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2021年第一季度以來，半導(dǎo)體行業(yè)，確切說是化合物半導(dǎo)體市場發(fā)生了一些引人注目的變化：SiC（碳化硅）、GaN（氮化鎵）和GaAs（砷化鎵）均在其中。
先進(jìn)電動(dòng)汽車車型的主逆變器、OBC和DC-DC轉(zhuǎn)換器加速導(dǎo)入SiC，特別是量產(chǎn)車型；在工業(yè)和交通應(yīng)用中SiC也在繼續(xù)滲透。
GaN快速充電器的個(gè)性化產(chǎn)品引領(lǐng)消費(fèi)應(yīng)用；還出現(xiàn)了針對數(shù)據(jù)通信、電信和汽車市場基于GaN的解決方案；GaN的投資也在繼續(xù)。
5G PA（功率放大器）從2020年上半年開始大力拉動(dòng)GaAs射頻市場。
很明顯，GaN和GaAs在應(yīng)用上有很多重疊，在一些方面GaN還是GaAs的強(qiáng)有力替代者，兩者是競爭還是和諧相處，問題有點(diǎn)復(fù)雜。
GaN兩棲作戰(zhàn)
- 功率GaN來勢洶洶
Yole技術(shù)和市場首席分析師Ezgi Dogmus博士認(rèn)為：“GaN功率器件收入預(yù)計(jì)將從2020年的不到5000萬美元增長到2026年的10億美元以上，而RF GaN市場也有望在同一時(shí)間從8.91億美元大幅增長到25億美元以上。而RF GaAs裸片市場將達(dá)到40億美元。”
隨著新進(jìn)入者爭先恐后地進(jìn)入功率GaN市場，并為RF GaN行業(yè)釋放了更多產(chǎn)能，久經(jīng)考驗(yàn)的RF GaAs細(xì)分市場能否保持其穩(wěn)固市場領(lǐng)先地位是一個(gè)疑問。不過，在2019年至2020年收入增長下降后，2020年第二季度RF GaAs開始穩(wěn)步增長，許多行業(yè)參與者充分利用了市場復(fù)蘇。
功率GaN市場變化
早在2018年，愛爾蘭的GaN半導(dǎo)體開發(fā)商N(yùn)avitas Semiconductor（納微半導(dǎo)體）就在其GaNFast智能手機(jī)快速充電器中使用了GaN功率IC，引領(lǐng)了GaN在充電頭中的爆發(fā)，2020年底以來，更多行業(yè)參與者快速跟進(jìn)。GaNFast™ 功率芯片集成了GaN器件，與傳統(tǒng)硅芯片相比，GaN運(yùn)行速度快20倍，可在體積與重量減半的情況下實(shí)現(xiàn)3倍的充電功率和速度提升，同時(shí)具有驅(qū)動(dòng)、保護(hù)和控制功能。2021年5月，Navitas宣布與美國Live Oak收購公司（Live Oak Acquisition Corp.）合并，使其成為一家以新的股票代碼在美國上市的公司。
GaN功率IC高頻下的更高效率
Yole的技術(shù)和市場分析師Ahmed Ben Slimane博士評論道：“這一行業(yè)的發(fā)展緊隨2020年上市的美國Transphorm的腳步?，F(xiàn)在Navitas正在快速向戴爾、聯(lián)想、LG和小米等公司發(fā)貨。”該公司還打算將其產(chǎn)品組合從快速充電器擴(kuò)展到數(shù)據(jù)通信、電信、電子移動(dòng)、工業(yè)、能源和其他應(yīng)用，顯示出強(qiáng)大的市場信心。
另一家值得一提的是美國的功率IC公司Power Integrations（PI），它最近發(fā)布了用于高功率密度AC-DC轉(zhuǎn)換器的MinE-CAP IC，Anker新的Nano II快速充電器已經(jīng)采用。該器件可大幅縮小輸入大容量電容的尺寸，而不會影響輸出紋波、工作效率或無需重新設(shè)計(jì)變壓器。與傳統(tǒng)技術(shù)（如極高開關(guān)頻率工作）相比，MinE-CAP可大幅縮小整體電源尺寸（40%），同時(shí)避免與極高頻設(shè)計(jì)相關(guān)的復(fù)雜EMI濾波和變壓器、箝位耗散所增加的挑戰(zhàn)，同時(shí)增加了器件中GaN的價(jià)值含量。這將有助于PI提高功率集成GaN的市場份額。
