碳化硅基PK硅基氮化镓：谁是半导体应用的赢家？

2021-08-23 来源：探索科技TechSugar

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到2026年,RF GaN器件市场预计将超过24亿美元。GaN-on-SiC(碳化硅基氮化镓)和GaN-on-Si(硅基氮化镓)之间的的技术和生产竞争已经出现。

Yole功率和无线部门复合半导体和新兴衬底团队首席分析师Ezgi Dogmus博士断言:“伴随新兴的RF GaN市场,近年来的显著投资塑造了未来的供需关系,这一点值得密切关注。”她补充道:“碳化硅基氮化镓是主要的技术平台。器件市场领导者SEDI与领先的SiC晶圆供应商II-VI合作进行了垂直集成”。

Yole发布的《RF GaN市场:应用、玩家、技术和衬底2021年报告》分析了RF GaN市场和技术趋势和供应链情况。

电信和国防主推RF GaN市场

RF GaN应用主要包括4G LTE和5G电信基础设施、手机、国防、卫星通信、RF功率和民用雷达等。未来几年,RF GaN的两大市场驱动力仍是5G电信和国防,卫星通信和消费类手机等新兴市场也带来了新的机遇。RF GaN市场总价值将从8．91亿美元增加到24亿美元以上,2020-2026年复合年增长率为18%。

在电信基础设施方面,GaN已经渗透不同类型基站,提供了高功率和宽带的优势。随着远程无线电头(RRH)和大规模多输入多输出(MIMO)有源天线系统(AAS)的采用,到2026年,基于GaN的宏/微基站市场将超过9．54亿美元,占GaN电信基础设施总市场95%以上。

作为一个历史悠久的市场,国防领域仍然是RF GaN的主要市场。雷达是国防应用的主要驱动力,这是由于在机载系统中有源电子扫描阵列(AESA)雷达中轻型GaN基发射/接收模块的增加。总体而言,GaN预计将继续增长,2020-2026年国防雷达的复合年增长率将超过16%。

移动卫星通信已经部署在固定卫星通信系统中,从长远来看,它将成为RF GaN解决方案的下一个市场驱动力。GaN正在慢慢地从GaAs解决方案中获得份额。同时,在移动卫星系统中,由于严格的认证周期,GaN的渗透仍然有限。正在进行的欧洲航天局与空客、UMS和OMMIC的项目为GaN在太空中的应用开辟了新的可能性。

RF GaN器件市场演进

硅基氮化镓技术也可能从2022年开始进入手机市场,这无疑将是其一个历史转折点。

碳化硅基氮化镓主导,硅基氮化镓紧跟

碳化硅独特的电子和热性能使其非常适合先进的高功率和高频半导体器件,其性能远远超过硅或砷化镓的性能。碳化硅基技术的关键优势包括降低开关损耗、更高的功率密度、更好的散热和更高的带宽容量。在系统层面,可以实现高度紧凑的解决方案,大大提高功率效率,降低成本。利用碳化硅技术的当前和预计商业应用的快速增长包括5G无线基站天线中的RF功率放大器和其他高性能RF应用。

在RF GaN行业,一切都是从碳化硅基氮化镓技术开始的,它在20多年前即已推出,现已成为RF功率应用方面LDMOS和GaAs的有力竞争者。除了军用雷达领域的深度渗透,它还是华为、诺基亚、三星等电信原始设备制造商(OEM)5G大规模MIMO基础设施的首选。由于高带宽和高效率,碳化硅基氮化镓器件在5G市场上不断从LDMOS中抢占份额,并开始受益于向6英寸晶圆平台的转移。在这种情况下,碳化硅基氮化镓器件市场预计将在2026年达到22亿美元以上,复合年增长率将达到17%。

