硅基氮化镓进军射频剑指5G基站

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“在VCSEL感测应用现身,加上GaN大举进驻电源管理之后,化合物半导体开始展现出不容小看的商业应用潜力。”

化合物半导体泛指各种不以硅为基础的半导体材料,通常可分成三五族半导体与二六族半导体。三五族化合物是由三族的铝(Al)、镓(Ga)、铟(In)及五族的氮(N)、磷(P)、砷(As)、锑(Sb)等等组成。由于是化合物,所以组成方式非常多种,有二元的氮化镓(GaN)、砷化镓(GaAs)、磷化铟(InP);三元的铟镓砷(InGaAs)、磷化铟镓( InGaP);甚至四元的InAlGaAs或InGaAsP等。二六族半导体则是由二族的元素锌(Zn)、镉(Cd)、汞(Hg)和六族元素硫(S)、硒(Se)、碲(Te)形成的化合物,是一些重要的光电材料。

在苹果(Apple)于智能手机上导入结构光人脸辨识,引爆VCSEL应用话题,加上氮化镓逐渐打开电源管理这个市场规模庞大的应用之后,化合物半导体开始受到更多探讨,同时也吸引其他领域的业者开始介入布局。


电源管理应用带动晶圆尺寸成长

联颖光电技术长暨SEMI Taiwan化合物半导体委员会副主席林嘉孚指出,氮化镓材料开始切入电源管理应用,是改变化合物半导体制造产业风貌的一个重大事件。电源管理是一个非常庞大的市场,几乎所有电子设备都需要电源管理。

因此随着使用硅基氮化镓(GaN on Si)的电源场效电晶体(Power FET)不断发展,能耐受的电压越来越高(目前600~700V的元件已有商用潜力,实验室里则已可做到1,000V),未来硅基氮化镓应用只会越来越普及。

而随着应用市场越来越广阔,氮化镓磊晶(Epitaxy)晶圆尺寸一定会逐渐从目前主流的6吋往8吋发展,这样才能驱动成本下降,满足市场需求。而此趋势也会吸引更多半导体设备大厂开始布局相关设备。目前磊晶制程所使用的有机金属化学气相沉积(MOCVD)机台,最大供应商是德国Aixtron,但全球半导体设备龙头应用材料(Applied Materials)也已经对这个市场展现高度兴趣。

对化合物半导体业者来说,更多设备大厂投入是件好事,因为以往化合物半导体设备业就跟化合物半导体产业链的其他环节一样,都呈现小而美的格局,大厂有更多资源可以开发更先进的磊晶设备,会让磊晶厂有能力发展出更先进的磊晶制程技术。机台设备的能力跟磊晶技术的进展,是相辅相成的。


硅基氮化镓进军射频剑指5G基站

除了应用在功率元件之外,GaN on Si还可以应用在射频(RF)通讯上,目前相关技术进展最快的业者,就属事业布局横跨光通讯与RF两端的MACOM。近日MACOM才与意法半导体(ST)达成合作协议,2019年ST工厂的6吋(150mm)硅基氮化镓的产能将有扩张计画,而8吋(200mm)的硅基氮化镓则会依需求扩产,以支援全球5G电信网路建设。

随着全球推出5G网路并转向大规模MIMO(M-MIMO)天线配置,射频功率产品需求预计将会大幅提升。具体来说,MACOM预估功率放大器需求量将会有32倍至64倍的成长,相对地,5G基础建设的投资在5年内将预计成长超过3倍,因此放大器成本的单价估计会降至十分之一至二十分之一。

MACOM总裁暨执行长John Croteau表示,主要基站OEM厂了解,为满足5G天线部署时成本、频谱和效能目标,需仰赖宽能隙氮化镓元件的性能,以及能促进升级转型的成本结构和制造规模。该公司认为,透过与意法半导体合作,将使MACOM能满足基站厂商的全部要求-产品性能、成本优势和高产量供应链。MACOM与ST这个初期阶段的联合产能投资,可以使双方有更多产能服务在全球高达85%的5G网路建设市场。