MinE-CAP IC優(yōu)化空間和轉(zhuǎn)換器運(yùn)行的組件值范圍
- 射頻GAN應(yīng)運(yùn)生長
5G電信和基礎(chǔ)設(shè)施仍然是RF GaN市場持續(xù)增長的關(guān)鍵驅(qū)動(dòng)力，高功率、高帶寬GaN組件已經(jīng)滲透到基站、遠(yuǎn)程無線電頭和MIMO有源天線系統(tǒng)。Yole估計(jì)，到2026年，這一細(xì)分市場將超過10億美元，占整個(gè)市場的42%。
RF GaN器件預(yù)期
與此同時(shí)，國防部門也在繼續(xù)推動(dòng)增長，預(yù)計(jì)到2026年，其應(yīng)用將占整個(gè)市場的48%。GaN已更廣泛用于AESA雷達(dá)機(jī)載系統(tǒng)的輕型發(fā)射/接收模塊，并部署在固定衛(wèi)星通信中。
新興應(yīng)用包括手機(jī)和移動(dòng)衛(wèi)星通信。GaN認(rèn)證的困難可能會阻礙該技術(shù)在衛(wèi)星通信中的應(yīng)用，但這種情況可能會改變。例如，歐洲航天局目前正在與空客、OMMIC等合作伙伴合作，開發(fā)用于天線的GaN功率放大器，類似項(xiàng)目將促進(jìn)GaN在空間領(lǐng)域的應(yīng)用。GaN功率放大器性能卓越，適用于電信、儀表、雷達(dá)等應(yīng)用，也可用于衛(wèi)星通信和軍事。由于PAE（功率附加效率）較高，OMMIC的GaN工藝可減少能源消耗。
OMMIC的GaN功率放大器
不過，RF GaN技術(shù)何時(shí)才能真正進(jìn)入手機(jī)還是一個(gè)問號？兩年前，意法半導(dǎo)體透露，正在開發(fā)用于手機(jī)的GaN-on-Si功率放大器，預(yù)計(jì)從2022年起，GaN功率放大器將應(yīng)用于移動(dòng)和消費(fèi)類應(yīng)用。
GaAs前景依然
GaAs供應(yīng)鏈調(diào)研顯示，IDM、Epihouse（外延公司）和代工廠在2021第1季度報(bào)告了強(qiáng)勁的收入，直接反映了市場動(dòng)態(tài)。隨著5G手機(jī)從2020第4季度在智能手機(jī)市場的滲透不斷增加，GaAs射頻市場受到強(qiáng)勁拉動(dòng)，特別是在中國，其次是亞洲、北美和歐洲。
RF GaAs方面，盡管在高功率和高頻應(yīng)用（如電信和基礎(chǔ)設(shè)施）方面面臨與GaN和SiGe（硅鍺）的競爭，RF GaAs目前仍以相當(dāng)大的優(yōu)勢占據(jù)著最大的市場份額，而且這一數(shù)字還將繼續(xù)增長。
RF GaAs片芯市場預(yù)測（百萬美元）
2020年，蘋果iPhone 12手機(jī)開始支持5G，令GaAs需求再度上升，業(yè)界久經(jīng)考驗(yàn)的復(fù)合半導(dǎo)體成為了6GHz以下頻段功率放大器的關(guān)鍵組成部分。除了推出WiFi 6和WiFi 6E的因素外，智能手機(jī)制造商的手機(jī)連接不斷推動(dòng)RF GaAs的需求。Yole預(yù)測，從現(xiàn)在起到2023年，RF GaAs市場份額將接近40億美元。不過，在電信和基礎(chǔ)設(shè)施領(lǐng)域，GaAs的市場份額預(yù)計(jì)將因GaN和SiGe等競爭技術(shù)而減少。
雖然GaAs的增長將在很大程度上依賴手機(jī)來推動(dòng)，但汽車聯(lián)網(wǎng)C-V2X技術(shù)的逐步部署將需要更多RF GaAs器件，這可能抵消競爭技術(shù)帶來的市場損失。例如，美國半導(dǎo)體制造商Qorvo的GaAs HBT（異質(zhì)結(jié)雙極型晶體管）功率放大器已開始支持美國高通公司的蜂窩車聯(lián)網(wǎng)V2X參考設(shè)計(jì)。它是唯一一款支持C-V2X的功率放大器，旨在增強(qiáng)行車安全意識，改進(jìn)高級駕駛輔助（ADAS）功能。
