半導(dǎo)體行業(yè)在摩爾定律的“魔咒”下已經(jīng)狂奔了50多年,一路上挾風(fēng)帶雨的,好不風(fēng)光。不過隨著半導(dǎo)體工藝的特征尺寸日益逼近理論極限,摩爾定律對半導(dǎo)體行業(yè)的加速度已經(jīng)明顯放緩,為獲得更細(xì)小“線寬”的投資,未必能夠帶來更劃算的收益。
所以未來半導(dǎo)體技術(shù)的提升,除了進(jìn)一步榨取摩爾定律在制造工藝上最后一點(diǎn)“剩余價(jià)值”外,尋找硅(Si)以外新一代的半導(dǎo)體材料,也就成了一個(gè)重要方向。在這個(gè)過程中,氮化鎵(GaN)近年來作為一個(gè)高頻詞匯,進(jìn)入了人們的視野。
GaN和SiC同屬于第三代高大禁帶寬度的半導(dǎo)體材料,和第一代的Si以及第二代的GaAs等前輩相比,其在特性上優(yōu)勢突出(見表1)。表中這些貌似高深的參數(shù),最終會(huì)給半導(dǎo)體器件性能帶來哪些直接影響,我們不妨“翻譯”一下。
由于禁帶寬度大、導(dǎo)熱率高,GaN器件可在200℃以上的高溫下工作,能夠承載更高的能量密度,可靠性更高;較大禁帶寬度和絕緣破壞電場,使得器件導(dǎo)通電阻減少,有利與提升器件整體的能效;電子飽和速度快,以及較高的載流子遷移率,可讓器件高速地工作。
因此,利用GaN人們可以獲得具有更大帶寬、更高放大器增益、更高能效、尺寸更小的半導(dǎo)體器件,這與半導(dǎo)體行業(yè)一貫的“調(diào)性”是吻合的。
表1,不同半導(dǎo)體材料特性對比
與GaN相比,實(shí)際上同為第三代半導(dǎo)體材料的SiC的應(yīng)用研究起步更早,而之所以GaN近年來更為搶眼,主要的原因有兩點(diǎn)。
首先,GaN在降低成本方面顯示出了更強(qiáng)的潛力,目前主流的GaN技術(shù)廠商都在研發(fā)以Si為襯底的GaN的器件,以替代昂貴的SiC襯底。有分析預(yù)測到2019年GaN MOSFET的成本將與傳統(tǒng)的 Si器件相當(dāng),屆時(shí)很可能出現(xiàn)一個(gè)市場拐點(diǎn)。
其次,由于GaN器件是個(gè)平面器件,與現(xiàn)有的Si半導(dǎo)體工藝兼容性強(qiáng),這使其更容易與其他半導(dǎo)體器件集成,比如有廠商已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了驅(qū)動(dòng)IC和GaN開關(guān)管的集成,進(jìn)一步降低用戶的使用門檻。
正是基于GaN的上述特性,越來越多的人看好其發(fā)展的后勢。特別是在幾個(gè)關(guān)鍵市場中,GaN都表現(xiàn)出了相當(dāng)?shù)臐B透力。
射頻(RF)領(lǐng)域?qū)⑹荊aN的主戰(zhàn)場。有分析指出,與目前在RF領(lǐng)域占統(tǒng)治地位的LDMOS器件相比,采用0.25微米工藝的GaN器件頻率可高達(dá)其4倍,帶寬可增加20%,功率密度可達(dá)6-8W/mm(LDMOS為1~2W/mm),且無故障工作時(shí)間可達(dá)100萬小時(shí),更耐用,綜合性能優(yōu)勢明顯。5G的商用無疑會(huì)是GaN在射頻市場發(fā)展的一個(gè)驅(qū)動(dòng)力。
根據(jù)市場研究機(jī)構(gòu)Yole的預(yù)測,受5G網(wǎng)絡(luò)部署的拉動(dòng),全球RF功率器件市場在2016年到2022年間將增長75%,年復(fù)合增長率達(dá)到9.8%;GaN將在未來5~10年成為3W以上RF功率應(yīng)用的主流技術(shù),而LDMOS的整體市場規(guī)模將下降到15%以下。
與此同時(shí),我們會(huì)發(fā)現(xiàn),在其他RF領(lǐng)域,也都會(huì)有GaN的身影,作為重要的升級(jí)換代技術(shù),向原有的半導(dǎo)體器件發(fā)起挑戰(zhàn)(詳見表2)。從表2中可以看出,除了雷達(dá)等性能敏感型的應(yīng)用,低成本的Si基GaN都有涉足,無疑會(huì)成為GaN開疆?dāng)U土的“功臣”。
在電力電子領(lǐng)域,GaN也找到了自己的位置。通常大家認(rèn)為,由于材料特性的差異,SiC適用于高于1200V以上的高電壓大功率應(yīng)用,而GaN器件更適合于40-1200V的高頻應(yīng)用,GaN 在 600V/3KW 以下的應(yīng)用場合更占優(yōu)勢,在微型逆變器、伺服器、馬達(dá)驅(qū)動(dòng)、UPS等領(lǐng)域與傳統(tǒng)的MOSFET或IGBT展開競爭,讓電源產(chǎn)品更為輕薄、高效。
而GaN的這個(gè)定位也更有利于其向消費(fèi)類市場的滲透,這后面的市場空間就更為可觀了。
同時(shí),也有人看好GaN單晶襯底在光電子領(lǐng)域的應(yīng)用,比如在激光顯示方面的應(yīng)用前景,認(rèn)為這會(huì)與VR/AR等新興行業(yè)形成互動(dòng),開辟出新的應(yīng)用領(lǐng)域。
如果我們將半導(dǎo)體技術(shù)的發(fā)展看做是一臺(tái)大戲,與目前絕對的主角Si材料這樣的“老戲骨”相比,GaN還是一個(gè)初出茅驢的“小鮮肉”,但是TA在自己的“戲碼”中,已經(jīng)逐漸挑起了大梁,扮演著當(dāng)仁不讓的角色,未來GaN的市場“吸粉”能力不容小覷。當(dāng)前,各個(gè)“玩家”圍繞GaN的卡位和布局已經(jīng)展開,好戲還在后頭。
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GaN
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原文標(biāo)題:飆戲半導(dǎo)體界老戲骨,GaN是不是還嫩了點(diǎn)?
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