GaN技术和RF应用

作为一个主要挑战者,硅基氮化镓商用仍在起步阶段,有望提供经济高效和可扩展的解决方案。尽管截至2021年第二季度其市场容量很小,但硅基氮化镓PA(功率放大器)凭借大带宽和小尺寸吸引了智能手机OEM。随着创新厂商的重大技术进步,一些低于6GHz的5G手机型号很可能很快采用,无疑将是硅基氮化镓的一个里程碑。

最近,代工厂的进入以及与新兴硅基氮化镓功率电子器件产业的协同效应正在使其RF应用获得长期动力。在手持设备、国防和5G电信基础设施的推动下,硅基氮化镓器件市场预计将在2026年达到1．73亿美元,复合年增长率达到86%。

碳化硅基氮化镓和硅基氮化镓技术市场预测

RF GaN挑战现有技术

近年来,NXP(恩智浦)、Wolfspeed、SICC和II-VI等领先供应商都在扩大产能,形成了GaN对LDMOS和GaAs等其他技术的挤压态势。

5G无线基础设施及其地理演变表明,伴随通信设备RF前端走向5G,针对3G/HSPA和LTE基站市场PA的LDMOS和GaAs已力不从心。随着通信频段向高频迁移,基站和通信设备需要支持高频性能的PA,RF GaN器件优势逐步突显。

无线基础设施的半导体技术领域正在经历重大变革,尤其是在PA市场。LDMOS放大器在PA领域保持了几十年的主导地位,这一优势正受到氮化镓的挑战,对无线基站性能和运营成本影响深远。

RF GaN市场更侧重于大功率和高频

两条技术路线缠斗不休

凭借高功率、高频工作环境下的优良性能,氮化镓正在快速崛起,无论是在功率,还是RF应用领域,它都代表着高功率和高性能应用场景的未来,将在很大程度上替代砷化镓和LDMOS。

砷化镓外延片主要有两种衬底技术:硅基氮化镓和碳化硅基氮化镓,对比之下可以看出:

碳化硅基氮化镓结合了碳化硅优异的导热性和氮化镓高功率密度和低损耗能力,衬底上的器件可在高电压和高漏极电流下运行,结温将随RF功率缓慢升高,RF性能更好,但价格明显高于硅基氮化镓

硅基氮化镓生长速度较快,较容易扩展到8英寸晶圆;受限于衬底,目前仍是4英寸和6英寸晶圆,8英寸还没有商用

硅基氮化镓性能略逊于碳化硅基氮化镓,但可与CMOS工艺器件集成在一个芯片上;目前工艺水平制造的器件已能达到LDMOS功率密度的5-8倍,在高于2GHz频率成本与同等性能LDMOS相仿

碳化硅基氮化镓和硅基氮化镓技术平台都在挑战原有技术的供应链。两种技术都有不同拥趸,看看有代表性两种观点。

先进无线设备、国防雷达和通信创新高性能RF解决方案供应商Qorvo认为,5G数据吞吐量推动着运营商对系统不断升级,对RF系统的工作频段、带宽及效率的要求越来越严苛,这正是GaN器件的优势。Qorvo的RF GaN器件采用碳化硅基氮化镓。因为碳化硅衬底具有更好的热传导特性,使得在同样大小的封装里,基于碳化硅的GaN放大器可以输出更高的功率,使器件具备更好的可靠性。在相同输出功率条件下,碳化硅衬底良好的热传导性可进一步缩小封装尺寸,从而降低器件整体成本。

领先的高性能RF、微波、毫米波和光波半导体供应商MACOM很早就看好硅基氮化镓工艺,它认为,硅基氮化镓MMIC器件可以提供满足系统性能要求的增益、效率和功率输出。采用硅基氮化镓技术不会改变开关或放大器的基本设计方法,与基于砷化镓的设计相比,能够在更高的漏极电压下工作,可简化阻抗匹配,当然也要考虑器件的功耗。

