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氮化镓发展评估

2017-04-24 12:34:45 来源:n
作者:Mark Murphy MACOM 射频能源市场部
 
从研发到商业化应用,氮化镓的发展是当下的颠覆性技术创新,其影响波及了现今整个微波和射频行业。氮化镓对众多射频应用的系统性能、尺寸及重量产生了明确而深刻的影响,并实现了利用传统半导体技术无法实现的系统级解决方案,其市场潜力刚刚开始被关注。
 
氮化镓如今被定位成涵盖了从无线基站到射频能量等商业射频领域的主流应用,它从一项高深的技术发展为市场的中流砥柱,这一发展历程融合了多种因素,是其一致发挥作用的结果。氮化镓的性能优势曾经一度因高成本而被抵消,最近,其凭借在硅基氮化镓技术、供应链优化、器件封装技术以及制造效率方面的突出进步成功脱颖而出,成为大多数射频应用中可替代砷化镓和 LDMOS 的最具成本竞争优势的材料。
 
形成阶段
 
大约20多年前,美国国防部曾通过的微波/毫米波单片集成电路 (MIMIC) 和微波模拟前端技术 (MAFET) 计划在开发基于砷化镓的 MMIC 中扮演着关键的角色。与此同时,美国国防部还通过了高级研究计划局 (DARPA) 的宽带隙半导体技术 (WBST) 计划,该计划在氮化镓的早期开发中发挥了积极的推动作用。该项计划于 2001 年正式启动,力求满足军方对小型高功率射频器件的需求,WBST 计划在一定程度上依托早期氮化镓在蓝光 LED 照明应用中的成功经验。
 
为了快速跟踪氮化镓在军事系统中的应用,WBST 计划特准计划参与方深耕 MMIC 制造工艺,以制造出可预测性能特性和故障率的可复制氮化镓器件。相比之前的 MIMIC 和 MAFET 计划,WBST 计划严重倾向于军事应用,不计成本地追求所需性能,但是,随着化合物半导体提供商不断完善其生产工艺,计划最终可以确保政府获得性能更高,成本更加低廉的射频元件。
 
无线手机消费需求的激增加速了砷化镓成为主流商业应用的步伐,这强有力地助推了规模经济。化合物半导体提供商斥资数亿美元修建了大规模的砷化镓制造厂,引领行业建立起稳健、可靠和可扩展的砷化镓供应链,并由此实现了砷化镓从专业化的军事技术向商业支柱技术的转化。
 
有线电视 (CATV) 运营商希望在增加带宽的同时,通过提高能源效率来降低运营成本,从而推动了氮化镓率先在有线电视行业开展商业应用。尽管与砷化镓相比,碳化硅基氮化镓的价格更高,但有线电视基础设施的成本压力要比无线手机小得多,而且节省的运营成本可以超过增加的购置成本。但是,商业 CATV 市场的体量优势会被碳化硅基氮化镓愈发陡峭的价格侵蚀曲线所抵消,市场在积极地开发其廉价替代品[1]。
 
通过早期的 CATV 应用,碳化硅基氮化镓和硅基氮化镓之间的性能差距已经显著缩小,所产生的经济高效的硅基氮化镓功率晶体管如今已与碳化硅基氮化镓具有同样的电源效率和热特性。
 
在无线基站市场,该性能使得氮化镓可以撼动 LDMOS 在基站功率放大器领域几十年来的主导地位,并对基站性能和运营成本产生了深远的影响。氮化镓提供的显著技术优势(包括能源效率更高、带宽更宽、功率密度更大和外形因子更小)使之以 LDMOS 天然替代者的身份来服务于下一代基站,尤其是 1.8GHz 以上的手机频段,无线基站如图1所示。
 
无线基站
 
性能优势
  
在评估氮化镓的技术轨迹和市场潜力时,必须充分肯定其基线技术优点,这也是将其与传统半导体技术区分开来的优势。
 
就砷化镓 (GaAs) 和 LDMOS 而言,它们的性能特性(以功率、效率、带宽及热稳定性来衡量)都足以满足其目标应用。而在其最明显的缺陷当中,值得一提的是,砷化镓只能提供有限的功率输出(低于 50W),而 LDMOS 受限于较低频率(低于 3GHz)。
 
正当砷化镓和 LDMOS 在功率和频率上显现出缺憾之时,氮化镓却在这两个指标上彰显出了卓越的性能,同时,它还具备某些附加的技术优势。氮化镓的原始功率密度比当前砷化镓和 LDMOS 技术的高很多,且支持将器件技术扩展到高频应用。氮化镓技术允许器件设计师在保持高频率(比 LDMOS 的频率高出 10% 以上)的同时实现宽带宽。如果加以适当利用,这种频效差量能够在系统层面上对商业应用产生巨大的影响。
 
