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5G及新兴应用驱动GaN/SiC功率半导体发展

宽带通信成为近年来移动设备的必备技术,而随着应用领域的渐深渐广,目前的4G通信标准将逐渐不再使用,在市场驱动下,5G标准的制定已积极展开,预计2020年,市场将出现商业化应用,高速传输对移动设备带来严峻挑战,新时代的移动设备需要满足更高的温度、功率、电压、性能与抗辐射需求,就目前技术来看,具备宽能带、高饱和速度、 高导热性和高击穿电场强度等特色的化合物半导体碳化硅 (SiC)、氮化镓 (GaN) 无疑是市场上高温、高频及高功率组件材料的最佳产品,根据Yole Development的研究指出,2013年至 2022年,SiC功率半导体市场年均复合将达 38%,而 2016 年至 2020 年 GaN 射频组件市场复合年增长率将达到4%,因此,如何积极应对此一趋势, 善用本身优势布局市场,将是半导体产业这几年的重要课题。

 

奠基4G的基础,以及新兴应用对于移动网络低延迟、高传输速率的需求,5G移动通信技术在全球业者的期待之下,加速发展中。随着2018年标准底定时间越来越接近,相关半导体厂商、网通设备商,以及其他相关业者,对5G技术架构的了解有越来清晰的轮廓。

 

5G移动技术的发展也为半导体产业带来新的发展前景与技术挑战。其中,由于5G移动通信技术有部份将采用较高频段以实现高速传输,以及超低延迟能力,同时,却不能因5G使用超高频段而使得基地台或移动装置的功耗升高,也因此,高效能功率与化合物半导体元件——氮化镓(GaN)、碳化硅(SiC)、砷化镓(GaAs)—在5G技术相关终端产品发展历程中,不仅将扮演重要角色,其市场发展也可因受惠5G市场而有巨大的成长契机。

 

举例来说,移动装置与基地台不可或缺的射频(RF)与电源功率元件,为了满足省电、小尺寸及更高效能的需求,自4G技术开始发展时,砷化镓、氮化镓、碳化硅等RF功率放大器(Power Amplifier,PA)即已开始崭露头角,而随着5G的技术不断发展,未来功率表现更佳的氮化镓将可望成为市场主流。

 

众所周知,氮化镓及砷化镓功率半导体相较于传统的硅(Si)功率半导体具备诸多优势,如开关速度快、电流损耗低、功率密度更高…等,还有诸多特性是硅功率半导体难以望其项背,唯独成本仍落后硅功率半导体较多距离。但在相关材料、制程设备与技术相关业者共同努力下,相信未来氮化镓、砷化镓功率半导体能够在制程技术上有新进展。

 

不仅如此,在5G应用之外,包括太阳能逆变器、电动车…等,氮化镓及碳化硅功率元件也已成为相关厂商注目的焦点。根据Yole Développement针对碳化硅功率元件所做的预测,至2022年,在新兴应用驱动下,碳化硅元件整体市场规模将成长至10亿美元以上,2020~2022年间的年复合成长率(CAGR)可达40%。另一方面,日本富士经济(Fuji Keizai)的调查亦显示,到2020年全球功率半导体的市场规模33,009亿日圆,其中,氮化镓、碳化硅等新一代功率半导体增长率较其他功率半导体高,销售额可望达到1,665亿日圆。

 

持续精进的化合物半导体技术

络达科技技术长林珩之博士就指出,与过去的通信标准相较,5G在大幅强化传输速度、容量的同时,功耗不至于同步提升,为达成此一目标,通信设备的内部设计也必须进化,在传统的蜂巢式通信网络中,功率放大器(PA)往往是设备中功耗最大的组件,因此要解决此一问题,必须由PA着手。

 

