氮化鎵發(fā)展評(píng)估

作者/ Mark Murphy MACOM 射頻能源市場(chǎng)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(jìn)行對(duì)比與分析，介紹了氮化鎵在軍事、無(wú)線基站及射頻能量等方面的特性和未來(lái)發(fā)展的廣闊市場(chǎng)。

　　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(gè)微波和射頻行業(yè)。氮化鎵對(duì)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(shí)現(xiàn)了利用傳統(tǒng)半導(dǎo)體技術(shù)無(wú)法實(shí)現(xiàn)的系統(tǒng)級(jí)解決方案，其市場(chǎng)潛力剛剛開(kāi)始被關(guān)注。

　　氮化鎵如今被定位成涵蓋了從無(wú)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(xiàng)高深的技術(shù)發(fā)展為市場(chǎng)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(shì)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(jìn)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(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)的材料。

形成階段

　　大約20多年前，美國(guó)國(guó)防部曾通過(guò)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(jì)劃在開(kāi)發(fā)基于砷化鎵的 MMIC 中扮演著關(guān)鍵的角色。與此同時(shí)，美國(guó)國(guó)防部還通過(guò)了高級(jí)研究計(jì)劃局 (DARPA) 的寬帶隙半導(dǎo)體技術(shù) (WBST) 計(jì)劃，該計(jì)劃在氮化鎵的早期開(kāi)發(fā)中發(fā)揮了積極的推動(dòng)作用。該項(xiàng)計(jì)劃于 2001 年正式啟動(dòng)，力求滿足軍方對(duì)小型高功率射頻器件的需求，WBST 計(jì)劃在一定程度上依托早期氮化鎵在藍(lán)光 LED 照明應(yīng)用中的成功經(jīng)驗(yàn)。

　　為了快速跟蹤氮化鎵在軍事系統(tǒng)中的應(yīng)用，WBST 計(jì)劃特準(zhǔn)計(jì)劃參與方深耕 MMIC 制造工藝，以制造出可預(yù)測(cè)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(jì)劃，WBST 計(jì)劃嚴(yán)重傾向于軍事應(yīng)用，不計(jì)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(jì)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(wú)線手機(jī)消費(fèi)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(qiáng)有力地助推了規(guī)模經(jīng)濟(jì)?；衔锇雽?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(kuò)展的砷化鎵供應(yīng)鏈，并由此實(shí)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(yùn)營(yíng)商希望在增加帶寬的同時(shí)，通過(guò)提高能源效率來(lái)降低運(yùn)營(yíng)成本，從而推動(dòng)了氮化鎵率先在有線電視行業(yè)開(kāi)展商業(yè)應(yīng)用。盡管與砷化鎵相比，碳化硅基氮化鎵的價(jià)格更高，但有線電視基礎(chǔ)設(shè)施的成本壓力要比無(wú)線手機(jī)小得多，而且節(jié)省的運(yùn)營(yíng)成本可以超過(guò)增加的購(gòu)置成本。但是，商業(yè) CATV 市場(chǎng)的體量?jī)?yōu)勢(shì)會(huì)被碳化硅基氮化鎵愈發(fā)陡峭的價(jià)格侵蝕曲線所抵消，市場(chǎng)在積極地開(kāi)發(fā)其廉價(jià)替代品^[1]。

　　通過(guò)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(jì)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(shì)，針對(duì) 2.45GHz 至 2.7GHz 的連續(xù)波運(yùn)行可提供超過(guò) 70% 的峰值效率，以及 19dB 的增益。

　　在無(wú)線基站市場(chǎng)，該性能使得氮化鎵可以撼動(dòng) LDMOS 在基站功率放大器領(lǐng)域幾十年來(lái)的主導(dǎo)地位，并對(duì)基站性能和運(yùn)營(yíng)成本產(chǎn)生了深遠(yuǎn)的影響。氮化鎵提供的顯著技術(shù)優(yōu)勢(shì)(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(lái)服務(wù)于下一代基站，尤其是 1.8GHz 以上的手機(jī)頻段，無(wú)線基站如圖1所示。

性能優(yōu)勢(shì)

　　在評(píng)估氮化鎵的技術(shù)軌跡和市場(chǎng)潛力時(shí)，必須充分肯定其基線技術(shù)優(yōu)點(diǎn)，這也是將其與傳統(tǒng)半導(dǎo)體技術(shù)區(qū)分開(kāi)來(lái)的優(yōu)勢(shì)。

