碳化硅基PK硅基氮化鎵：誰是半導體應用的贏家？

2021-08-23 來源：探索科技TechSugar

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到2026年,RF GaN器件市場預計將超過24億美元。GaN-on-SiC(碳化硅基氮化鎵)和GaN-on-Si(硅基氮化鎵)之間的的技術和生產競爭已經出現。

Yole功率和無線部門復合半導體和新興襯底團隊首席分析師Ezgi Dogmus博士斷言:“伴隨新興的RF GaN市場,近年來的顯著投資塑造了未來的供需關系,這一點值得密切關注。”她補充道:“碳化硅基氮化鎵是主要的技術平臺。器件市場領導者SEDI與領先的SiC晶圓供應商II-VI合作進行了垂直集成”。

Yole發布的《RF GaN市場:應用、玩家、技術和襯底2021年報告》分析了RF GaN市場和技術趨勢和供應鏈情況。

電信和國防主推RF GaN市場

RF GaN應用主要包括4G LTE和5G電信基礎設施、手機、國防、衛星通信、RF功率和民用雷達等。未來幾年,RF GaN的兩大市場驅動力仍是5G電信和國防,衛星通信和消費類手機等新興市場也帶來了新的機遇。RF GaN市場總價值將從8．91億美元增加到24億美元以上,2020-2026年復合年增長率為18%。

在電信基礎設施方面,GaN已經滲透不同類型基站,提供了高功率和寬帶的優勢。隨著遠程無線電頭(RRH)和大規模多輸入多輸出(MIMO)有源天線系統(AAS)的采用,到2026年,基于GaN的宏/微基站市場將超過9．54億美元,占GaN電信基礎設施總市場95%以上。

作為一個歷史悠久的市場,國防領域仍然是RF GaN的主要市場。雷達是國防應用的主要驅動力,這是由于在機載系統中有源電子掃描陣列(AESA)雷達中輕型GaN基發射/接收模塊的增加。總體而言,GaN預計將繼續增長,2020-2026年國防雷達的復合年增長率將超過16%。

移動衛星通信已經部署在固定衛星通信系統中,從長遠來看,它將成為RF GaN解決方案的下一個市場驅動力。GaN正在慢慢地從GaAs解決方案中獲得份額。同時,在移動衛星系統中,由于嚴格的認證周期,GaN的滲透仍然有限。正在進行的歐洲航天局與空客、UMS和OMMIC的項目為GaN在太空中的應用開辟了新的可能性。

RF GaN器件市場演進

硅基氮化鎵技術也可能從2022年開始進入手機市場,這無疑將是其一個歷史轉折點。

碳化硅基氮化鎵主導,硅基氮化鎵緊跟

碳化硅獨特的電子和熱性能使其非常適合先進的高功率和高頻半導體器件,其性能遠遠超過硅或砷化鎵的性能。碳化硅基技術的關鍵優勢包括降低開關損耗、更高的功率密度、更好的散熱和更高的帶寬容量。在系統層面,可以實現高度緊湊的解決方案,大大提高功率效率,降低成本。利用碳化硅技術的當前和預計商業應用的快速增長包括5G無線基站天線中的RF功率放大器和其他高性能RF應用。

在RF GaN行業,一切都是從碳化硅基氮化鎵技術開始的,它在20多年前即已推出,現已成為RF功率應用方面LDMOS和GaAs的有力競爭者。除了軍用雷達領域的深度滲透,它還是華為、諾基亞、三星等電信原始設備制造商(OEM)5G大規模MIMO基礎設施的首選。由于高帶寬和高效率,碳化硅基氮化鎵器件在5G市場上不斷從LDMOS中搶占份額,并開始受益于向6英寸晶圓平臺的轉移。在這種情況下,碳化硅基氮化鎵器件市場預計將在2026年達到22億美元以上,復合年增長率將達到17%。

