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  • 氮化鎵發展評估

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    樓主 2020-11-10 08:56:04
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    作者:Mark Murphy ? ?MACOM 射頻能源市場部

    從研發到商業化應用,氮化鎵的發展是當下的顛覆性技術創新,其影響波及了現今整個微波和射頻行業。氮化鎵對眾多射頻應用的系統性能、尺寸及重量產生了明確而深刻的影響,并實現了利用傳統半導體技術無法實現的系統級解決方案,其市場潛力剛剛開始被關注。

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    氮化鎵如今被定位成涵蓋了從無線基站到射頻能量等商業射頻領域的主流應用,它從一項高深的技術發展為市場的中流砥柱,這一發展歷程融合了多種因素,是其一致發揮作用的結果。氮化鎵的性能優勢曾經一度因高成本而被抵消,最近,其憑借在硅基氮化鎵技術、供應鏈優化、器件封裝技術以及制造效率方面的突出進步成功脫穎而出,成為大多數射頻應用中可替代砷化鎵和 LDMOS 的最具成本競爭優勢的材料。

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    形成階段

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    大約20多年前,美國國防部曾通過的微波/毫米波單片集成電路 (MIMIC) 和微波模擬前端技術 (MAFET) 計劃在開發基于砷化鎵的 MMIC 中扮演著關鍵的角色。與此同時,美國國防部還通過了高級研究計劃局 (DARPA) 的寬帶隙半導體技術 (WBST) 計劃,該計劃在氮化鎵的早期開發中發揮了積極的推動作用。該項計劃于 2001 年正式啟動,力求滿足軍方對小型高功率射頻器件的需求,WBST 計劃在一定程度上依托早期氮化鎵在藍光 LED 照明應用中的成功經驗。

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    為了快速跟蹤氮化鎵在軍事系統中的應用,WBST 計劃特準計劃參與方深耕 MMIC 制造工藝,以制造出可預測性能特性和故障率的可復制氮化鎵器件。相比之前的 MIMIC 和 MAFET 計劃,WBST 計劃嚴重傾向于軍事應用,不計成本地追求所需性能,但是,隨著化合物半導體提供商不斷完善其生產工藝,計劃最終可以確保政府獲得性能更高,成本更加低廉的射頻元件。

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    無線手機消費需求的激增加速了砷化鎵成為主流商業應用的步伐,這強有力地助推了規模經濟?;衔锇雽w提供商斥資數億美元修建了大規模的砷化鎵制造廠,引領行業建立起穩健、可靠和可擴展的砷化鎵供應鏈,并由此實現了砷化鎵從專業化的軍事技術向商業支柱技術的轉化。

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    有線電視 (CATV) 運營商希望在增加帶寬的同時,通過提高能源效率來降低運營成本,從而推動了氮化鎵率先在有線電視行業開展商業應用。盡管與砷化鎵相比,碳化硅基氮化鎵的價格更高,但有線電視基礎設施的成本壓力要比無線手機小得多,而且節省的運營成本可以超過增加的購置成本。但是,商業 CATV 市場的體量優勢會被碳化硅基氮化鎵愈發陡峭的價格侵蝕曲線所抵消,市場在積極地開發其廉價替代品[1]。

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    通過早期的 CATV 應用,碳化硅基氮化鎵和硅基氮化鎵之間的性能差距已經顯著縮小,所產生的經濟高效的硅基氮化鎵功率晶體管如今已與碳化硅基氮化鎵具有同樣的電源效率和熱特性。

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    在無線基站市場,該性能使得氮化鎵可以撼動 LDMOS 在基站功率放大器領域幾十年來的主導地位,并對基站性能和運營成本產生了深遠的影響。氮化鎵提供的顯著技術優勢(包括能源效率更高、帶寬更寬、功率密度更大和外形因子更小)使之以 LDMOS 天然替代者的身份來服務于下一代基站,尤其是 1.8GHz 以上的手機頻段,無線基站如圖1所示。

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    性能優勢

      

    在評估氮化鎵的技術軌跡和市場潛力時,必須充分肯定其基線技術優點,這也是將其與傳統半導體技術區分開來的優勢。

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    就砷化鎵 (GaAs) 和 LDMOS 而言,它們的性能特性(以功率、效率、帶寬及熱穩定性來衡量)都足以滿足其目標應用。而在其最明顯的缺陷當中,值得一提的是,砷化鎵只能提供有限的功率輸出(低于 50W),而 LDMOS 受限于較低頻率(低于 3GHz)。

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    正當砷化鎵和 LDMOS 在功率和頻率上顯現出缺憾之時,氮化鎵卻在這兩個指標上彰顯出了卓越的性能,同時,它還具備某些附加的技術優勢。氮化鎵的原始功率密度比當前砷化鎵和 LDMOS 技術的高很多,且支持將器件技術擴展到高頻應用。氮化鎵技術允許器件設計師在保持高頻率(比 LDMOS 的頻率高出 10% 以上)的同時實現寬帶寬。如果加以適當利用,這種頻效差量能夠在系統層面上對商業應用產生巨大的影響。