隨著RF GaAs需求的不斷增長，GaAs晶圓的制造能力也在不斷提高。除了WIN Semiconductor（穩(wěn)懋半導(dǎo)體）的擴(kuò)張，另一家中國臺灣的純6英寸GaAs代工廠AWSC（宏捷科技）已打算在今年年底前將產(chǎn)能從每月12000片提高到每月20000片。
關(guān)于GaAs前景，從AWSC的業(yè)務(wù)即可見一斑。
過去15年，GaAs的應(yīng)用從國防工業(yè)轉(zhuǎn)變?yōu)樯虡I(yè)應(yīng)用，如智能手機(jī)、物聯(lián)網(wǎng)（IoT）和車聯(lián)網(wǎng)（IoV），所需的技術(shù)變得越來越具有挑戰(zhàn)性。AWSC提供多種技術(shù)和專業(yè)服務(wù)，以滿足所有客戶需求。到目前為止，其其高效、低成本的各種GaAs技術(shù)和工藝包括：
- HBT：AWSC擁有3項(xiàng)HBT Epi（外延）技術(shù)，應(yīng)用包括手機(jī)2G/3G/4G/Sub-6GHz和WiFi的11ac/ax。
- ED pHEMT：通過與日本客戶的長期合作，AWSC在0.5微米ED pHEMT的基礎(chǔ)上開發(fā)出0.25微米和0.15微米E-pHEMT技術(shù)，用于LNA（低噪聲放大器）應(yīng)用。
- ED BiHEMT：結(jié)合HBT和0.25微米ED pHEMT技術(shù)，AWSC開發(fā)了0.25微米ED BiHEMT工藝，以實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量和高度集成的技術(shù)。
- 銅柱凸塊：從2017年開始向所有客戶提供背面工藝的另一個(gè)選項(xiàng)。
AWSC技術(shù)路線圖
此外，2021年3月，GaAs外延參與者中國臺灣的VPEC（全新光電）也在擴(kuò)大產(chǎn)能，在其設(shè)施中增加5-10臺MOCVD設(shè)備，以應(yīng)對不斷擴(kuò)大的業(yè)務(wù)需求。
在晶圓層面，GaAs晶圓巨頭德國Freiberger Compound Materials最近收購了一家晶圓廠，以擴(kuò)大射頻和光電子領(lǐng)域的GaAs晶圓制造能力。
以上信息足見GaAs市場成長走勢依然看好。
大興土木為哪般？
Yole化合物半導(dǎo)體和新興襯底技術(shù)和市場分析師Selsabil Sejil博士說：“從20多年前推出開始，GaN-on-SiC就一直是RF GaN行業(yè)的領(lǐng)頭羊，現(xiàn)在可與LDMOS和GaAs匹敵。”事實(shí)上，Yole的數(shù)據(jù)表明，GaN-on-SiC將從2020年的8.86億美元增長到2026年的22億美元，復(fù)合年增長率為17%。”
NXP（恩智浦）及行業(yè)合作伙伴、美國II-VI Advanced Materials和日本住友電氣設(shè)備創(chuàng)新公司都在美國建造6英寸GaN-on-SiC設(shè)施。II-VI和住友將在今年晚些時(shí)候?yàn)?a class="article-link" target="_blank" href="/tag/5G%E5%9F%BA%E7%AB%99/">5G基站大量生產(chǎn)晶圓。關(guān)鍵是，每個(gè)新的晶圓廠都為從4英寸到6英寸晶圓的重要轉(zhuǎn)變打開了大門，這將帶來制造的規(guī)模經(jīng)濟(jì)。
伴隨GaN-on-SiC的發(fā)展，被認(rèn)為不太成熟但成本低且可擴(kuò)展的GaN-on-Si也有望迅速贏得市場份額。Yole預(yù)測，GaN-on-Si將從2020年的不到500萬美元增長到2026年的1.73億美元，復(fù)合年增長率為86%。
過去幾年中，美國的Macom與ST（意法半導(dǎo)體）合作，為電信原始設(shè)備制造商開發(fā)GaN-on-Si，而法國的OMMIC代工廠則為毫米波應(yīng)用提供GaN-on-Si工藝。
Raytheon最近與GlobalFoundries聯(lián)手，開發(fā)并商業(yè)化GaN-on-Si半導(dǎo)體，用于國防、5G/6G移動(dòng)和無線基礎(chǔ)設(shè)施，以及未來的電信和手機(jī)應(yīng)用。隨著消費(fèi)類移動(dòng)應(yīng)用領(lǐng)域出現(xiàn)新的商機(jī)，許多代工廠也在研究RF應(yīng)用的GaN-on-Si技術(shù)。
