取代硅,GaN将重塑全球消费类电源市场?

作为第三代化合物半导体的代表,氮化镓(GaN)具有诸多优点,如高熔点、出色的击穿能力、更高的电子密度和电子速度,以及更高的工作温度,且GaN的能隙很宽,达到3.4eV,具有低导通损耗和高电流密度。
GaN主要用于微波射频(RF)和功率电子领域。
目前,GaN厂商主要有Cree,Efficient Power Conversion Corporation,Fujitsu,GaN Systems,Infineon,NXP,NextGen Power Systems,Qorvo,东芝,Texas Instruments等。
Strategy Analytics的市场研究报告显示,2020年,基于RF GaN的设备收入又经历了快速增长的一年,增长率达到30%,首次突破10亿美元大关。
基站仍然是RF GaN收入的主要来源,且增长最快,” Strategy Analytics高级半导体应用(ASA)和高级防御系统(ADS)服务总监Eric Higham指出:“去年,华为继续在中国积极部署基站,以缓冲美国的贸易制裁。我们可能会看到短期波动,具体取决于中国的5G部署计划,但是RF GaN器件在商业和国防应用中的基本面仍然强劲,我预计到2025年收入将接近20亿美元。”
2020年,疫情对市场产生了短暂影响,意法半导体(ST Microelectronics)和英飞凌(Infineon)等欧洲巨头曾短暂减产。预计在预测期内,GaN在5G基站制造中的采用将越来越多,将带动市场增长。
2020年10月,NXP在其位于美国亚利桑那州钱德勒的工厂建设了一座耗资1亿美元的GaN晶圆厂,新工厂将生产6英寸GaN 5G基站射频功率放大器(PA)。
2021年2月,小米Mi GaN充电器Type-C 33W在中国以79日元(12美元)的价格推出。这款型号为AD33G的充电器是GaN在功率电子应用的一个重要标志,在中国掀起了一阵热潮。
下面分别介绍一下GaN在射频和功率应用领域的发展情况。

射频

GaN 在射频市场更关注高功率、高频率场景。由于GaN在高频下具有较高的功率输出和较小的面积,已被射频行业广泛采用。随着5G到来,GaN在Sub-6GHz宏基站和毫米波(24GHz 以上)小基站中找到了用武之地。
在射频应用中,PA是GaN的主战场。5G对于设备性能和功率效率提出了更高的要求,特别是在基站端,基站数量和单个基站成本双双上涨,这将会带来市场空间的巨大增长。依据蜂窝通信理论计算,要达到相同的覆盖率,估计中国5G宏基站数量要达到约500万个。2021年全球5G宏基站PA和滤波器市场将达到243.1亿元人民币,年均复合增长率CAGR为162.31%,2021年全球4G和5G小基站射频器件市场将达到21.54亿元人民币,CAGR为140.61%。
由于基站越来越多地用到了多天线MIMO技术,这对PA提出了更多需求。预计到2022年,4G/ 5G基础用的射频半导体市场规模将达到16亿美元,其中,MIMO PA的年复合增长率将达到135%,射频前端模块的年复合增长率将达到 119%。
相对于4G,5G基站用到的PA数会加倍增长。4G基站采用4T4R方案,按照三个扇区,对应的射频PA需求量为12个,5G基站中,预计64T64R将成为主流方案,对应的PA需求量高达192个。
目前的PA市场,包括基站和手机端用的,制造工艺主要包括传统的LDMOS、GaAs,以及新兴的GaN。而在基站端,传统LDMOS工艺用的更多,但是,LDMOS 技术适用于低频段,在高频应用领域存在局限性。而为了适应5G网络对性能和功率效率的需求,越来越多地应用到了GaN,它能较好地适用于大规模MIMO。
GaN具有优异的高功率密度和高频特性。GaAs拥有微波频率和5V至7V的工作电压,多年来一直广泛应用于PA。硅基LDMOS技术的工作电压为28V,已经在电信领域使用了许多年,但其主要在4GHz以下频率发挥作用,在宽带应用中的使用并不广泛。相比之下,GaN的工作电压为28V至50V,具有更高的功率密度和截止频率,在MIMO应用中,可实现高整合性解决方案。
在宏基站PA应用中,GaN凭借高频、高输出功率的优势,正在逐渐取代LDMOS;在小基站中,未来一段时间内仍然以GaAs工艺为主,这是因为它具备可靠性和高性价比的优势,但随着GaN器件成本的降低和技术的提高,GaN PA有望在小基站应用中逐步拓展。
在手机端,射频前端PA还是以GaAs工艺为主,短期内还看不到GaN的机会,主要原因是成本和高电压特性,这在手机内难以接受。
如前文所述,在射频应用方面,GaN在5G和军工当中的应用前景最佳,也正是因为如此,近期,美国雷神技术(Raytheon Technologies)公司与晶圆代工厂GlobalFoundries合作,开发和商业化用于5G和6G RF的硅基氮化镓(GaN)工艺。为此,雷神公司将其专有的GaN硅技术授权给了Globalfoundries,以在佛蒙特州伯灵顿的GF Fab 9工厂开发一种新工艺。
据悉,该GaN工艺技术将在保持生产和运营成本的同时提高RF性能,从而实现5G和6G RF毫米波工作频率标准的功率水平和功率效率。