　　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(lái)衡量)都足以滿足其目標(biāo)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(shí)，氮化鎵卻在這兩個(gè)指標(biāo)上彰顯出了卓越的性能，同時(shí)，它還具備某些附加的技術(shù)優(yōu)勢(shì)。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(kuò)展到高頻應(yīng)用。氮化鎵技術(shù)允許器件設(shè)計(jì)師在保持高頻率(比 LDMOS 的頻率高出 10% 以上)的同時(shí)實(shí)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(duì)商業(yè)應(yīng)用產(chǎn)生巨大的影響。

成本競(jìng)爭(zhēng)

　　如今，氮化鎵的性能優(yōu)勢(shì)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(duì)氮化鎵的看法和期望正不斷調(diào)整演變。考慮到固有的功率密度優(yōu)勢(shì)和向 8 英尺基底擴(kuò)展的可能性，第四代氮化鎵(如圖2)有望制造出在絕對(duì) $/W 上比 LDMOS 更具成本效益的基于氮化鎵的器件，更不用說(shuō)其在系統(tǒng)層面上的優(yōu)勢(shì);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(kù)存維護(hù)、適應(yīng)需求激增等方面打下了堅(jiān)實(shí)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(shí)、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(shì)實(shí)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(duì)客戶基于性能和成本的指標(biāo)來(lái)評(píng)價(jià)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(duì)氮化鎵封裝的選擇是其價(jià)值定位的一個(gè)重要組成部分，這也對(duì)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(yán)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(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行。陶瓷封裝氮化鎵器件還能夠適應(yīng)高功耗水平。不過(guò)，利用陶瓷封裝氮化鎵組件的明顯缺點(diǎn)是較高的封裝成本和繁瑣的組裝過(guò)程。這種額外地借助人工帶來(lái)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(chǎng)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(jì)高效的替代品，并成為實(shí)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(jì)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(jìn)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(chǎng)打開(kāi)新的商機(jī)。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(lái)加熱物品或?yàn)楦鞣N工序提供動(dòng)能?，F(xiàn)階段，這種能量一般由磁控管產(chǎn)生。而將來(lái)會(huì)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(shì)：低電壓驅(qū)動(dòng)、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?？傮w而言，這些技術(shù)特性產(chǎn)生了前所未有的過(guò)程控制范圍，甚至是能量分配，以及對(duì)不斷變化的負(fù)載條件的快速適配。

　　經(jīng)證實(shí)，射頻能量是一種高效、精確的熱源和電源，可進(jìn)行廣泛的商業(yè)應(yīng)用，例如：微波爐、汽車點(diǎn)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(dá)到性能、電源效率、精小外形和可靠性的最佳平衡，且價(jià)位適合進(jìn)行主流商業(yè)推廣，硅基氮化鎵正是理想之選。憑借高達(dá) 300W 的功率輸出能力和堅(jiān)固的塑料封裝，第四代氮化鎵功率晶體管無(wú)疑已成為具有高成本效益的可信賴解決方案。

市場(chǎng)的指數(shù)級(jí)增長(zhǎng)

　　在短期內(nèi)，無(wú)線基站市場(chǎng)將繼續(xù)推動(dòng)氮化鎵市場(chǎng)的顯著增長(zhǎng)。當(dāng)前出現(xiàn)的另一個(gè)商機(jī)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(gè)目標(biāo)市場(chǎng)范圍非常龐大。拿微波爐市場(chǎng)為例，MACOM 估計(jì)每年全球微波爐的銷量在7000萬(wàn)臺(tái)以上。消費(fèi)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(jià)格結(jié)構(gòu)，對(duì)應(yīng)的微波爐市場(chǎng)盈利空間大致為 40 至 90 億美元。

　　自從 DARPA 提出 WBST 計(jì)劃以來(lái)，氮化鎵已經(jīng)走過(guò)了較長(zhǎng)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(jìng)爭(zhēng)性技術(shù)成本相同的時(shí)候，性能高者將主宰市場(chǎng)。

　　像 MACOM這樣的一批企業(yè)對(duì)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(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)，這將在未來(lái)幾十年對(duì)我們的行業(yè)及其它行業(yè)帶來(lái)革命性的影響。

　　參考文獻(xiàn)：

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

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