氮化鎵發(fā)展評估

作者/ Mark Murphy MACOM 射頻能源市場部

摘要：本文介紹了氮化鎵的發(fā)展歷程，并與砷化鎵和LDMOS進行對比與分析，介紹了氮化鎵在軍事、無線基站及射頻能量等方面的特性和未來發(fā)展的廣闊市場。

　　從研發(fā)到商業(yè)化應(yīng)用，氮化鎵的發(fā)展是當(dāng)下的顛覆性技術(shù)創(chuàng)新，其影響波及了現(xiàn)今整個微波和射頻行業(yè)。氮化鎵對眾多射頻應(yīng)用的系統(tǒng)性能、尺寸及重量產(chǎn)生了明確而深刻的影響，并實現(xiàn)了利用傳統(tǒng)半導(dǎo)體技術(shù)無法實現(xiàn)的系統(tǒng)級解決方案，其市場潛力剛剛開始被關(guān)注。

　　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(yè)射頻領(lǐng)域的主流應(yīng)用，它從一項高深的技術(shù)發(fā)展為市場的中流砥柱，這一發(fā)展歷程融合了多種因素，是其一致發(fā)揮作用的結(jié)果。氮化鎵的性能優(yōu)勢曾經(jīng)一度因高成本而被抵消，最近，其憑借在硅基氮化鎵技術(shù)、供應(yīng)鏈優(yōu)化、器件封裝技術(shù)以及制造效率方面的突出進步成功脫穎而出，成為大多數(shù)射頻應(yīng)用中可替代砷化鎵和 LDMOS 的最具成本競爭優(yōu)勢的材料。

形成階段

　　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(shù) (MAFET) 計劃在開發(fā)基于砷化鎵的 MMIC 中扮演著關(guān)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(dǎo)體技術(shù) (WBST) 計劃，該計劃在氮化鎵的早期開發(fā)中發(fā)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(yīng)用中的成功經(jīng)驗。

　　為了快速跟蹤氮化鎵在軍事系統(tǒng)中的應(yīng)用，WBST 計劃特準計劃參與方深耕 MMIC 制造工藝，以制造出可預(yù)測性能特性和故障率的可復(fù)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(yīng)用，不計成本地追求所需性能，但是，隨著化合物半導(dǎo)體提供商不斷完善其生產(chǎn)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。

　　無線手機消費需求的激增加速了砷化鎵成為主流商業(yè)應(yīng)用的步伐，這強有力地助推了規(guī)模經(jīng)濟。化合物半導(dǎo)體提供商斥資數(shù)億美元修建了大規(guī)模的砷化鎵制造廠，引領(lǐng)行業(yè)建立起穩(wěn)健、可靠和可擴展的砷化鎵供應(yīng)鏈，并由此實現(xiàn)了砷化鎵從專業(yè)化的軍事技術(shù)向商業(yè)支柱技術(shù)的轉(zhuǎn)化。

　　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(yè)開展商業(yè)應(yīng)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(chǔ)設(shè)施的成本壓力要比無線手機小得多，而且節(jié)省的運營成本可以超過增加的購置成本。但是，商業(yè) CATV 市場的體量優(yōu)勢會被碳化硅基氮化鎵愈發(fā)陡峭的價格侵蝕曲線所抵消，市場在積極地開發(fā)其廉價替代品^[1]。

　　通過早期的 CATV 應(yīng)用，碳化硅基氮化鎵和硅基氮化鎵之間的性能差距已經(jīng)顯著縮小，所產(chǎn)生的經(jīng)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。MACOM 的第四代硅基氮化鎵 (Gen4 GaN) 代表了這種趨勢，針對 2.45GHz 至 2.7GHz 的連續(xù)波運行可提供超過 70% 的峰值效率，以及 19dB 的增益。

　　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(lǐng)域幾十年來的主導(dǎo)地位，并對基站性能和運營成本產(chǎn)生了深遠的影響。氮化鎵提供的顯著技術(shù)優(yōu)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(wù)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。

性能優(yōu)勢

　　在評估氮化鎵的技術(shù)軌跡和市場潛力時，必須充分肯定其基線技術(shù)優(yōu)點，這也是將其與傳統(tǒng)半導(dǎo)體技術(shù)區(qū)分開來的優(yōu)勢。

　　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(wěn)定性來衡量)都足以滿足其目標應(yīng)用。而在其最明顯的缺陷當(dāng)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)。

　　正當(dāng)砷化鎵和 LDMOS 在功率和頻率上顯現(xiàn)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(shù)優(yōu)勢。氮化鎵的原始功率密度比當(dāng)前砷化鎵和 LDMOS 技術(shù)的高很多，且支持將器件技術(shù)擴展到高頻應(yīng)用。氮化鎵技術(shù)允許器件設(shè)計師在保持高頻率(比 LDMOS 的頻率高出 10% 以上)的同時實現(xiàn)寬帶寬。如果加以適當(dāng)利用，這種頻效差量能夠在系統(tǒng)層面上對商業(yè)應(yīng)用產(chǎn)生巨大的影響。

