5G催生第三代半导体材料利好，GaN将脱颖而出
发布时间：2018-11-6 10:01
发布者：eechina
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来源：拓墣产业研究院 相较目前主流的硅晶圆(Si)，第三代半导体材料SiC与GaN(氮化镓)具备耐高电压特色，并有耐高温与适合在高频环境下优势，其可使芯片面积大幅减少，并简化周边电路设计，达成减少模块、系统周边零组件及冷却系统体积目标，GaN应用范围包括射频、半导体照明、激光器等领域。 现行GaN功率元件以GaN-on-SiC及GaN-on-Si两种晶圆进行制造，其中GaN-on-SiC强调适合应用在高温、高频的操作环境，因此在散热性能上具优势，其以5G基地台应用最多，预期SiC基板未来在5G商用带动下，具有庞大市场商机。 5G高频特性，使GaN技术有伸展空间 目前基地台用功率放大器(Power Amplifier，PA)主要为基于硅的横向扩散金属氧化物半导体(Laterally Diffused Metal Oxide Semiconductor，LDMOS)技术，不过LDMOS技术仅适用于低频段，在高频应用领域存在局限性。 由于LDMOS功率放大器的频宽会随着频率增加而大幅减少，运用于3.5GHz频段的LDMOS制程已接近限制，性能开始出现下滑，在考虑5G商用频段朝更高频段发展下，过去LDMOS将逐渐难以符合性能要求，因此第三代半导体材料GaN技术崛起；由于GaN技术支援更高资料容量之多资料传输，同时搭配5G高速网络，不论在频宽、性能、容量、成本间可做出最佳成效。 换言之，GaN优势在于更高功率密度及更高截止频率(Cutoff Frequency，输出讯号功率超出或低于传导频率时输出讯号功率的频率)，尤其在5G多输入多输出(Massive MIMO)应用中，可实现高整合性解决方案，例如模块化射频前端元件，以毫米波(Millimeter Wave，mmWave)应用为例，GaN高功率密度特性可有效减少收发通道数及尺寸，实现高性能目标，然短期LDMOS会与GaN共存，主要原因在于低频应用仍会采用LDMOS，例如2GHz以下应用领域。 5G基地台的功率放大器将以砷化镓与GaN制程为主 从Qorvo产品应用来看，采用GaN技术将天线阵列功耗降低40%，透过整合式多通道模块、3～6GHz及28/39GHz频段在射频前端产品的布局，更加强调高性能、低功耗、高整合度、高易用性等目标达成。 其中GaN可达LDMOS原始功率密度4倍，每单位面积功率提高4～6倍，即在相同发射功率规格下，GaN裸片尺寸为LDMOS裸片尺寸的1/6～1/4。由于GaN具有更高功率密度特性，能实现更小元件封装，满足Massive MIMO和主动天线单元(Active Antenna Unit，AAU)技术下射频前端高度整合需求。 目前GaN运用以5G基础设施(如基地台)为主，手机较难采用GaN技术，主要挑战包括：(1)GaN成本高；(2)GaN供电电压高；较不符合手机需求，不过若未来透过改进GaN射频元件特性，仍有可能应用于手机，例如加入新的绝缘介质与沟道材料，使其适应低电压工作环境。无论如何，GaN已成为高频、大功耗应用技术首选，包括需高功率水平的传输讯号或长距离应用，例如基地台收发器、雷达、卫星通信等。 |
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