成本竞争
 
如今,氮化镓的性能优势在射频和微波行业众所周知。但是氮化镓的历史成本结构决定了它成本不菲,这减慢了其成为主流应用的速度。
 
然而,这种情况将不再持续,客户对氮化镓的看法和期望正不断调整演变。考虑到固有的功率密度优势和向 8 英尺基底扩展的可能性,第四代氮化镓(如图2)有望制造出在绝对 $/W 上比 LDMOS 更具成本效益的基于氮化镓的器件,更不用说其在系统层面上的优势;在量产层面上,第四代氮化镓能够提供比性能相仿但更加昂贵的碳化硅基氮化镓晶圆低得多的成本。更重要的是,行业发展已为硅基氮化镓在商业化规模量产、库存维护、适应需求激增等方面打下了坚实的基础,缓解了供应短缺的担忧。只要碳化硅基氮化镓继续依赖耗时、高成本的制造工艺,这种担扰就将持续下去。
 
氮化镓技术路线图和氮化镓供应链的并行优势实现了氮化镓加速向商业领域渗透所需的制造规模和成本结构。针对客户基于性能和成本的指标来评价氮化镓适用性的情况,第四代氮化镓在模式上做出了较大的改变。
 
封装和生产效率
 
对氮化镓封装的选择是其价值定位的一个重要组成部分,这也对产品的性能、成本和生产效率都产生了影响。
 
鉴于氮化镓器件必须严密封装,因此,陶瓷仍然是氮化镓器件的封装首选,这样可以确保氮化镓器件长期稳定运行。陶瓷封装氮化镓器件还能够适应高功耗水平。不过,利用陶瓷封装氮化镓组件的明显缺点是较高的封装成本和繁琐的组装过程。这种额外地借助人工带来了相当大的额外成本。
 
随着塑料封装氮化镓功率晶体管的引入,氮化镓器件市场发生了巨变;塑料封装氮化镓器件可以成为陶瓷封装氮化镓器件经济高效的替代品,并成为实现新一代高功率超小型功率模块的关键所在。塑料封装、大功率氮化镓器件使设计人员能够采用传统的表面贴装生产方法及其相关的生产效率。这样,采用塑料封装氮化镓进一步助推了供应链成本的下降。
 
射频能量的潜力
  
氮化镓的性能结合硅成本结构将加速射频领域的创新,为市场打开新的商机。其中,最主要的将是射频能量应用,射频能量应用采用可控的电磁辐射来加热物品或为各种工序提供动能。现阶段,这种能量一般由磁控管产生。而将来会由全固态射频半导体链产生。
 
固态射频能量具有诸多其他解决方案不具备的优势:低电压驱动、半导体式可靠性、较小外形因子及“全固态电子”的占用空间。固态射频能量最引人注目的特性,尤其是其快速的频率、相位、功率捷变,辅之以超高的精度。总体而言,这些技术特性产生了前所未有的过程控制范围,甚至是能量分配,以及对不断变化的负载条件的快速适配。
 
经证实,射频能量是一种高效、精确的热源和电源,可进行广泛的商业应用,例如:微波炉、汽车点火、照明系统,以及包括射频等离子照明、材料干燥、血液和组织的加热和消融等在内的工业、科学和医疗 (ISM) 领域的应用。支持这些系统的射频器件必须达到性能、电源效率、精小外形和可靠性的最佳平衡,且价位适合进行主流商业推广,硅基氮化镓正是理想之选。凭借高达 300W 的功率输出能力和坚固的塑料封装,第四代氮化镓功率晶体管无疑已成为具有高成本效益的可信赖解决方案。
 
市场的指数级增长
 
在短期内,无线基站市场将继续推动氮化镓市场的显著增长。当前出现的另一个商机是氮化镓已逐渐成为射频能量领域的主流应用。
 
射频能量应用的整个目标市场范围非常庞大。拿微波炉市场为例, 每年全球微波炉的销量在7000万台以上。消费品微波炉的传输功率范围大致在 600W 与 1500W 之间,微波炉的总射频功率需求范围为 42GW 至 105GW。按照目前主流的半导体价格结构,对应的微波炉市场盈利空间大致为 40 至 90 亿美元。
 
自从 DARPA 提出 WBST 计划以来,氮化镓已经走过了较长的发展历程,现在已成为微波和射频行业的前沿。它的成本结构已经与传统半导体技术持平,当两种竞争性技术成本相同的时候,性能高者将主宰市场。

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