氮化鎵在射頻電子中的應(yīng)用

近年來，因?yàn)?5G 的應(yīng)用，大家對(duì)射頻氮化鎵的關(guān)注度日益提升。

Qorvo 方面也認(rèn)為，GaN 非常適合提供毫米波領(lǐng)域所需的高頻率和寬帶寬。它可以滿足性能和小尺寸要求，如下圖所示。使用毫米波頻段的應(yīng)用需要高度定向的波束形成技術(shù)(波束形成將無線電信號(hào)聚焦成強(qiáng)指向性的波束，從而提高功率并最大限度地減少用戶設(shè)備上的干擾)。這意味著 RF 子系統(tǒng)將需要大量有源元件來驅(qū)動(dòng)相對(duì)緊湊的孔徑。GaN 非常適合這些應(yīng)用，因?yàn)橐孕》庋b尺寸提供強(qiáng)大性能是其最顯著的特點(diǎn)之一。

而根據(jù)國際知名分析機(jī)構(gòu) Yole 在 6 月初的一份報(bào)告，氮化鎵射頻產(chǎn)業(yè)始于碳化硅基氮化鎵技術(shù)。Yole 進(jìn)一步指出，碳化硅基氮化鎵技術(shù)于 20 年前問世，如今已在射頻功率應(yīng)用領(lǐng)域成為 LDMOS 和砷化鎵的主要競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手。

據(jù) Yole 介紹，除了在雷達(dá)中的深度滲透，碳化硅基氮化鎵也一直是電信 OEM 的選擇，如華為、諾基亞和三星都在其 5G 大規(guī)模 MIMO 基礎(chǔ)設(shè)施中選用了這項(xiàng)技術(shù)。碳化硅基氮化鎵技術(shù)的高帶寬和高效率使之在 5G 市場(chǎng)上不斷搶占 LDMOS 的份額，而且 6 英寸晶圓平臺(tái)過渡帶給它的益處也開始顯現(xiàn)。

在此背景下，Yole 預(yù)測(cè)，碳化硅基氮化鎵器件市場(chǎng)在 2020 到 2026 間將以 17% 的 CAGR 增長，預(yù)期整體規(guī)模在 2026 年將達(dá)到 22 億美元以上。

在射頻氮化鎵市場(chǎng)，除了碳化硅基氮化鎵以外，硅基氮化鎵也是另一個(gè)選擇。

Yole 專門從事化合物半導(dǎo)體與新興基板業(yè)務(wù)的技術(shù)與市場(chǎng)分析師 Poshun Chiu 也指出，作為關(guān)鍵的挑戰(zhàn)者，硅基氮化鎵仍具有競(jìng)爭(zhēng)力，有望帶來具有成本效益和可擴(kuò)展性的解決方案。他同時(shí)強(qiáng)調(diào)，盡管硅基氮化鎵 PA 在 2021 年第二季度其市場(chǎng)體量還很小，但其大帶寬和小尺寸的優(yōu)勢(shì)吸引了多家智能手機(jī) OEM。隨著創(chuàng)新型競(jìng)爭(zhēng)企業(yè)的重大技術(shù)進(jìn)步，這項(xiàng)技術(shù)可能很快就會(huì)在一些低于 sub-6GHz 5G 手機(jī)中被采用。這無疑將標(biāo)志著硅基氮化鎵射頻產(chǎn)業(yè)的一個(gè)里程碑。

據(jù) Yole 的數(shù)據(jù)預(yù)測(cè)，近期代工廠的加入以及與新興功率電子硅基氮化鎵產(chǎn)業(yè)的協(xié)同效應(yīng)也有助于硅基氮化鎵射頻保持長期發(fā)展勢(shì)頭。在手機(jī)以及國防和 5G 電信基礎(chǔ)設(shè)施應(yīng)用的推動(dòng)下，在 2020 到 2026 年間，硅基氮化鎵器件市場(chǎng)將以 86% 的 CAGR 增長，預(yù)期規(guī)模將在 2026 年達(dá)到 1.73 億美元。

Yole 進(jìn)一步指出，整個(gè) GAN RF 市場(chǎng)的價(jià)值在 2020 年已達(dá)到 8.91 億美元。在 2020 到 2026 年間，年復(fù)合增長率會(huì)高達(dá) 18%。從市場(chǎng)上看，GaN RF 器件市場(chǎng)將由 5G 電信基礎(chǔ)設(shè)施和國防應(yīng)用主導(dǎo)，截至 2026 年這兩者在整個(gè)市場(chǎng)中所占份額將分別為 41% 和 49%。他們同時(shí)強(qiáng)調(diào)，在 5G 電信和國防領(lǐng)域的推動(dòng)下，Gan-on-SiC 技術(shù)在高功率密度和導(dǎo)熱性方面仍然更受青睞。

針對(duì)這兩種不同的氮化鎵產(chǎn)品，Qorvo 無線基礎(chǔ)設(shè)施及國防產(chǎn)品高性能解決方案事業(yè)部總經(jīng)理 Roger Hall 在早些年接受《微波雜志》采訪的時(shí)候，也發(fā)表過他的觀點(diǎn)。

Roger Hall 強(qiáng)調(diào)，Qorvo 并不反對(duì)硅基氮化鎵，但是公司更傾向于碳化硅基氮化鎵是將來的發(fā)展方向。因?yàn)楣鞠嘈艑砣绻a(chǎn)量上去的話，成本是能夠降下來的。

此外，Roger Hall 表示，考慮成本時(shí)不應(yīng)只考慮 GaN 自身的成本，而應(yīng)考慮包含 GaN 的模塊或子系統(tǒng)的總成本，包括裸片、封裝、測(cè)試、配套組件、集成等。因?yàn)榇蠖鄶?shù)產(chǎn)品都是集成式的模塊，而不是單獨(dú)的東西。

“所以我們覺得整體成本是多個(gè)元件加起來的成本。如果這樣算，我們認(rèn)為碳化硅基氮化鎵的總成本還會(huì)降低，而且它在效率還有技術(shù)性能方面也都非常優(yōu)異，相對(duì)于硅基氮化鎵，散熱性能也更好，效率就會(huì)因此變得更高。這對(duì)于用戶來說是非常有價(jià)值的。另外碳化硅基氮化鎵的尺寸也更小，節(jié)約了系統(tǒng)空間?！盧oger Hall 接著說。

作為領(lǐng)先的射頻方案供應(yīng)商，Qorvo 在氮化鎵方面也有廣泛的布局。

據(jù) Qorvo FAE 經(jīng)理荀穎在 Semicon China 2020 同期功率及化合物半導(dǎo)體國際論壇 2020 上介紹，從工藝的角度來看，目前，Qorvo 可以提供從 90 納米到 0.56 微米的氮化鎵制造工藝。以高電壓低頻率范圍舉例，Qorvo 的 0.25μm 高壓技術(shù)(即 QGaN25HV)開始發(fā)揮作用。QGaN25HV 使我們能夠通過 0.25μm 器件升高至 48V，實(shí)現(xiàn)高增益和功率效率。QGaN25HV 非常適合邁向 6GHz 的 5G 基站。