GaN技術和RF應用

作為一個主要挑戰者,硅基氮化鎵商用仍在起步階段,有望提供經濟高效和可擴展的解決方案。盡管截至2021年第二季度其市場容量很小,但硅基氮化鎵PA(功率放大器)憑借大帶寬和小尺寸吸引了智能手機OEM。隨著創新廠商的重大技術進步,一些低于6GHz的5G手機型號很可能很快采用,無疑將是硅基氮化鎵的一個里程碑。

最近,代工廠的進入以及與新興硅基氮化鎵功率電子器件產業的協同效應正在使其RF應用獲得長期動力。在手持設備、國防和5G電信基礎設施的推動下,硅基氮化鎵器件市場預計將在2026年達到1．73億美元,復合年增長率達到86%。

碳化硅基氮化鎵和硅基氮化鎵技術市場預測

RF GaN挑戰現有技術

近年來,NXP(恩智浦)、Wolfspeed、SICC和II-VI等領先供應商都在擴大產能,形成了GaN對LDMOS和GaAs等其他技術的擠壓態勢。

5G無線基礎設施及其地理演變表明,伴隨通信設備RF前端走向5G,針對3G/HSPA和LTE基站市場PA的LDMOS和GaAs已力不從心。隨著通信頻段向高頻遷移,基站和通信設備需要支持高頻性能的PA,RF GaN器件優勢逐步突顯。

無線基礎設施的半導體技術領域正在經歷重大變革,尤其是在PA市場。LDMOS放大器在PA領域保持了幾十年的主導地位,這一優勢正受到氮化鎵的挑戰,對無線基站性能和運營成本影響深遠。

RF GaN市場更側重于大功率和高頻

兩條技術路線纏斗不休

憑借高功率、高頻工作環境下的優良性能,氮化鎵正在快速崛起,無論是在功率,還是RF應用領域,它都代表著高功率和高性能應用場景的未來,將在很大程度上替代砷化鎵和LDMOS。

砷化鎵外延片主要有兩種襯底技術:硅基氮化鎵和碳化硅基氮化鎵,對比之下可以看出:

碳化硅基氮化鎵結合了碳化硅優異的導熱性和氮化鎵高功率密度和低損耗能力,襯底上的器件可在高電壓和高漏極電流下運行,結溫將隨RF功率緩慢升高,RF性能更好,但價格明顯高于硅基氮化鎵

硅基氮化鎵生長速度較快,較容易擴展到8英寸晶圓;受限于襯底,目前仍是4英寸和6英寸晶圓,8英寸還沒有商用

硅基氮化鎵性能略遜于碳化硅基氮化鎵,但可與CMOS工藝器件集成在一個芯片上;目前工藝水平制造的器件已能達到LDMOS功率密度的5-8倍,在高于2GHz頻率成本與同等性能LDMOS相仿

碳化硅基氮化鎵和硅基氮化鎵技術平臺都在挑戰原有技術的供應鏈。兩種技術都有不同擁躉,看看有代表性兩種觀點。

先進無線設備、國防雷達和通信創新高性能RF解決方案供應商Qorvo認為,5G數據吞吐量推動著運營商對系統不斷升級,對RF系統的工作頻段、帶寬及效率的要求越來越嚴苛,這正是GaN器件的優勢。Qorvo的RF GaN器件采用碳化硅基氮化鎵。因為碳化硅襯底具有更好的熱傳導特性,使得在同樣大小的封裝里,基于碳化硅的GaN放大器可以輸出更高的功率,使器件具備更好的可靠性。在相同輸出功率條件下,碳化硅襯底良好的熱傳導性可進一步縮小封裝尺寸,從而降低器件整體成本。

領先的高性能RF、微波、毫米波和光波半導體供應商MACOM很早就看好硅基氮化鎵工藝,它認為,硅基氮化鎵MMIC器件可以提供滿足系統性能要求的增益、效率和功率輸出。采用硅基氮化鎵技術不會改變開關或放大器的基本設計方法,與基于砷化鎵的設計相比,能夠在更高的漏極電壓下工作,可簡化阻抗匹配,當然也要考慮器件的功耗。

