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5G催生第三代半導體材料,GaN將脫穎而出
發布時間:2018-11-07
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  相較目前主流的矽晶圓(Si),第三代半導體材料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、半導體照明、激光器等领域。
  
  
  現行GaN功率元件以GaN-on-SiC及GaN-on-Si兩種晶圓進行制造,其中GaN-on-SiC強調適合應用在高溫、高頻的操作環境,因此在散熱性能上具優勢,其以5G基地台應用最多,預期SiC基板未來在5G商用帶動下,具有龐大市場商機。
  
  5G高頻特性,使GaN技術有伸展空間
  
  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導體(Laterally Diffused Metal Oxide Semiconductor,LDMOS)技术,不过LDMOS技术仅适用于低频段,在高频應用領域存在局限性。
  
  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,因此第三代半導體材料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以下應用領域。
  
  5G基地台的功率放大器將以砷化镓與GaN制程爲主
  
  從Qorvo産品應用來看,采用GaN技術將天線陣列功耗降低40%,透過整合式多通道模塊、3~6GHz及28/39GHz頻段在射頻前端産品的布局,更加強調高性能、低功耗、高整合度、高易用性等目標達成。
  
  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運用以5G基礎設施(如基地台)爲主,手機較難采用GaN技術,主要挑戰包括:(1)GaN成本高;(2)GaN供電電壓高;較不符合手機需求,不過若未來透過改進GaN射頻元件特性,仍有可能應用于手機,例如加入新的絕緣介質與溝道材料,使其適應低電壓工作環境。無論如何,GaN已成爲高頻、大功耗應用技術首選,包括需高功率水平的傳輸訊號或長距離應用,例如基地台收發器、雷達、衛星通信等。