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化合物半导体的机遇
来源:半导体行业观察    时间:2019-06-05

 

 

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。


不同化合物半导体应用领域


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。


化合物半导体材料性能更为优异


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反向: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。


摩尔定律失效(DRAM 供应链)


模拟 IC 更适合在 More than 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 SOI,More 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。


超越摩尔示意


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。2G、3G 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 GaN。5G 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。


第三代半导体的应用场景


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,不断采用地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。


模拟 IC 与数字 IC 的区别


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 BCD(BiCMOS 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。


模拟 IC 工艺介绍


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(PA、Switch、Filter)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 PA,4 个射频开关器。


PA 价值量明显受益 4G 发展趋势