出人意料的是,2021年7月,MACOM發布了另一技術路線的產品——新型碳化硅基氮化鎵PA產品線,名為MACOM PURE CARBIDE,前兩款新產品是MAPC-A1000和MAPC-A1100。總裁兼首席執行官Stephen G． Daly表示:“碳化硅基氮化鎵是一項引人注目的技術,我們開始為客戶提供標準和定制的PA解決方案。兩種放大器適用于航空電子設備、大功率移動無線電、無線系統和測試儀器。”

兩大技術陣營加速擴產

盡管出現了一家公司掌握兩種技術的情形,在RF GaN領域仍然是兩大技術陣營。

碳化硅基氮化鎵引領商用

目前業界超過95%商用RF GaN器件在采用碳化硅基氮化鎵工藝。在RF應用方面,Cree(Wolfspeed)實力最強,在GaN HEMT專利競爭中,尤其是碳化硅基氮化鎵技術方面遠遠領先于主要競爭對手住友電工和富士通。戲劇性的是,2016年7月,英飛凌宣布以8．5億美元現金收購Cree Wolfspeed功率與RF部門;2017年2月,因美國政府原因收購遇阻;2018年3月,大反轉出現,Cree反以3．45億歐元并購了英飛凌設計制造LDMOS放大器,同時擁有GaN-SiC/Si器件生產能力的RF功率業務,Cree成為了全球最大的RF GaN器件供應商。Cree除為自己生產RF GaN器件,還向提供GaN代工生產服務。

Cree在RF領域主要走碳化硅基氮化鎵路線,2019年5月,它在美國北卡羅萊納州擴建了一座先進自動化8英寸碳化硅晶圓工廠及一座材料超級工廠,以此提升其碳化硅晶圓尺寸和市占率,并將碳化硅基氮化鎵先進磊晶(Epitaxial)技術進一步應用于功率及RF元件。

早在2018年,新興應用工程材料供應商II-VI與SEDI(住友電工旗下住友電氣設備創新公司)合作,打造垂直整合的6英寸晶圓制造平臺,制造最先進的碳化硅基氮化鎵HEMT器件,以支持下一代無線網絡。

2019年10月,II-VI推出了世界上第一款用于5G天線RF PA的8英寸半絕緣碳化硅襯底。II-VI在開發和大批量制造優質碳化硅襯底方面擁有多年經驗,特別是受保護的龐大且不斷擴大的知識產權組合。II-VI致力于不斷提高材料質量和增加襯底直徑,通過提高產量、降低成本,使合作伙伴能夠制造性能更高的新一代器件。

為搶占新興RF GaN市場,除了SEDI與II-VI的垂直整合,2020年10月,恩智浦(NXP)在美國亞利桑那州開設了世界上第一家6英寸碳化硅基氮化鎵晶圓廠,是為美國境內專注于5G RF PA的最先進晶圓廠,其能力可擴展至6G甚至更高。恩智浦認為,隨著蜂窩市場向更高頻率和功率發展,氮化鎵可提供最先進的線性化能力和RF性能,簡化5G部署;對國防和工業也可提供寬帶性能和高頻操作,其固態器件的所有優點都可以應用于RF功率應用,而不會影響效率。

在代工層面,Win Semiconductor等主要參與者正在擴大產能,以滿足不斷增長的市場需求。2020年9月Win推出0．45m柵技術NP45-11碳化硅基氮化鎵工藝,支持客戶為大規模MIMO無線天線系統等5G應用設計混合Doherty放大器,以滿足當前和未來5G應用需求。

硅基氮化鎵的后來之勢

英特爾和MACOM是目前最活躍的RF GaN專利申請者,主要聚焦硅基氮化鎵技術路線。

2018年,MACOM和意法半導體(ST)合作將硅基氮化鎵引入主流RF市場和應用, ST 6英寸平臺的制造規模、供應安全性和波涌產能與MACOM硅基氮化鎵RF功率產品組合可滿足主流消費、汽車和無線基站項目需求。MACOM在ST制造的硅晶圓上開發GaN器件,硅基氮化鎵的預期突破性成本結構和功率密度將使4G/LTE和大規模MIMO 5G天線成為可能。合作提高了硅基氮化鎵產能,通過擴大晶圓供應支持5G無線網絡建設,實現硅基氮化鎵的成本優勢、規模經濟和產業化,滿足全球5G網絡建設的需求。在擴大MACOM貨源的同時,ST也可以在手機、無線基站和相關商業電信基礎設施應用以外的RF市場制造和銷售自己的硅基氮化鎵產品。

