射频器件的未来靠它们了

半导体原料共经历了三个发展阶段:第一阶段是以硅(Si)、锗(Ge) 为代表的第一代半导体原料;第二阶段是以砷化镓(GaAs)、磷化铟(InP ) 等化合物为代表;第三阶段是以氮化镓(GaN)、碳化矽(SiC)、硒化锌(ZnSe) 等宽频半导体原料为主。

射频器件的未来靠它们了


半导体原料共经历了三个发展阶段:第一阶段是以硅(Si)、锗(Ge) 为代表的第一代半导体原料;第二阶段是以砷化镓(GaAs)、磷化铟(InP ) 等化合物为代表;第三阶段是以氮化镓(GaN)、碳化矽(SiC)、硒化锌(ZnSe) 等宽频半导体原料为主。




第三代半导体原料具有较大的频宽宽度,较高的击穿电压(breakdown voltage),耐压与耐高温性能良好,因此更适用于制造高频、高温、大功率的射频元件。




从第二代半导体原料开始出现化合物,这些化合物凭借优异性能在半导体领域中取得广泛应用。




如GaAs 在高功率传输领域具有优异的物理性能优势,广泛应用于手机、无线区域网路、光纤通讯、卫星通讯、卫星定位等领域。




GaN 则具有低导通损耗、高电流密度等优势,可显著减少电力损耗和散热负载。可应用于变频器、稳压器、变压器、无线充电等领域。




SiC 因其在高温、高压、高频等条件下的优异性能,在交流- 直流转换器等电源转换装置中得以大量应用。




明日之星- GaN



GaN 是未来最具增长潜力的化合物半导体,与GaAs 和InP 等高频工艺相比,GaN 制成元件输出的功率更大;与LDMOS 和SiC 等功率工艺相比,GaN 的频率特性更好。




大多数Sub 6GHz 的蜂窝网络都将采用GaN 元件,因为LDMOS 无法承受如此高的频率,而GaAs 对于高功率应用又非理想之选。




此外,因为较高的频率会降低每个基站的覆盖范围,所以需要安装更多的电晶体,进而带动GaN 市场规模将迅速扩大。




GaN 元件产值目前占整个市场20% 左右,Yole 预估到2025 年比重将提升至50% 以上。


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(资料来源: yole;图: 西南证券) 不同材料的市场比重分布




GaN HEMT 已经成为未来大型基站功率放大器的候选技术。目前预估全球每年新建约150 万座基地台,未来5G 网络还将补充覆盖区域更小、分布更加密集的微型基地台,这将刺激GaN 元件的需求。




此外,国防市场在过去几十年里一直是GaN 开发的主要驱动力,目前已用于新一代空中和地面雷达。




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(资料来源: Qorvo;图: 西南证券)




而在GaN 射频元件领域中,龙头厂包括日本住友电工、美国科锐和Qorvo、韩国RFHIC 等。GaN 代工厂则有稳懋(3105。TW)、三安光电等。




手机中基石- GaAs



GaAs 作为最成熟的化合物半导体之一,是智慧手机零组件中,功率放大器(PA) 的基石。




根据Strategy Analytics数据显示, 2018年全球GaAs元件市场(含IDM厂元件产值)总产值约为88.7亿美元,创历史新高,且市场集中度高,前四大厂商比重达73.4%,分别为Skyworks( 32.3%)、Qorvo(26%)、Broadcom(9.1%)、稳懋(6%)。




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(资料来源: Strategy Analytics;钜亨网制图)




至于GaAs晶圆代工市场方面,2018年规模为7.5亿美元,其中稳懋市占率高达71.1%,为全球第一大GaAs晶圆代工厂。


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(资料来源: Strategy Analytics;钜亨网制图)




由于GaAs 具有载波聚合和多输入多输出技术所需的高功率和高线性度,GaAs 仍将是6 GHz 以下频段的主流技术。除此之外,GaAs 在汽车电子、军事领域方面也有一定的应用。




总结上述这些III-V 族化合物半导体元件具有优异的高频特性,长期以来被视为太空科技中无线领域应用首选。




随着商业上宽频无线通讯及光通讯的爆炸性需求,化合物半导体制程技术更广泛的被应用在高频、高功率、低杂讯的无线产品及光电元件中。同时也从掌上型无线通讯,扩散至物联网趋势下的5G 基础建设和光通讯的技术开发领域。


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