本期我们将简要地介绍一下化合物半导体

在半导体产业中,晶圆材料可分为元素半导体及化合物半导体两大类,在元素半导体中,最被广泛采用的晶圆材料就是硅和锗;而化合物半导体主要是由镓(Ga)、铟(In)、铝(Al)等第三族及砷(As)、磷(P)及氮(N)等第五族元素化合物所构成,简称三五族化合物半导体。进一步地,依照元素组成数量可以再区分成二元、三元及四元化合物半导体,其中因砷化镓(GaAs)技术较为成熟,应用面也较广,在化合物半导体业界也常用砷化镓半导体来代表化合物半导体的通称。其他常见的化合物半导体有第四族元素相互组成的四四族化合物半导体,与第二族及第六族元素所组成的二六族化合物半导体。

具体来看,化合物半导体有三五族、四四族和二六族,其中三五族又有二元、三元和四元,二元化合物半导体主要包括砷化镓、磷化铟、氮化镓等,这些半导体主要用于基站射频以及一些光器件;三元化合物半导体主要包括砷化铟镓、砷化铝镓、磷化铟镓、磷化砷镓等领域,这些半导体主要用于基站射频、红外线探测器以及太阳能电池等领域;四元化合物半导体主要包括磷砷化铟镓,主要用于光纤通信上的光源及探测器、LED等领域。四四族化合物半导体主要包括碳化硅、锗化硅等,其中碳化硅主要用于650V以上的功率半导体等领域,锗化硅用于毫米波雷达等领域。二六族化合物半导体主要包括硫化锌、碲化镉、硫化镉等,主要用于红外探测器等领域。

相对于元素半导体,化合物半导体在材料的特性及优点主要有二:一是化合物半导体的电子迁移率较元素半导体快,加上具有抗干扰、低噪声、线性度佳及耐高电压等优点,因此特别适用于无线通信中的高频传输,例如基站、移动终端及卫星无线通信的应用。二是化合物半导体具备有高效率的光电转换特性,可以轻易地将光能转换成电能或是电能转换成光能,因此化合物半导体可运用在需要高度光电互为转换的领域,如LED及雷射二极管等,反之用于光纤设备中光探测器PD或是砷化镓太阳能电池等产品。

目前化合物半导体生产用的磊晶制程技术大致可分成MOCVD(有机金属气相沉积法)和MBE(分子束磊晶技术)两种,MOCVD的成长条件由气相方法进行,透过氢气或氮气等特定载气引导,使三族和五族气体均匀混合后,再导入反应腔体中,接着透过适当的反应温度(400∼800度),让气体裂解并成长于基板上;MBE成长条件则透过元素加热方式,由超高真空环境的腔体,将所需磊晶元素加热升华形成分子束,当分子束接触基板后,就可形成所需磊晶结构。若以量产速率分析MOCVD和MBE磊晶设备的优缺点,MOCVD为气相方式导入反应腔体,其速度较MBE快1.5倍(MBE需时间加热形成分子束);但以磊晶品质来说,由于MBE可精准控制分子束磊晶成长,因此相较MOCVD有较佳结果。观察现行磊晶厂的发展趋势,虽然MBE所需成本较高、速度也较慢,但较符合国防和光通讯领域等高精密组件产品需求。目前化合物半导体的IDM厂,大多选择以MBE磊晶设备为成长方式,除了IDM厂外,磊晶代工厂IQE和IET,亦选用MBE作为厂内磊晶设备。另一方面,由于MOCVD采用气相成长方式,可快速且大范围进行磊晶成长,虽然其磊晶品质稍不如MBE,但对需要大量、大面积磊晶成长的组件产品有吸引性。目前全球化合物半导体磊晶厂中,主要有6成厂商选择可大范围成长的MOCVD机台,4成则选择高精密性的MBE设备。

下面我们简要地介绍三种化合物半导体,砷化镓、氮化镓和碳化硅。

GaAs材料的电子迁移率是Si的6倍,具有直接带隙,故其器件相对Si器件具有高频、高速的性能,被公认为是很合适的通信用半导体材料。同时,其在军事电子系统中的应用日益广泛且不可替代。然而,由于禁带宽度范围不够大、击穿电场较低,限制了其在高温、高频和高功率器件领域的应用。另外,GaAs材料具有毒性,对环境和人类健康存在威胁。 目前,GaAs晶体管制程技术主要分为三类:异质结双极晶体管(HBT)、赝调制高电子迁移率效应晶体管(pHEMT)和金属半导体场效应晶体管(MESFET)。MESFET组件是最早应用的化合物半导体制程技术,制程所使用的磊晶晶圆以MBE为主,生产技术成熟且价格最低,虽成本远低于后来发展化合物半导体的技术,但因为MESFET晶体管运作时,必须提供两个电压来源,输出功率与增益大小的效果较差,目前重要性已不如后续发展的技术。pHEMT制程多采用MBE,较低阶pHEMT制程也可用MOVCD,因具有超高频及低噪声等特性,使其在基站、LNA及RF Switch上占有重要地位,特别是pHEMT组件在1.5V状态下仍有高效能的表现,对讲究待机时间长的智能终端产品而言pHEMT较具使用优势。另外pHEMT也具有低噪声的特点,因此在20GHz以上的高频微波通讯上,pHEMT也有一定的市场地位。HBT在制程上相对不同于前二者的是MOCVD,因其物理特性具备高电流增益、高功率效率、高崩溃电压、单电源设计、高效率以及低相位噪声等优点,进而成为目前市场上高频无线通信用功率放大器(PA)主流技术。综上,目前GaAs技术的发展由早期的 MESFET逐渐移转至pHEMT和HBT,具体看,功率放大器采用HBT工艺,而射频开关则采用pHEMT制程。