用氮化鎵取代無線網絡基礎設施PA

ST在硅晶圓制造方面的規模和運營優勢釋放了MACOM和ST的RF功率應用潛力,擴大了硅基氮化鎵市場。ST更樂于在新的RF功率應用中使用硅基氮化鎵,公司汽車與分立器件產品部總裁Marco Monti表示:“特別是在汽車應用,如傳統發動機和RF照明應用中使用等離子點火,可以實現更高效、更持久的點火、照明系統。”

Strategy Analytics高級半導體應用服務總監Eric Higham表示贊同:“一旦高功率RF半導體器件的價格突破了0．04美元/瓦的關口,RF功率市場的重大機遇就會打開。RF功率器件出貨量可能會達到數億美元,用于商業微波烹飪、汽車照明和點火及等離子照明等應用,銷售額將達到數十億美元。”

2019年2月,MACOM-ST合作又有進展,在擴大ST工廠6英寸硅基氮化鎵產能的同時,8英寸硅基氮化鎵將按需擴產。擴產計劃旨在支持全球5G電信網建設,因為根據MACOM估計,5年內PA需求數量將增至32至64倍,5G基礎設施投資預計將增至3倍,因此,單個放大器成本估計會降至十分之一至二十分之一。

MACOM總裁兼首席執行官John Croteau表示:“為滿足5G天線現場部署的成本、頻譜和能效目標,運營商需要寬帶隙GaN器件的性能,以及能夠促進升級轉型的成本結構和制造規模。MACOM與ST的聯合產能投資可以布局全球高達85%的5G網絡建設市場。”

2021年5月,領先的航空航天和國防科技公司Raytheon和全球領先的特殊工藝半導體制造商格芯(GlobalFoundries)達成戰略協議,將共同開發新型硅基氮化鎵半導體并實現商業化,目標直指5G和6G移動及無線基礎設施的顛覆性RF性能。根據協議,Raytheon授權格芯使用其專有的硅基氮化鎵技術和專知,在其位于佛蒙特州伯靈頓的Fab 9工廠開發這種新型半導體。

新興中國生態系統值得關注

中國的RF GAN生態系統中存在著強大的技術獨立動機,例如SICC(山東天岳)、CETC(中國電科)、HiWafer(海威華芯)和Sanan IC(三安集成),還有不斷加入的投資、合作和新來者。RF GaN HEMT相關專利領域的新進入者有三安集成和HJCW(華進創威)。海威華芯是中國首家提供6英寸砷化鎵/氮化鎵微波集成電路(GaAs/GaN MMIC)純晶圓代工服務的制造企業。

2020年4月,三安集成在國內最早開始6英寸化合物半導體晶圓制造,將在全球范圍內為650V和1200V碳化硅器件及650V氮化鎵功率高電子遷移率晶體管(HEMT)提供寬禁帶功率電子器件代工服務,主要面向功率領域。

2020年12月,中國電子科技集團公司第十三研究所建設氮化鎵RF前端PA生產技術平臺,達到年加工放大器2000萬只的能力。

2021年6月,山東天岳募資20億提升碳化硅襯底產業化能力,產品包括半絕緣型和導電型碳化硅襯底。半絕緣型碳化硅基氮化鎵外延片可制成HEMT等微波RF器件,應用于通信、無線電探測等領域;導電型碳化硅同質外延片可制成肖特基二極管、MOSFET等功率器件,應用于新功率汽車、軌道交通及大功率傳輸變電等。目前,山東天岳主要產品是4英寸半絕緣型碳化硅襯底,6英寸半絕緣型和6英寸導電型襯底還未量產。