成本競爭

　　如今，氮化鎵的性能優(yōu)勢在射頻和微波行業(yè)眾所周知。但是氮化鎵的歷史成本結(jié)構(gòu)決定了它成本不菲，這減慢了其成為主流應(yīng)用的速度。

　　然而，這種情況將不再持續(xù)，客戶對氮化鎵的看法和期望正不斷調(diào)整演變?？紤]到固有的功率密度優(yōu)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(tǒng)層面上的優(yōu)勢;在量產(chǎn)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(yè)發(fā)展已為硅基氮化鎵在商業(yè)化規(guī)模量產(chǎn)、庫存維護、適應(yīng)需求激增等方面打下了堅實的基礎(chǔ)，緩解了供應(yīng)短缺的擔(dān)憂。只要碳化硅基氮化鎵繼續(xù)依賴耗時、高成本的制造工藝，這種擔(dān)擾就將持續(xù)下去。

　　氮化鎵技術(shù)路線圖和氮化鎵供應(yīng)鏈的并行優(yōu)勢實現(xiàn)了氮化鎵加速向商業(yè)領(lǐng)域滲透所需的制造規(guī)模和成本結(jié)構(gòu)。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。

封裝和生產(chǎn)效率

　　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(chǎn)品的性能、成本和生產(chǎn)效率都產(chǎn)生了影響。

　　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(wěn)定運行。陶瓷封裝氮化鎵器件還能夠適應(yīng)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(dāng)大的額外成本。

　　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(fā)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(jīng)濟高效的替代品，并成為實現(xiàn)新一代高功率超小型功率模塊的關(guān)鍵所在。塑料封裝、大功率氮化鎵器件使設(shè)計人員能夠采用傳統(tǒng)的表面貼裝生產(chǎn)方法及其相關(guān)的生產(chǎn)效率。這樣，采用塑料封裝氮化鎵進一步助推了供應(yīng)鏈成本的下降。

射頻能量的潛力

　　氮化鎵的性能結(jié)合硅成本結(jié)構(gòu)將加速射頻領(lǐng)域的創(chuàng)新，為市場打開新的商機。其中，最主要的將是射頻能量應(yīng)用，射頻能量應(yīng)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。現(xiàn)階段，這種能量一般由磁控管產(chǎn)生。而將來會由全固態(tài)射頻半導(dǎo)體鏈產(chǎn)生。

　　固態(tài)射頻能量具有諸多其他解決方案不具備的優(yōu)勢：低電壓驅(qū)動、半導(dǎo)體式可靠性、較小外形因子及“全固態(tài)電子”的占用空間。固態(tài)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。總體而言，這些技術(shù)特性產(chǎn)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。

　　經(jīng)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(yè)應(yīng)用，例如：微波爐、汽車點火、照明系統(tǒng)，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(nèi)的工業(yè)、科學(xué)和醫(yī)療 (ISM) 領(lǐng)域的應(yīng)用。支持這些系統(tǒng)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(yè)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。

市場的指數(shù)級增長

　　在短期內(nèi)，無線基站市場將繼續(xù)推動氮化鎵市場的顯著增長。當(dāng)前出現(xiàn)的另一個商機是氮化鎵已逐漸成為射頻能量領(lǐng)域的主流應(yīng)用。

　　射頻能量應(yīng)用的整個目標市場范圍非常龐大。拿微波爐市場為例，MACOM 估計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(dǎo)體價格結(jié)構(gòu)，對應(yīng)的微波爐市場盈利空間大致為 40 至 90 億美元。

　　自從 DARPA 提出 WBST 計劃以來，氮化鎵已經(jīng)走過了較長的發(fā)展歷程，現(xiàn)在已成為微波和射頻行業(yè)的前沿。它的成本結(jié)構(gòu)已經(jīng)與傳統(tǒng)半導(dǎo)體技術(shù)持平，當(dāng)兩種競爭性技術(shù)成本相同的時候，性能高者將主宰市場。

　　像 MACOM這樣的一批企業(yè)對這一曾經(jīng)的新興技術(shù)及其供應(yīng)鏈生態(tài)系統(tǒng)的大規(guī)模資金投入已經(jīng)為氮化鎵的主流商業(yè)應(yīng)用奠定了堅實的基礎(chǔ)，這將在未來幾十年對我們的行業(yè)及其它行業(yè)帶來革命性的影響。

　　參考文獻：

　　[1]CATV 網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)中的氮化鎵.策略分析,2012,5.

本文來源于《電子產(chǎn)品世界》2017年第1期第30頁，歡迎您寫論文時引用，并注明出處。