功率

在功率电子方面,用GaN制造电源转换器(简称Power GaN),是当下最热门的。过去生产相关产品,最难的部分是取得碳化硅的基板,一片6英寸的晶圆,要价高达8万元台币。
近几年,市场上开始出现将GaN堆栈在硅基板上的技术(GaN on Si)。这种技术大幅降低了化合物半导体的成本,用在生产处理数百伏特的电压转换,可以做到又小又省电。目前,市面上已经可以看到,原本便当大小的笔电电源适配器,已经能做到只有饼干大小,OPPO、联想等公司,更要把这种技术内建在高端手机和笔电里。
3月,野村证券发表了题为“A GaN Changer”的产业报告,认为未来2~3年,第三代半导体将重塑全球消费类电源市场,取代用硅制作的IGBT电源管理芯片。野村证券报告预估,2023年,这个市场产值每年将以6成以上速度增长。第三代半导体能源转换效率能达到95%以上,一旦被大幅采用,能实现很好的节能效果。
除此之外,在功率电子方面,GaN的应用也在不断创新,例如,近期,意法半导体(ST)正在开发一种将其BCD硅技术中内置的微控制器与GaN器件相结合的工艺,以实现智能电源。
据悉,这是建立在Bipolar-CMOS-DMOS(BCD)技术基础上的。BCD的开发始于35年前,它在4英寸晶圆上以4微米工艺结合了模拟,逻辑,存储器和功率组件。不久后,其第10代技术将开始以90nm工艺生产,这将导致40nm工艺与高度集成的微控制器一起用于有线和无线充电设备以及许多其他电源应用。
ST的智能电源技术研发总经理Guiseppe Croce表示:“当前一代产品使用具有相变非易失性存储器的90nm工艺,下一代产品的开发基于我们微控制器产品的40nm专有技术,但集成面临许多挑战,包括表征域之间的串扰。”
下一步的研发重点是将GaN高功率技术添加到BCD工艺中。驱动已经集成在单芯片上,但是增加微控制器的步骤意义重大。
在SiC的引领下,使用诸如宽带隙的替代半导体材料已成为主流。GaN在提高效率和电压的未来单片电源集成方面看起来很有希望,”意法半导体技术,制造和质量总裁Orio Bellezza说:“通过将GaN的优势与传统硅材料相结合,我们可以满足众多应用的需求。集成解决方案在微型BCD平台上嵌入了无芯变压器,但挑战在于高电压,其中6KV隔离是一个明显的趋势。尽管使用了介电层,但所需的层厚度却给集成带来了很大的挑战。”
他说:“智能电源存在两个主要挑战,首先是功率和模拟部分的扩展,其次是成本优化。只要解决了这两点,BCD硅技术与GaN的结合是可以实现的。”

晶圆衬底

目前,GaN晶圆主要以4英寸和6英寸为主。随着市场应用需求的增长和工艺技术的不断成熟,当下,有越来越多的厂商开发出了多种满足实际应用需求的晶圆和衬底技术。
例如,2021年3月,三菱化学透露,他们已开发出4英寸GaN单晶衬底,还在开发6英寸的产品,而且晶体缺陷仅为普通GaN衬底的1/100-1/1000,“几乎没有缺陷”。
三菱还表示,他们将于2021上半年在日本建设大规模生产线,以将4英寸GaN衬底进行商业化实验。5月18日,日本制铁所宣布,他们将在日本室兰工厂安装一条批量生产GaN单晶衬底的示范生产线,并与三菱化学共同进行示范实验。而且他们将会从明年4月开始供应4英寸GaN单晶衬底。
据悉,三菱化学的4英寸GaN衬底采用的是独特的液相生长方法——低压酸性氨热法(LPAAT),这项技术是联合日本东北大学开发的,好处是可制造大直径、高质量和低成本的GaN衬底。
近期,晶圆代工厂世界先进表示,其在GaN制程研发方面取得突破。世界先进与设备材料厂Kyma,以及转投资GaN硅基板厂Qromis合作,开发了可做到8英寸的新衬底高功率氮化镓技术 GaN-on-QST。
世界先进透露,客户对GaN-on-QST 技术的验证也有成果,有几个客户正在进行产品设计,且进度顺利,预期最快今年底、慢则明年上半年,就可小量量产。
同样是在近期,比利时的imec研究实验室展示了一种8英寸晶圆GaN工艺。imec与德国半导体设备制造商Aixtron合作,在8英寸QST衬底上生长了用于1200V应用的横向晶体管的较厚外延GaN缓冲层,其硬击穿电压超过1800V。它可以在兼容CMOS的工艺中以大批量,低成本的8英寸晶圆厂制造,与SiC器件相比,大大降低了成本。imec还在考虑从横向转移到垂直结构,可进一步降低成本,因为可以在单个晶圆上制造更多器件。
以前,GaN器件仅适合650V或800V的电压,而SiC用于高于800V和1200V的电动汽车和太阳能电池板逆变器等应用中的电压。
GaN现在可以成为20V至1200V整个工作电压范围内的首选技术。基于GaN的电源技术可在高通量CMOS晶圆厂中的较大晶圆上进行处理,与昂贵的SiC技术相比,具有明显的成本优势。
高击穿电压的关键是对复杂的外延材料堆叠的精心设计,并结合使用Qromis的IIAP程序开发的QST基板。

结语

据Yole预测,GaN射频市场将从2018年的6.45亿美元增长到2024年的20亿美元,这主要受电信基础设施和国防两个应用驱动,卫星通信、有线宽带和射频功率也做出了一定贡献。
此外,受消费者快速充电器应用推动,到2024年,GaN功率市场规模将超过3.5亿美元,CAGR为85%,有极大增长空间。
因此,在射频和功率两股应用发展推力的作用下,GaN的前景非常值得期待。
本文来源半导体观察。
 

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