碳化硅基PK硅基氮化鎵：誰是半導(dǎo)體應(yīng)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(yù)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(shù)和生產(chǎn)競爭已經(jīng)出現(xiàn)。

Yole功率和無線部門復(fù)合半導(dǎo)體和新興襯底團(tuán)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(guān)系,這一點值得密切關(guān)注。”她補(bǔ)充道:“碳化硅基氮化鎵是主要的技術(shù)平臺。器件市場領(lǐng)導(dǎo)者SEDI與領(lǐng)先的SiC晶圓供應(yīng)商II-VI合作進(jìn)行了垂直集成”。

Yole發(fā)布的《RF GaN市場:應(yīng)用、玩家、技術(shù)和襯底2021年報告》分析了RF GaN市場和技術(shù)趨勢和供應(yīng)鏈情況。

電信和國防主推RF GaN市場

RF GaN應(yīng)用主要包括4G LTE和5G電信基礎(chǔ)設(shè)施、手機(jī)、國防、衛(wèi)星通信、RF功率和民用雷達(dá)等。未來幾年,RF GaN的兩大市場驅(qū)動力仍是5G電信和國防,衛(wèi)星通信和消費類手機(jī)等新興市場也帶來了新的機(jī)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(fù)合年增長率為18%。

在電信基礎(chǔ)設(shè)施方面,GaN已經(jīng)滲透不同類型基站,提供了高功率和寬帶的優(yōu)勢。隨著遠(yuǎn)程無線電頭(RRH)和大規(guī)模多輸入多輸出(MIMO)有源天線系統(tǒng)(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(chǔ)設(shè)施總市場95%以上。

作為一個歷史悠久的市場,國防領(lǐng)域仍然是RF GaN的主要市場。雷達(dá)是國防應(yīng)用的主要驅(qū)動力,這是由于在機(jī)載系統(tǒng)中有源電子掃描陣列(AESA)雷達(dá)中輕型GaN基發(fā)射/接收模塊的增加。總體而言,GaN預(yù)計將繼續(xù)增長,2020-2026年國防雷達(dá)的復(fù)合年增長率將超過16%。

移動衛(wèi)星通信已經(jīng)部署在固定衛(wèi)星通信系統(tǒng)中,從長遠(yuǎn)來看,它將成為RF GaN解決方案的下一個市場驅(qū)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(wèi)星系統(tǒng)中,由于嚴(yán)格的認(rèn)證周期,GaN的滲透仍然有限。正在進(jìn)行的歐洲航天局與空客、UMS和OMMIC的項目為GaN在太空中的應(yīng)用開辟了新的可能性。

RF GaN器件市場演進(jìn)

硅基氮化鎵技術(shù)也可能從2022年開始進(jìn)入手機(jī)市場,這無疑將是其一個歷史轉(zhuǎn)折點。

碳化硅基氮化鎵主導(dǎo),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(jìn)的高功率和高頻半導(dǎo)體器件,其性能遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過硅或砷化鎵的性能。碳化硅基技術(shù)的關(guān)鍵優(yōu)勢包括降低開關(guān)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(tǒng)層面,可以實現(xiàn)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(shù)的當(dāng)前和預(yù)計商業(yè)應(yīng)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(yīng)用。

在RF GaN行業(yè),一切都是從碳化硅基氮化鎵技術(shù)開始的,它在20多年前即已推出,現(xiàn)已成為RF功率應(yīng)用方面LDMOS和GaAs的有力競爭者。除了軍用雷達(dá)領(lǐng)域的深度滲透,它還是華為、諾基亞、三星等電信原始設(shè)備制造商(OEM)5G大規(guī)模MIMO基礎(chǔ)設(shè)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(zhuǎn)移。在這種情況下,碳化硅基氮化鎵器件市場預(yù)計將在2026年達(dá)到22億美元以上,復(fù)合年增長率將達(dá)到17%。

GaN技術(shù)和RF應(yīng)用

作為一個主要挑戰(zhàn)者,硅基氮化鎵商用仍在起步階段,有望提供經(jīng)濟(jì)高效和可擴(kuò)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(jī)OEM。隨著創(chuàng)新廠商的重大技術(shù)進(jìn)步,一些低于6GHz的5G手機(jī)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(jìn)入以及與新興硅基氮化鎵功率電子器件產(chǎn)業(yè)的協(xié)同效應(yīng)正在使其RF應(yīng)用獲得長期動力。在手持設(shè)備、國防和5G電信基礎(chǔ)設(shè)施的推動下,硅基氮化鎵器件市場預(yù)計將在2026年達(dá)到1．73億美元,復(fù)合年增長率達(dá)到86%。

碳化硅基氮化鎵和硅基氮化鎵技術(shù)市場預(yù)測

RF GaN挑戰(zhàn)現(xiàn)有技術(shù)