出人意料的是,2021年7月,MACOM发布了另一技术路线的产品——新型碳化硅基氮化镓PA产品线,名为MACOM PURE CARBIDE,前两款新产品是MAPC-A1000和MAPC-A1100。总裁兼首席执行官Stephen G． Daly表示:“碳化硅基氮化镓是一项引人注目的技术,我们开始为客户提供标准和定制的PA解决方案。两种放大器适用于航空电子设备、大功率移动无线电、无线系统和测试仪器。”

两大技术阵营加速扩产

尽管出现了一家公司掌握两种技术的情形,在RF GaN领域仍然是两大技术阵营。

碳化硅基氮化镓引领商用

目前业界超过95%商用RF GaN器件在采用碳化硅基氮化镓工艺。在RF应用方面,Cree(Wolfspeed)实力最强,在GaN HEMT专利竞争中,尤其是碳化硅基氮化镓技术方面远远领先于主要竞争对手住友电工和富士通。戏剧性的是,2016年7月,英飞凌宣布以8．5亿美元现金收购Cree Wolfspeed功率与RF部门;2017年2月,因美国政府原因收购遇阻;2018年3月,大反转出现,Cree反以3．45亿欧元并购了英飞凌设计制造LDMOS放大器,同时拥有GaN-SiC/Si器件生产能力的RF功率业务,Cree成为了全球最大的RF GaN器件供应商。Cree除为自己生产RF GaN器件,还向提供GaN代工生产服务。

Cree在RF领域主要走碳化硅基氮化镓路线,2019年5月,它在美国北卡罗莱纳州扩建了一座先进自动化8英寸碳化硅晶圆工厂及一座材料超级工厂,以此提升其碳化硅晶圆尺寸和市占率,并将碳化硅基氮化镓先进磊晶(Epitaxial)技术进一步应用于功率及RF元件。

早在2018年,新兴应用工程材料供应商II-VI与SEDI(住友电工旗下住友电气设备创新公司)合作,打造垂直整合的6英寸晶圆制造平台,制造最先进的碳化硅基氮化镓HEMT器件,以支持下一代无线网络。

2019年10月,II-VI推出了世界上第一款用于5G天线RF PA的8英寸半绝缘碳化硅衬底。II-VI在开发和大批量制造优质碳化硅衬底方面拥有多年经验,特别是受保护的庞大且不断扩大的知识产权组合。II-VI致力于不断提高材料质量和增加衬底直径,通过提高产量、降低成本,使合作伙伴能够制造性能更高的新一代器件。

为抢占新兴RF GaN市场,除了SEDI与II-VI的垂直整合,2020年10月,恩智浦(NXP)在美国亚利桑那州开设了世界上第一家6英寸碳化硅基氮化镓晶圆厂,是为美国境内专注于5G RF PA的最先进晶圆厂,其能力可扩展至6G甚至更高。恩智浦认为,随着蜂窝市场向更高频率和功率发展,氮化镓可提供最先进的线性化能力和RF性能,简化5G部署;对国防和工业也可提供宽带性能和高频操作,其固态器件的所有优点都可以应用于RF功率应用,而不会影响效率。

在代工层面,Win Semiconductor等主要参与者正在扩大产能,以满足不断增长的市场需求。2020年9月Win推出0．45m栅技术NP45-11碳化硅基氮化镓工艺,支持客户为大规模MIMO无线天线系统等5G应用设计混合Doherty放大器,以满足当前和未来5G应用需求。

硅基氮化镓的后来之势

英特尔和MACOM是目前最活跃的RF GaN专利申请者,主要聚焦硅基氮化镓技术路线。

2018年,MACOM和意法半导体(ST)合作将硅基氮化镓引入主流RF市场和应用, ST 6英寸平台的制造规模、供应安全性和波涌产能与MACOM硅基氮化镓RF功率产品组合可满足主流消费、汽车和无线基站项目需求。MACOM在ST制造的硅晶圆上开发GaN器件,硅基氮化镓的预期突破性成本结构和功率密度将使4G/LTE和大规模MIMO 5G天线成为可能。合作提高了硅基氮化镓产能,通过扩大晶圆供应支持5G无线网络建设,实现硅基氮化镓的成本优势、规模经济和产业化,满足全球5G网络建设的需求。在扩大MACOM货源的同时,ST也可以在手机、无线基站和相关商业电信基础设施应用以外的RF市场制造和销售自己的硅基氮化镓产品。

