半導體兩大原材料淺析

半導體原料共經歷了三個發展階段：第一階段是以硅 （Si）、鍺 （Ge） 為代表的第一代半導體原料；第二階段是以砷化鎵 （GaAs）、磷化銦 （InP） 等化合物為代表；第三階段是以氮化鎵 （GaN）、碳化硅 （SiC）、硒化鋅 （ZnSe） 等寬帶半導體原料為主。

第三代半導體原料具有較大的帶寬寬度，較高的擊穿電壓 （breakdown voltage），耐壓與耐高溫性能良好，因此更適用于制造高頻、高溫、大功率的射頻組件。

從第二代半導體原料開始出現化合物，這些化合物憑借優異性能在半導體領域中取得廣泛應用。

如 GaAs 在高功率傳輸領域具有優異的物理性能優勢，廣泛應用于手機、無線局域網絡、光纖通訊、衛星通訊、衛星定位等領域。

GaN 則具有低導通損耗、高電流密度等優勢，可顯著減少電力損耗和散熱負載。可應用于變頻器、穩壓器、變壓器、無線充電等領域。

SiC 因其在高溫、高壓、高頻等條件下的優異性能，在交流 － 直流轉換器等電源轉換裝置中得以大量應用。

明日之星 －GaN

GaN 是未來最具增長潛力的化合物半導體，與 GaAs 和 InP 等高頻工藝相比，GaN 制成組件輸出的功率更大；與 LDMOS 和 SiC 等功率工藝相比，GaN 的頻率特性更好。

大多數 Sub 6GHz 的蜂窩網絡都將采用 GaN 組件，因為 LDMOS 無法承受如此高的頻率，而 GaAs 對于高功率應用又非理想之選。

此外，因為較高的頻率會降低每個基地臺的覆蓋范圍，所以需要安裝更多的晶體管，進而帶動 GaN 市場規模將迅速擴大。

GaN 組件產值目前占整個市場 20％ 左右，Yole 預估到 2025 年比重將提升至 50％ 以上。

GaN HEMT 已經成為未來大型基地臺功率放大器的候選技術。目前預估全球每年新建約 150 萬座基地臺，未來 5G 網絡還將補充覆蓋區域更小、分布更加密集的微型基地臺，這將刺激 GaN 組件的需求。

此外，國防市場在過去幾十年里一直是 GaN 開發的主要驅動力，目前已用于新一代空中和地面雷達。

手機中基石 －GaAs

GaAs 作為最成熟的化合物半導體之一，是智能手機零組件中，功率放大器 （PA） 的基石。

根據 StrategyAnalytics 數據顯示， 2018 年全球 GaAs 組件市場（含 IDM 廠組件產值）總產值約為 88．7 億美元，創歷史新高，且市場集中度高，其中 Qorvo 的市場份額占比為 26％。

由于 GaAs 具有載波聚合和多輸入多輸出技術所需的高功率和高線性度，GaAs 仍將是 6 GHz 以下頻段的主流技術。除此之外，GaAs 在汽車電子、軍事領域方面也有一定的應用。

總結上述這些 III－V 族化合物半導體組件具有優異的高頻特性，長期以來被視為太空科技中無線領域應用首選。

隨著商業上寬帶無線通信及光通訊的爆炸性需求，化合物半導體制程技術更廣泛的被應用在高頻、高功率、低噪聲的無線產品及光電組件中。同時也從掌上型無線通信，擴散至物聯網趨勢下的 5G 基礎建設和光通訊的技術開發領域。作為資深的射頻專家，Qorvo 在這個領域有深入的研究。

Qorvo 手機事業部高級銷售經理 David Zhao 之前在接受媒體采訪時指出，5G 對 PA 線性度要求更高，所以耐壓高的 GaAs 工藝更受青睞。砷化鎵 Die 倒裝技術，已經被 QRVO 普遍采用。相比于傳統的砷化鎵 wire bonding 封裝，倒裝工藝讓模塊  厚度更薄，一致性更好。通過配合 SOI、CMOS 和 SAW／BAW 的倒裝工藝，尺寸更小，功能更 多的 SiP 射頻模組成為可能。

總結：

砷化鎵、氮化鎵 MMIC 芯片作為手機生產的重要器件，20 世紀 90 年代中期就已取代了射頻、微波領域里低性能硅基集成電路而成為無線通訊產業不可或缺的 IC 元件。因其工藝制造比硅器件困難大，以前國內尚無一家成熟的生產廠家，所需的射頻功率芯片（GaAs MMIC 、GaN MMIC）主要依賴進口，這對我國半導體產業和通訊產業特別是即將推廣應用的 5G 技術發展構成了重大屏障。在國家政策和資金大力支持下，經過多年的技術積累和發展，從材料砷化鎵（GaAs）、氮化鎵（GaN）到芯片 GaAs MMIC 、GaN MMIC 實現重大突破基礎上，2018 年北京雙儀投資 10 億元在北京建設月產 2 萬片 6 吋砷化鎵單片集成電路（GaAs MMIC）規模化量產生產線，海特高新投資 14．2 億元建設 6 吋年產 4 萬片 GaAs MMIC、3 萬片 GaN MMIC 生產線，并都將在 2019 年初投產，以滿足國內 5G 等市場對砷化鎵 MMIC 和氮化鎵 MMIC 芯片的迫切需求，扭轉我國依賴進口的不利局面。

砷化鎵（GaAs）、氮化鎵（GaN）作為時下新興的半導體工藝技術，尤其在高頻率、高功率、高溫度環境下實現的電源轉換效率、功率密度、寬帶穩定性等性能飛躍，成為光學存儲、激光打印、高亮度 LED 和無線通訊特別是無線網絡 5G 基站（移動通信、無線網絡、點到點和點到多點通信）、手機、軍工領域無可比擬的重要而關鍵器件。作為光電子、寬禁帶半導體材料中耀眼的新星，GaAs 在 5G 通訊、物聯網、OLED、太陽能電池等技術中的應用代表了當前和未來發展方向之一，作為有潛力的光電子材料，不但從生產到應用已經很成熟，而且穩定性和不錯的性價比以及深加工后產品價值具有 10 倍的放大系數，未來市場也將保持 9％的年均增速；GaN 應用還有待開發、但卻可以在更高頻率、更高功率、更高溫度下工作，在光學存儲、激光打印、高亮度 LED 以及無線基站等領域的應用前景受到關注，在高亮度 LED、藍光激光器和功率半導體領域是頗受歡迎的材料。