近年來,NXP(恩智浦)、Wolfspeed、SICC和II-VI等領(lǐng)先供應(yīng)商都在擴(kuò)大產(chǎn)能,形成了GaN對LDMOS和GaAs等其他技術(shù)的擠壓態(tài)勢。

5G無線基礎(chǔ)設(shè)施及其地理演變表明,伴隨通信設(shè)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(shè)備需要支持高頻性能的PA,RF GaN器件優(yōu)勢逐步突顯。

無線基礎(chǔ)設(shè)施的半導(dǎo)體技術(shù)領(lǐng)域正在經(jīng)歷重大變革,尤其是在PA市場。LDMOS放大器在PA領(lǐng)域保持了幾十年的主導(dǎo)地位,這一優(yōu)勢正受到氮化鎵的挑戰(zhàn),對無線基站性能和運營成本影響深遠(yuǎn)。

RF GaN市場更側(cè)重于大功率和高頻

兩條技術(shù)路線纏斗不休

憑借高功率、高頻工作環(huán)境下的優(yōu)良性能,氮化鎵正在快速崛起,無論是在功率,還是RF應(yīng)用領(lǐng)域,它都代表著高功率和高性能應(yīng)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(shù):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(jié)合了碳化硅優(yōu)異的導(dǎo)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(jié)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(kuò)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(dá)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(shù)平臺都在挑戰(zhàn)原有技術(shù)的供應(yīng)鏈。兩種技術(shù)都有不同擁躉,看看有代表性兩種觀點。

先進(jìn)無線設(shè)備、國防雷達(dá)和通信創(chuàng)新高性能RF解決方案供應(yīng)商Qorvo認(rèn)為,5G數(shù)據(jù)吞吐量推動著運營商對系統(tǒng)不斷升級,對RF系統(tǒng)的工作頻段、帶寬及效率的要求越來越嚴(yán)苛,這正是GaN器件的優(yōu)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(dǎo)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(dǎo)性可進(jìn)一步縮小封裝尺寸,從而降低器件整體成本。

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

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

兩大技術(shù)陣營加速擴(kuò)產(chǎn)

盡管出現(xiàn)了一家公司掌握兩種技術(shù)的情形,在RF GaN領(lǐng)域仍然是兩大技術(shù)陣營。

碳化硅基氮化鎵引領(lǐng)商用

目前業(yè)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(yīng)用方面,Cree(Wolfspeed)實力最強(qiáng),在GaN HEMT專利競爭中,尤其是碳化硅基氮化鎵技術(shù)方面遠(yuǎn)遠(yuǎn)領(lǐng)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(xiàn)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(zhuǎn)出現(xiàn),Cree反以3．45億歐元并購了英飛凌設(shè)計制造LDMOS放大器,同時擁有GaN-SiC/Si器件生產(chǎn)能力的RF功率業(yè)務(wù),Cree成為了全球最大的RF GaN器件供應(yīng)商。Cree除為自己生產(chǎn)RF GaN器件,還向提供GaN代工生產(chǎn)服務(wù)。

Cree在RF領(lǐng)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(kuò)建了一座先進(jìn)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(jìn)磊晶(Epitaxial)技術(shù)進(jìn)一步應(yīng)用于功率及RF元件。

早在2018年,新興應(yīng)用工程材料供應(yīng)商II-VI與SEDI(住友電工旗下住友電氣設(shè)備創(chuàng)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(jìn)的碳化硅基氮化鎵HEMT器件,以支持下一代無線網(wǎng)絡(luò)。

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(fā)和大批量制造優(yōu)質(zhì)碳化硅襯底方面擁有多年經(jīng)驗,特別是受保護(hù)的龐大且不斷擴(kuò)大的知識產(chǎn)權(quán)組合。II-VI致力于不斷提高材料質(zhì)量和增加襯底直徑,通過提高產(chǎn)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(shè)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(nèi)專注于5G RF PA的最先進(jìn)晶圓廠,其能力可擴(kuò)展至6G甚至更高。恩智浦認(rèn)為,隨著蜂窩市場向更高頻率和功率發(fā)展,氮化鎵可提供最先進(jìn)的線性化能力和RF性能,簡化5G部署;對國防和工業(yè)也可提供寬帶性能和高頻操作,其固態(tài)器件的所有優(yōu)點都可以應(yīng)用于RF功率應(yīng)用,而不會影響效率。

在代工層面,Win Semiconductor等主要參與者正在擴(kuò)大產(chǎn)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(shù)NP45-11碳化硅基氮化鎵工藝,支持客戶為大規(guī)模MIMO無線天線系統(tǒng)等5G應(yīng)用設(shè)計混合Doherty放大器,以滿足當(dāng)前和未來5G應(yīng)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(shù)路線。