用氮化镓取代无线网络基础设施PA

ST在硅晶圆制造方面的规模和运营优势释放了MACOM和ST的RF功率应用潜力,扩大了硅基氮化镓市场。ST更乐于在新的RF功率应用中使用硅基氮化镓,公司汽车与分立器件产品部总裁Marco Monti表示:“特别是在汽车应用,如传统发动机和RF照明应用中使用等离子点火,可以实现更高效、更持久的点火、照明系统。”

Strategy Analytics高级半导体应用服务总监Eric Higham表示赞同:“一旦高功率RF半导体器件的价格突破了0．04美元/瓦的关口,RF功率市场的重大机遇就会打开。RF功率器件出货量可能会达到数亿美元,用于商业微波烹饪、汽车照明和点火及等离子照明等应用,销售额将达到数十亿美元。”

2019年2月,MACOM-ST合作又有进展,在扩大ST工厂6英寸硅基氮化镓产能的同时,8英寸硅基氮化镓将按需扩产。扩产计划旨在支持全球5G电信网建设,因为根据MACOM估计,5年内PA需求数量将增至32至64倍,5G基础设施投资预计将增至3倍,因此,单个放大器成本估计会降至十分之一至二十分之一。

MACOM总裁兼首席执行官John Croteau表示:“为满足5G天线现场部署的成本、频谱和能效目标,运营商需要宽带隙GaN器件的性能,以及能够促进升级转型的成本结构和制造规模。MACOM与ST的联合产能投资可以布局全球高达85%的5G网络建设市场。”

2021年5月,领先的航空航天和国防科技公司Raytheon和全球领先的特殊工艺半导体制造商格芯(GlobalFoundries)达成战略协议,将共同开发新型硅基氮化镓半导体并实现商业化,目标直指5G和6G移动及无线基础设施的颠覆性RF性能。根据协议,Raytheon授权格芯使用其专有的硅基氮化镓技术和专知,在其位于佛蒙特州伯灵顿的Fab 9工厂开发这种新型半导体。

新兴中国生态系统值得关注

中国的RF GAN生态系统中存在着强大的技术独立动机,例如SICC(山东天岳)、CETC(中国电科)、HiWafer(海威华芯)和Sanan IC(三安集成),还有不断加入的投资、合作和新来者。RF GaN HEMT相关专利领域的新进入者有三安集成和HJCW(华进创威)。海威华芯是中国首家提供6英寸砷化镓/氮化镓微波集成电路(GaAs/GaN MMIC)纯晶圆代工服务的制造企业。

2020年4月,三安集成在国内最早开始6英寸化合物半导体晶圆制造,将在全球范围内为650V和1200V碳化硅器件及650V氮化镓功率高电子迁移率晶体管(HEMT)提供宽禁带功率电子器件代工服务,主要面向功率领域。

2020年12月,中国电子科技集团公司第十三研究所建设氮化镓RF前端PA生产技术平台,达到年加工放大器2000万只的能力。

2021年6月,山东天岳募资20亿提升碳化硅衬底产业化能力,产品包括半绝缘型和导电型碳化硅衬底。半绝缘型碳化硅基氮化镓外延片可制成HEMT等微波RF器件,应用于通信、无线电探测等领域;导电型碳化硅同质外延片可制成肖特基二极管、MOSFET等功率器件,应用于新功率汽车、轨道交通及大功率传输变电等。目前,山东天岳主要产品是4英寸半绝缘型碳化硅衬底,6英寸半绝缘型和6英寸导电型衬底还未量产。