而要解决5G PA的功耗问题,林珩之博士表示除了从电路优化设计着手,还必须将网络系统、数据芯片、PA架构、PA设备同时考虑进去,至于在5G功率放大器的制程选择,CMOS与GaAs/GaN谁会胜出? 林珩之博士以方式指出,在Breakdown voltage、Power handling、Through wafer via、Substrate loss等部分,GaAs/GaN具有优势,至于在自行检测能力、复杂偏压电路设计、信号处理能力、整合性、配置弹性、低供电电压能力方面,则是CMOS胜出,因此他认为在5G乃至于6G与毫米波的基地台设计 ,由于性能是主要考虑,GaAa/GaN仍会继续存在,而以成本考虑为主的物联网设备,具低耗电与低价设备特色的CMOS,将比GaAa/GaN更有机会,手持式装置部分,小于6GHz的设备,仍会采用GaAs/GaN或是CMOS GaAs的复合式架构,至于毫米波市场,CMOS有可能全拿。

 

联钧光电竹科分公司总经理林昆泉博士,则针对GaN的磊晶晶圆制程提出相关看法,他指出在高耐热性、高击穿电压、高电子饱和度与高电流密度的电子产品设计需求中,GaN制成的半导体可在高频运作下,提供高功率输出,因此在新一代的应用如汽车电子、电力管理系统、工业照明、便携式电子装置、通信设备与消费性电子产品中,会有相当高的发展潜力。

 

林昆泉表示硅功率组件上的GaN未来将采用硅制程,在6寸硅晶圆片的每片芯片上,都含有上万颗的LED芯片,一般业界并不会不关心其颗粒数,但对于大芯片尺寸的功率器件来说,每片芯片只有不到千个芯片,而产量与晶粒数量有关,在这部分就会需要用创新的技术来解决晶圆的颗粒。

 

林昆泉指出,目前MOCVD设备的长晶,大多是采人工方式,以镊子放置,这种方式会导致颗粒大量增加至500颗以上,此一数量客户通常不会接受,另一种则是以机器手臂取代人工,机器手臂可将颗粒数大幅降低至100颗以下,因此目前的主要做法会是从机器手臂着手,而联钧光电的目标则是将其降至20颗以下,以符合市场需求,为此在联钧光电要求下, 晶圆设备商Aixtron在2015年设计全球第一部出可维持摄氏600度、以卡匣对卡匣,不碰触晶圆表面的磊晶设备,成功达到目标。

 

从模块到封测 新时代通信架构现身

稳懋半导体技术处处长王文凯博士,则针对GaAs在毫米波的前端模块解决方案提出看法,他指出GaAs pHEMT制程已被业界长期应用于无线通信,例如点对点的射频传输与VSAT,目前稳懋半导体的pHEMT和PIN二极管主要技术平台,在性能与电路方面已有解决方案,他指出近年来GaAs技术的快速演进,让晶圆封装与通信设备上的多数功能开始整合, 此外,pHEMT和PIN二极管整合为PINHEMT的技术,在毫米波通信系统前端模块也会有巨大潜力。

 

王文凯指出,目前已可用0.1um pHEMT执行E波段和D波段放大器,同时Ka-Band Doherty放大器和低噪放大器已透过o.15um增强模式完成,而Ka波段的switch则可由GaAs PIN二极管制程示范,这说明了GaAs pHEMT是毫米波领域相当适用的验证解决方案。

 

在封装技术方面,日月光技术处处长林弘毅博士表示,现在整体产业的问题在于摩尔定律逐渐趋缓,但市场上移动设备通信需求与云端运算概念所带来的数据传输量却越来越庞大,目前半导体产业中任何一种芯片技术的提升速度,因此异系统整合就成为带宽问题的解决之道,现在客户对委外封测厂商的要求除了数字CMOS制程外,还必须提供射频与光学等技术的解决方案。

 

现在移动设备的射频模块与数据中心的硅光子模块,是目前云端运算平台的关键组件,这两类组件都需要有多元材料包括化合物半导体、硅和被动组件或特殊晶体等异材质的高速连通芯片,其中阻抗匹配和低插入损耗将是关键性能指针。


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