SOIMore than Moore 超越摩尔可以实现使用不同 技术和工艺的组合为模拟 IC 的进一步发展提供了道路

第三代半导体适应更多应用场景硅基半导体具有耐高温抗辐射性能好制作方便稳定性好可靠度高等特点使得 99%以上集成电路都是以硅为材料制作的但是硅基 半导体不适合在高频高功率领域使用2G3G 和 4G 等时代 PA 主要材料是 GaAs但是进入 5G 时代以后主要材料是 GaN5G 的频率较高其跳跃式的反射特性使其传 输距离较短由于毫米波对于功率的要求非常高而 GaN 具有体积小功率大的特性是 目前最适合5G时代的PA材料SiC和GaN等第三代半导体将更能适应未来的应用需求

模拟 IC 关注电压电流控制失真率功耗可靠性和稳定性设计者需要考虑各种元器件对模拟电路性能的影响设计难度较高数字电路追求运算速度与成本多采用 CMOS 工艺多年来一直沿着摩尔定律发展不断采用更高效率的算法来处理数字信号或者利用新工艺提高集成度降低成本而过高的工艺节点技术往往不利于实现模拟 IC 实现低失真和高信噪比或者输出高电压或者大电流来驱动其他元件的要求因此模拟 IC 对节点演进需求相对较低远大于数字 IC模拟芯片的生命周期也较长一般长达 10 年及以上如仙童公司在 1968 年推出的运放μA741 卖了近五十年还有客户在用

目前数字 IC 多采用 CMOS 工艺而模拟 IC 采用的工艺种类较多不受摩尔定律束缚 模拟 IC 的制造工艺有 Bipolar 工艺CMOS 工艺和BiCMOS 工艺在高频领域SiGe 工 艺GaAs 工艺和 SOI 工艺还可以与 Bipolar 和 BiCMOS 工艺结合实现更优异的性能 而在功率领域SOI 工艺和 BCDBiCMOS 基础上集成DMOS 等功率器件工艺也有更 好的表现模拟 IC 应用广泛使用环节也各不相同因此制造工艺也会相应变化

砷化镓GaAs无线通信核心材料受益 5G 大趋势

相较于第一代硅半导体砷化镓具有高频抗辐射耐高温的特性因此广泛应用在主 流的商用无线通信光通讯以及国防军工用途上无线通信的普及与硅在高频特性上的限制共同催生砷化镓材料脱颖而出在无线通讯领域得到大规模应用

基带和射频模块是完成 3/4/5G 蜂窝通讯功能的核心部件射频模块一般由收发器和前端模组PASwitchFilter组成其中砷化镓目前已经成为 PA 和 Switch 的主流材料

4G/5G 频段持续提升驱动 PA 用量增长由于单颗 PA 芯片仅能处理固定频段的信号所以蜂窝通讯频段的增加会显著提升智能手机单机 PA消耗量随着 4G 通讯的普及移 动通讯的频段由 2010 年的 6 个急速扩张到 43 个5G 时代更有有望提升至 60 以上目 前主流 4G 通信采用5 频 13 模平均使用 7 颗 PA4 个射频开关器

目前砷化镓龙头企业仍以 IDM 模式为主包括美国 SkyworksQorvoBroadcom/AvagoCree德国 Infineon等同时我们也注意到产业发展模式开始 逐渐由 IDM 模式转为设计+代工生产典型事件为代工比例持续提升avago 去年将科 罗拉多厂出售给稳懋等我们认为 GaAs 衬底和器件技术不断成熟和标准化产品多样 化器件设计的价值显著设计+制造的分工模式开始增加

从 Yole Development 等第三方研究机构估算来看2017 年全球用于 PA 的GaAs 器 件市场规模达到 80-90 亿美元大部分的市场份额集中于 SkyworksQorvoAvago三 大巨头预计随着通信升级未来两年有望正式超过 100 亿美元