ST汽车与离散产品部总裁Marco Monti表示,ST已经在碳化硅技术领域打下坚实的基础,现在正在推进RF硅基氮化镓的技术,以支援OEM厂建立新一代高性能5G网路。碳化硅是汽车功率转换等电源应用的理想选择,而硅基氮化镓能够提供满足5G所需的RF性能、产能和商用成本结构。

事实上,射频跟光电过去一直是化合物半导体最主要的应用领域,以氮化镓材料来说,在开拓出PowerFET应用这个新市场之前,最重要的应用市场就是高功率射频领域,例如军用的高功率雷达,就会用到碳化硅基氮化镓(GaN on SiC)元件。跟前者相比,硅基氮化镓适合运用在中低功率射频应用,通讯基站就是其典型应用之一。

在5G网路布建将采用更多微型基站情况下,相关元件需求也令人期待。5G微型基站的大小可做到和Wi-Fi存取点设备相仿,发射功率也相近,因此若电信商要以微型基站组成网路,采购规模必然相当可观。

不过,林嘉孚分析,以技术特性来看,硅基氮化镓PA恐怕难以将应用拓展到行动终端市场,因为硅基氮化镓的效率虽好,但启动电压却比异质双极性接面电晶体(HBT)跟假晶高速电子移动电晶体(pHEMT)明显高出一截,不适合以电池供电的行动装置使用。但有些研究团队正在发展低电压的GaN on Si,只是目前尚不成熟。

如果是行动装置所使用的PA,基于砷化镓的HBT跟pHEMT还是比较理想的选择,因为HBT跟pHEMT具备低启动电压的优势。但HBT很难做到毫米波频段,因此,在5G通讯时代,低于6GHz频段的5G行动终端,应该还是会采用HBT;使用28GHz以上的毫米波5G行动终端,则可考虑使用pHEMT。

至于CMOS PA,在未来一段时间内,可能都会停留在概念验证或技术展示的阶段,因为CMOS PA的效率太低,除了会影响行动装置的电池续航力,封装也是个大考验。众所皆知,在毫米波频段,天线、PA,甚至连数据机(Modem)芯片都将会透过异质封装技术整合在同一个封装模组内。若PA效率太低,封装散热的问题会相当棘手。


技术门槛高台厂领先优势明显

中国政府大力鼓吹半导体产业自主,并投入大量资金来扶植相关业者,是近几年来屡屡在全球半导体业内引发讨论的话题。同样的情况其实也出现在化合物半导体领域,只是据业内人士指出,中国政府对化合物半导体的投资高度聚焦在国防跟军用领域,因此不像DRAM或晶圆代工,容易引发广泛关注。

但即便中国在本土化合物半导体产业链同样砸下重金,中国的化合物半导体产业进展仍相当有限,一方面这跟技术管制有关,另一方面也跟长晶、磊晶技术十分复杂,需要长时间累积Know-how,光靠资金投入无法取得立竿见影的效果有关。

除了少数例外,如发光二极体(LED)之外,一般来说,化合物半导体的磊晶技术跟设备受到高度管制,且有大量Know-how累积在磊晶厂手上。同款设备,使用不同配方跟制程参数,产出的产品特性会有很大不同。因此,中国很难复制在LED产业的成功经验,快速打造自主的化合物半导体供应链。相较下,台湾化合物半导体制造发展较早,且设备、技术转移方面,也较不会遇到困难。

有业界人士估计,台湾化合物半导体制造商技术大概还领先中国同业至少三到五年,且差距没有因为中国政府大力投资扶植而有所缩短。这意味着台厂在化合物半导体领域还有很明显的领先优势,不用担心中国同业杀价竞争。但也因为如此,台湾的化合物半导体厂商通常十分低调,不仅不太愿意公开谈论自家的技术或策略发展方向,而且资讯保防工作做得相当严密。每家业者都在鸭子划水,尽最大努力保护自己的领先优势。

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