2018年,MACOM和意法半導(dǎo)體(ST)合作將硅基氮化鎵引入主流RF市場和應(yīng)用, ST 6英寸平臺的制造規(guī)模、供應(yīng)安全性和波涌產(chǎn)能與MACOM硅基氮化鎵RF功率產(chǎn)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(fā)GaN器件,硅基氮化鎵的預(yù)期突破性成本結(jié)構(gòu)和功率密度將使4G/LTE和大規(guī)模MIMO 5G天線成為可能。合作提高了硅基氮化鎵產(chǎn)能,通過擴(kuò)大晶圓供應(yīng)支持5G無線網(wǎng)絡(luò)建設(shè),實現(xiàn)硅基氮化鎵的成本優(yōu)勢、規(guī)模經(jīng)濟(jì)和產(chǎn)業(yè)化,滿足全球5G網(wǎng)絡(luò)建設(shè)的需求。在擴(kuò)大MACOM貨源的同時,ST也可以在手機(jī)、無線基站和相關(guān)商業(yè)電信基礎(chǔ)設(shè)施應(yīng)用以外的RF市場制造和銷售自己的硅基氮化鎵產(chǎn)品。

用氮化鎵取代無線網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施PA

ST在硅晶圓制造方面的規(guī)模和運營優(yōu)勢釋放了MACOM和ST的RF功率應(yīng)用潛力,擴(kuò)大了硅基氮化鎵市場。ST更樂于在新的RF功率應(yīng)用中使用硅基氮化鎵,公司汽車與分立器件產(chǎn)品部總裁Marco Monti表示:“特別是在汽車應(yīng)用,如傳統(tǒng)發(fā)動機(jī)和RF照明應(yīng)用中使用等離子點火,可以實現(xiàn)更高效、更持久的點火、照明系統(tǒng)。”

Strategy Analytics高級半導(dǎo)體應(yīng)用服務(wù)總監(jiān)Eric Higham表示贊同:“一旦高功率RF半導(dǎo)體器件的價格突破了0．04美元/瓦的關(guān)口,RF功率市場的重大機(jī)遇就會打開。RF功率器件出貨量可能會達(dá)到數(shù)億美元,用于商業(yè)微波烹飪、汽車照明和點火及等離子照明等應(yīng)用,銷售額將達(dá)到數(shù)十億美元。”

2019年2月,MACOM-ST合作又有進(jìn)展,在擴(kuò)大ST工廠6英寸硅基氮化鎵產(chǎn)能的同時,8英寸硅基氮化鎵將按需擴(kuò)產(chǎn)。擴(kuò)產(chǎn)計劃旨在支持全球5G電信網(wǎng)建設(shè),因為根據(jù)MACOM估計,5年內(nèi)PA需求數(shù)量將增至32至64倍,5G基礎(chǔ)設(shè)施投資預(yù)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(zhí)行官John Croteau表示:“為滿足5G天線現(xiàn)場部署的成本、頻譜和能效目標(biāo),運營商需要寬帶隙GaN器件的性能,以及能夠促進(jìn)升級轉(zhuǎn)型的成本結(jié)構(gòu)和制造規(guī)模。MACOM與ST的聯(lián)合產(chǎn)能投資可以布局全球高達(dá)85%的5G網(wǎng)絡(luò)建設(shè)市場。”

2021年5月,領(lǐng)先的航空航天和國防科技公司Raytheon和全球領(lǐng)先的特殊工藝半導(dǎo)體制造商格芯(GlobalFoundries)達(dá)成戰(zhàn)略協(xié)議,將共同開發(fā)新型硅基氮化鎵半導(dǎo)體并實現(xiàn)商業(yè)化,目標(biāo)直指5G和6G移動及無線基礎(chǔ)設(shè)施的顛覆性RF性能。根據(jù)協(xié)議,Raytheon授權(quán)格芯使用其專有的硅基氮化鎵技術(shù)和專知,在其位于佛蒙特州伯靈頓的Fab 9工廠開發(fā)這種新型半導(dǎo)體。

新興中國生態(tài)系統(tǒng)值得關(guān)注

中國的RF GAN生態(tài)系統(tǒng)中存在著強(qiáng)大的技術(shù)獨立動機(jī),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(guān)專利領(lǐng)域的新進(jìn)入者有三安集成和HJCW(華進(jìn)創(chuàng)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(wù)的制造企業(yè)。

2020年4月,三安集成在國內(nèi)最早開始6英寸化合物半導(dǎo)體晶圓制造,將在全球范圍內(nèi)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(wù),主要面向功率領(lǐng)域。

2020年12月,中國電子科技集團(tuán)公司第十三研究所建設(shè)氮化鎵RF前端PA生產(chǎn)技術(shù)平臺,達(dá)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(chǎn)業(yè)化能力,產(chǎn)品包括半絕緣型和導(dǎo)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(yīng)用于通信、無線電探測等領(lǐng)域;導(dǎo)電型碳化硅同質(zhì)外延片可制成肖特基二極管、MOSFET等功率器件,應(yīng)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(chǎn)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(dǎo)電型襯底還未量產(chǎn)。