同时应用市场决定无需 60 nm 线宽以下先进制程工艺不追求最先进制程工艺是另外一个特点化合物半导体面向射频高电压大功率光电子等领域无需先进工艺GaAs 和 GaN 器件以 0.130.18μm以上工艺为主Qorvo 正在进行 90nm 工艺研发此外由于受 GaAs 和 SiC 衬底尺寸限制目前生产线基本全为 4 英寸和 6 英寸以 Qorvo 为例我们统计下来氮化镓制程基本线宽在 0.25-0.50um生产线以 4 英寸为主

氮化镓&碳化硅高压高频优势显著

氮化镓(GaN)和碳化硅(SiC)并称为第三代半导体材料的双雄由于性能不同二者的应用领域也不相同由于氮化镓具有禁带宽度大击穿电场高饱和电子速率大热导 率高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

氮化镓5G 时代来临射频应用前景广阔

目前氮化镓器件有三分之二应用于军工电子如军事通讯电子干扰雷达等领域在 民用领域氮化镓主要被应用于通讯基站功率器件等领域氮化镓基站 PA 的功放效 率较其他材料更高因而能节省大量电能且其可以几乎覆盖无线通讯的所有频段功 率密度大能够减少基站体积和质量

特色工艺代工厂崛起分工大势所趋全球半导体分为 IDM(IntegratedDevice Manufacture集成电路制造)模式和垂直分工模式两种商业模式老牌大厂由于历史原因多为 IDM 模式随着集成电路技术演进摩尔定律逼近极限各环节技术资金壁垒日渐提高传统 IDM 模式弊端凸显新锐厂商多选择 Fabless无晶圆厂模式轻装追赶同时英飞凌TIAMD 等老牌大厂也逐渐将全部或部分制造封测环节外包转向 Fab-Lite轻晶圆厂甚至 Fabless 模式

氮化镓射频器件高速成长复合增速 23%下游市场结构整体保持稳定研究机构 Yole Development 数据显示2017 年氮化镓射频市场规模为 3.8 亿美元将于 2023 年增长 至 13 亿美元复合增速为 22.9%下游应用结构整体保持稳定以通讯与军工为主二者合计占比约为 80%

碳化硅功率器件核心材料新能源汽车驱动成长

SiC 主要用于大功率高频功率器件以SiC 为材料的二极管MOSFETIGBT 等器件未来有望在汽车电子领域取代 Si目前 SiC 半导体仍处于发展初期晶圆生长过程中易出现材料的基面位错以致 SiC 器件可靠性下降另一方面晶圆生长难度导致 SiC 材料 价格昂贵预计想要大规模得到应用仍需一段时期的技术改进

Die Size 和成本是碳化硅技术产业化的核心变量我们比较目前市场主流 1200V 硅基 IGBT 及碳化硅基MOSFET可以发现 SiC 基 MOSFET 产品较 Si 基产品能够大幅减少 Die Size且表现性能更好但是目前最大阻碍仍在于 Wafer Cost根据 yole development 测算单片成本 SiC比 Si基产品高出 7-8 倍

研究机构 IHS 预测到 2025 年 SiC 功率半导体的市场规模有望达到 30 亿美元在未来 的 10 年内SiC 器件将开始大范围地应用于工业及电动汽车领域纵观全球 SiC 主要市 场电力电子占据了 2016-2017 年最大的市场份额该市场增长的主要驱动因素是由于电源供应和逆变器应用越来越多地使用 SiC 器件

SiC 近期产业化进度加速上游产业链开始扩大规模和锁定货源我们根据整理 CREE 公告可以发现近期碳化硅产业化进度开始加速ST英飞凌等中游厂商开始锁定上游晶圆货源

➢ 2019 年 1 月公告CREE 与 ST 签署一项为期多年的 2.5 亿美元规模的生产供应协 议Wolfspeed 将会向 ST 供应150㎜SiC 晶圆

➢ 2018 年 10 月公告CREE 宣布了一项价值8,500 万美元的长期协议将为一家未 公布名称的领先电力设备公司生产和供应 SiC 晶圆

➢ 2018 年 2 月公告Cree 与英飞凌签订了 1 亿美元的长期供应协议为其光伏逆变 器机器人充电基础设施工业电源牵引和变速驱动器等产品提供 SiC 晶圆

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转自中科院半导体所图书馆

链接:https://xueqiu.com/1118999957/135631215
 


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