功率GaN應(yīng)用市場繼續(xù)活躍。ST也在擴(kuò)大其在功率市場的影響力，在2020年收購法國了GaN-on-Si功率器件制造商Exagan的多數(shù)股權(quán)，又與臺積電（TSMC）合作發(fā)布了集成GaN器件，瞄準(zhǔn)消費(fèi)和汽車應(yīng)用。ST還與雷諾集團(tuán)合作，開發(fā)用于電動(dòng)和混合動(dòng)力汽車的GaN和SiC功率半導(dǎo)體。
在這一過程中，EPC、Transphorm、GaN Systems和Infineon都在電信和數(shù)據(jù)通信市場贏得了設(shè)計(jì)導(dǎo)入，EPC還為苛刻的空間應(yīng)用提供了抗輻射GaN器件。其中多數(shù)公司還推出了汽車市場認(rèn)證的GaN場效應(yīng)晶體管。
功率GaN市場顯然進(jìn)入了增長的軌道。雖然Navitas和Power Integrations目前占整個(gè)GaN功率器件市場的50%以上，但隨著越來越多的參與者進(jìn)入市場，預(yù)計(jì)會發(fā)生很大變化。
中國的Innoscience（英諾賽科）就是一個(gè)很好的例子。憑借其8英寸GaN-on-Si晶圓廠，這家IDM目前的月產(chǎn)能為4000片晶圓，在其新蘇州工廠完工后這一數(shù)字將大幅提高到每月65000片。這是電源GaN市場增長的另一個(gè)跡象。
技術(shù)如何選擇？
RF GaN IDM，尤其是Qorvo，在新興5G基礎(chǔ)設(shè)施市場上不斷贏得新的設(shè)計(jì)導(dǎo)入，5G電信基礎(chǔ)設(shè)施已成為其RF GaN的殺手級應(yīng)用之一，預(yù)計(jì)GaN在未來幾年也將進(jìn)入5G手機(jī)市場。
通常認(rèn)為，功率電子包括汽車要用SiC，數(shù)據(jù)通信、電信和汽車市場用GaN，5G PA用GaAs。另一種說法是：功率電子應(yīng)用用SiC和GaN，RF應(yīng)用用GaAs和GaN。都對，但要看具體要求。
- GaAs：熔點(diǎn)1238℃，600℃以下能在空氣中穩(wěn)定存在，能隙1.4電子伏特，且不被非氧化性的酸侵蝕。它是一種Ⅲ－Ⅴ族化合物半導(dǎo)體，兼具多方面優(yōu)點(diǎn)，但用它制作的晶體三極管放大倍數(shù)小，導(dǎo)熱性差，不適宜制作大功率器件。雖然GaAs具有優(yōu)越的性能，但由于會在高溫下分解，生產(chǎn)高純的單晶材料技術(shù)要求比較高。
- GaN：氮和鎵的化合物，是一種直接能隙（direct bandgap）半導(dǎo)體，硬度很高，1990年起用在發(fā)光二極管中。GaN的能隙很寬，為3.4電子伏特，可以用在高功率、高速光電元件，如紫光激光二極管。
GaN器件的功率密度比GaAs高10倍，因此可以提供更大的帶寬、更高的放大器增益，減小器件尺寸，提高效率。
GaN場效應(yīng)管工作電壓比同類GaAs器件高5倍，可在更高電壓下工作，因此設(shè)計(jì)人員可以更方便地在窄帶放大器設(shè)計(jì)上實(shí)現(xiàn)阻抗匹配，使從器件到負(fù)載的功率傳輸最大化。此外，GaN場效應(yīng)管的電流比GaAs器件高2倍，本征帶寬能力更高，可以在非常狹小的空間內(nèi)散發(fā)熱量，形成高熱通量。
未來繁榮可期
在高舉高打的功率GaN、RF GaN沖擊之下，久經(jīng)考驗(yàn)的RF GaAs細(xì)分市場能否保持其充足的市場領(lǐng)先地位？答案是：應(yīng)用市場五花八門，前景依然，GaAs和GaN生產(chǎn)商和代工廠擴(kuò)大產(chǎn)能就是為了滿足不斷增長的市場需求。
正如Yole所說，無論是功率GaN、RF GaN還是射頻GaAs市場，由于不斷增長的電信和智能手機(jī)市場、始終穩(wěn)定的國防領(lǐng)域以及新興的汽車應(yīng)用，未來都將是一個(gè)繁榮時(shí)期。