市调机构Yole研究报告指出,2017年至2023年GaAs晶圆的年CAGR为15%,其中光子学应用CAGR更高达37%,到2023年,光子应用的GaAs晶圆市场规模预计将达到1.5亿美元。另外,基于GaAs的ROY和红外线LED应用也很有潜力,Yole估计,2017~2023年,整个GaAs LED市场的年复合成长率达到21%,到2023年超过GaAs晶圆产量的一半以上。

GaN是新一代的宽禁带半导体材料,其禁带宽度几乎是Si的3倍、GaAs和的2倍,临界击穿电场比Si、GaAs大一个数量级,并具有更高的饱和电子迁移率和良好的耐温特性。它具有和GaAs几乎相近的频率特性。由于其特有的压电效应与自发极化的存在,它的二维电子气浓度比GaAs要高出一个数量级,所以具有很高的电流密度。由于氮化镓具有禁带宽度大、击穿电场高、饱和电子速度大、热导率高、介电常数小、化学性质稳定和抗辐射能力强等优点,成为高温、高频、大功率微波器件的首选材料之一。

目前基站PA主要为LDMOS技术,不过LDMOS技术仅适用于低频段,在高频应用领域存在局限性,这是因为LDMOS功率放大器的频宽会随着频率增加而大幅减少,运用于3.5GHz频段的LDMOS制程已接近限制,性能开始出现下滑,在考虑5G商用频段朝更高频段发展下,过去LDMOS将逐渐难以符合性能要求,因此GaN技术崛起。GaN可达LDMOS原始功率密度4倍,每单位面积功率提高4~6倍,即在相同发射功率规格下,GaN裸片尺寸为LDMOS裸片尺寸的1/6~1/4。由于GaN具有更高功率密度特性,能实现更小元件封装,满足Massive MIMO和主动天线单元(Active Antenna Unit,AAU)技术下射频前端高度整合需求。从Qorvo产品应用来看,采用GaN技术将天线阵列功耗降低40%,透过整合式多通道模块、3~6GHz及28/39GHz频段在射频前端产品的布局,更加强调高性能、低功耗、高整合度、高易用性等目标达成。

2017年,全球GaN射频市场规模约为3.84亿美元,在3W以上(不含手机PA)的RF射频市场的渗透率超过20%。GaN在基站、雷达和航空应用中,正逐步取代LDMOS。随着数据通讯、更高运行频率和带宽的要求日益增长,GaN在基站和无线回程中的应用持续攀升。在未来的网络设计中,针对载波聚合和大规模输入输出(MIMO)等新技术,GaN将凭借其高效率和高宽带性能,相比现有的LDMOS处于更有利的位置。未来5~10年内,Yole预计GaN将逐步取代LDMOS,并逐渐成为3W 及以上RF功率应用的主流技术。而GaAs将凭借其得到市场验证的可靠性和性价比,将确保其稳定的市场份额。LDMOS的市场份额则会逐步下降,预测期内将降至整体市场规模的15%左右。2023年,GaN RF器件的市场营收预计将达到13亿美元,约占3W以上的RF 功率市场的45%。

与Si和GaAs相比,SiC具有更优良的物理和化学性质,这些性质包括高热导率、高硬度、耐化学腐蚀、耐高温、对光波透明等。SiC材料优异的热学特性和抗辐照特性也使其成为制备紫外光电探测器的首选材料之一。此外,SiC基传感器能够弥补Si基传感器在高温、高压等恶劣环境下的性能缺陷,从而拥有更广阔的适用空间。       

SiC半导体潜在应用领域较为广泛,对新能源汽车、轨道交通、智能电网和电压转换等领域都具有重大意义。随着下游行业对半导体功率器件轻量化、高转换效率、低发热特性需求的持续增加,SiC在功率器件中取代Si成为行业发展的必然。

SiC主要适用于600V以上的高功率应用,GaN则适用于200~600V中功率应用。由于氮化镓锁定中低功率应用,其应用市场规模要大于中高功率,根据市调机构Yole的报告,预估氮化镓组件2015年~2021年的成长率将达83%,其中电源供应器占六成左右,而碳化硅同期的成长率约在21%左右。

在相同功率等级下,SiC功率模块的体积显著小于硅基IGBT模块。而SiC器件具有大幅提高设备的能源利用效率的特质。SiC功率模块与采用Si基IGBT的功率模块相比,可将开关损失降低85%。由于SiC器件的能量损耗只有Si器件的一半,发热量也只有Si器件的一半;另外,SiC器件还有非常优异高温稳定性,因此,散热处理也更加容易进行,不但散热器可以显著减小,还可以实现逆变器与马达的一体化。

根据Yole的统计2017年全球SiC市场为2.8亿美元,到了2020年市场将达到5.5亿美元,而在2022年将接近11亿美元,CAGR为40%。风力发电、PV逆变器、电源供应等领域均稳定增长,但增长最为迅速的还是电动汽车(EV/HEV)以及轨道交通(Rail),CAGR为86%。

(来源:亨通伟德投资的财富号 2019-09-20 14:08) [点击查看原文]

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