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    成本競爭

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    如今,氮化鎵的性能優勢在射頻和微波行業眾所周知。但是氮化鎵的歷史成本結構決定了它成本不菲,這減慢了其成為主流應用的速度。

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    然而,這種情況將不再持續,客戶對氮化鎵的看法和期望正不斷調整演變??紤]到固有的功率密度優勢和向 8 英尺基底擴展的可能性,第四代氮化鎵(如圖2)有望制造出在絕對 $/W 上比 LDMOS 更具成本效益的基于氮化鎵的器件,更不用說其在系統層面上的優勢;在量產層面上,第四代氮化鎵能夠提供比性能相仿但更加昂貴的碳化硅基氮化鎵晶圓低得多的成本。更重要的是,行業發展已為硅基氮化鎵在商業化規模量產、庫存維護、適應需求激增等方面打下了堅實的基礎,緩解了供應短缺的擔憂。只要碳化硅基氮化鎵繼續依賴耗時、高成本的制造工藝,這種擔擾就將持續下去。

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    氮化鎵技術路線圖和氮化鎵供應鏈的并行優勢實現了氮化鎵加速向商業領域滲透所需的制造規模和成本結構。針對客戶基于性能和成本的指標來評價氮化鎵適用性的情況,第四代氮化鎵在模式上做出了較大的改變。

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    封裝和生產效率

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    對氮化鎵封裝的選擇是其價值定位的一個重要組成部分,這也對產品的性能、成本和生產效率都產生了影響。

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    鑒于氮化鎵器件必須嚴密封裝,因此,陶瓷仍然是氮化鎵器件的封裝首選,這樣可以確保氮化鎵器件長期穩定運行。陶瓷封裝氮化鎵器件還能夠適應高功耗水平。不過,利用陶瓷封裝氮化鎵組件的明顯缺點是較高的封裝成本和繁瑣的組裝過程。這種額外地借助人工帶來了相當大的額外成本。

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    隨著塑料封裝氮化鎵功率晶體管的引入,氮化鎵器件市場發生了巨變;塑料封裝氮化鎵器件可以成為陶瓷封裝氮化鎵器件經濟高效的替代品,并成為實現新一代高功率超小型功率模塊的關鍵所在。塑料封裝、大功率氮化鎵器件使設計人員能夠采用傳統的表面貼裝生產方法及其相關的生產效率。這樣,采用塑料封裝氮化鎵進一步助推了供應鏈成本的下降。

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    射頻能量的潛力

      

    氮化鎵的性能結合硅成本結構將加速射頻領域的創新,為市場打開新的商機。其中,最主要的將是射頻能量應用,射頻能量應用采用可控的電磁輻射來加熱物品或為各種工序提供動能?,F階段,這種能量一般由磁控管產生。而將來會由全固態射頻半導體鏈產生。

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    固態射頻能量具有諸多其他解決方案不具備的優勢:低電壓驅動、半導體式可靠性、較小外形因子及“全固態電子”的占用空間。固態射頻能量最引人注目的特性,尤其是其快速的頻率、相位、功率捷變,輔之以超高的精度??傮w而言,這些技術特性產生了前所未有的過程控制范圍,甚至是能量分配,以及對不斷變化的負載條件的快速適配。

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    經證實,射頻能量是一種高效、精確的熱源和電源,可進行廣泛的商業應用,例如:微波爐、汽車點火、照明系統,以及包括射頻等離子照明、材料干燥、血液和組織的加熱和消融等在內的工業、科學和醫療 (ISM) 領域的應用。支持這些系統的射頻器件必須達到性能、電源效率、精小外形和可靠性的最佳平衡,且價位適合進行主流商業推廣,硅基氮化鎵正是理想之選。憑借高達 300W 的功率輸出能力和堅固的塑料封裝,第四代氮化鎵功率晶體管無疑已成為具有高成本效益的可信賴解決方案。

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    市場的指數級增長

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    在短期內,無線基站市場將繼續推動氮化鎵市場的顯著增長。當前出現的另一個商機是氮化鎵已逐漸成為射頻能量領域的主流應用。

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    射頻能量應用的整個目標市場范圍非常龐大。拿微波爐市場為例, 每年全球微波爐的銷量在7000萬臺以上。消費品微波爐的傳輸功率范圍大致在 600W 與 1500W 之間,微波爐的總射頻功率需求范圍為 42GW 至 105GW。按照目前主流的半導體價格結構,對應的微波爐市場盈利空間大致為 40 至 90 億美元。

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    自從 DARPA 提出 WBST 計劃以來,氮化鎵已經走過了較長的發展歷程,現在已成為微波和射頻行業的前沿。它的成本結構已經與傳統半導體技術持平,當兩種競爭性技術成本相同的時候,性能高者將主宰市場。



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