化合物半导体物理特性具有独特优势。半导体材料领域共经历三个发展阶段:第一阶段是以硅、锗为代表的IV族半导体;第二阶段是以GaAs和InP为代表的III-V族化合物半导体,其中GaAs技术发展成熟,主要用于通讯领域;第三阶段主要是以SiC、GaN为代表的宽禁带半导体材料。硅材料技术成熟,成本低,但是物理性质限制了其在光电子、高频高功率器件和耐高温器件上的应用。相比硅材料,化合物半导体材料在电子迁移速率、临界击穿电场、导热能力等特性上具有独特优势。
硅材料主导,化合物半导体在射频、功率等领域需求快速增长。目前全球95%以上的芯片和器件是以硅作为基底材料,由于硅材料极大的成本优势,未来在各类分立器件和集成电路领域硅仍将占据主导地位。但是化合物半导体材料独特的物理特性优势,赋予其在射频、光电子、功率器件等领域的独特性能优势。
GaAs主导sub-6G 5G手机射频
具体而言,GaAs在5G手机射频和光电子领域占据主导地位。GaAs是最为成熟的化合物半导体,具有较高的饱和电子速率及电子迁移率,使得其适合应用于高频场景,在高频操作时具有较低的噪声;同时因为GaAs有比Si更高的击穿电压,所以砷化镓更适合应用在高功率场合。因为这些特性,砷化镓在sub-6G的5G时代,仍然将是功率放大器及射频开关等手机射频器件的主要材料。根据Qorvo报告,5G手机中射频开关从4G手机的10个增加至30个、功率放大器平均单机价值从4G手机的3.25美元增加至7.5美元,这些都带动砷化镓器件市场规模的增长。GaAs的另一个优点是直接能隙材料,所以可以制作VCSEL激光器等光电子器件,在数据中心光模块、手机前置VCSEL3D感应、后置LiDAR激光雷达等应用带动下,光电子器件是砷化镓器件增长的另外一个重要驱动因素。
GaN在5G宏基站射频PA的大发展
相较于Si和GaAs的前两代半导体材料,GaN和SiC同属于宽禁带半导体材料,具有击穿电场强度高、饱和电子漂移速度高、热导率大、介电常数小等特点,具有低损耗和高开关频率的特点,适合于制作高频、大功率和小体积高密度集成的电子器件。GaN的市场应用偏向微波器件领域、高频小电力领域(小于1000V)和激光器领域。相比硅LDMOS(横向双扩散金属氧化物半导体技术)和GaAs解决方案,GaN器件能够提供更高的功率和带宽,并且GaN芯片每年在功率密度和封装方面都会取得飞跃,能比较好的适用于大规模MIMO技术,GaNHEMT(高电子迁移率场效晶体管)已经成为5G宏基站功率放大器的重要技术。目前在宏基站上GaN主要采用使用SiC衬底(GaN on SiC),由于SiC作为衬底材料和GaN的晶格失配率和热失配率较小,同时热导率高,更容易生长高质量的GaN外延层,能满足宏基站高功率的应用。
除了运用在基站,消费电子快充市场是GaN另外一个快速增长的领域。相较于硅基功率器件,GaN能大大缩小手机充电器体积。消费电子级快充主要采用硅基衬底(SiC on Si)。虽然在硅衬底上难生长高质量GaN外延层,但是成本远低于SiC衬底,同时能满足手机充电等较小的功率需求。随着安卓厂商和第三方配套厂商陆续推出相关产品,GaN快充有望在消费电子领域快速普及。
在光电子领域,凭借宽禁带、激发蓝光的独特性质,GaN在高亮度LED、激光器等应用领域具有明显的竞争优势。
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