GaN成为半导体界瞩目的焦点
氮化镓(GaN)
半导体行业在摩尔定律的"魔咒"下已经狂奔了50多年,一路上挟风带雨的,好不风光。不过随着半导体工艺的特征尺寸日益逼近理论极限,摩尔定律对半导体行业的加速度已经明显放缓,为获得更细小"线宽"的投资,未必能够带来更划算的收益。
所以未来半导体技术的提升,除了进一步榨取摩尔定律在制造工艺上最后一点"剩余价值"外,寻找硅(Si)以外新一代的半导体材料,也就成了一个重要方向。在这个过程中,氮化镓(GaN)近年来作为一个高频词汇,进入了人们的视野。
GaN和SiC同属于第三代高大禁带宽度的半导体材料,和第一代的Si以及第二代的GaAs等前辈相比,其在特性上优势突出(见表1)。表中这些貌似高深的参数,最终会给半导体器件性能带来哪些直接影响,我们不妨"翻译"一下。
由于禁带宽度大、导热率高,GaN器件可在200℃以上的高温下工作,能够承载更高的能量密度,可靠性更高;较大禁带宽度和绝缘破坏电场,使得器件导通电阻减少,有利与提升器件整体的能效;电子饱和速度快,以及较高的载流子迁移率,可让器件高速地工作。
因此,利用GaN人们可以获得具有更大带宽、更高放大器增益、更高能效、尺寸更小的半导体器件,这与半导体行业一贯的"调性"是吻合的。
表1,不同半导体材料特性对比
与GaN相比,实际上同为第三代半导体材料的SiC的应用研究起步更早,而之所以GaN近年来更为抢眼,主要的原因有两点。
首先,GaN在降低成本方面显示出了更强的潜力,目前主流的GaN技术厂商都在研发以Si为衬底的GaN的器件,以替代昂贵的SiC衬底。有分析预测到2019年GaN MOSFET的成本将与传统的 Si器件相当,届时很可能出现一个市场拐点。
其次,由于GaN器件是个平面器件,与现有的Si半导体工艺兼容性强,这使其更容易与其他半导体器件集成,比如有厂商已经实现了驱动IC和GaN开关管的集成,进一步降低用户的使用门槛。
正是基于GaN的上述特性,越来越多的人看好其发展的后势。特别是在几个关键市场中,GaN都表现出了相当的渗透力。
射频(RF)领域将是GaN的主战场。有分析指出,与目前在RF领域占统治地位的LDMOS器件相比,采用0.25微米工艺的GaN器件频率可高达其4倍,带宽可增加20%,功率密度可达6-8W/mm(LDMOS为1~2W/mm),且无故障工作时间可达100万小时,更耐用,综合性能优势明显。5G的商用无疑会是GaN在射频市场发展的一个驱动力。
根据市场研究机构Yole的预测,受5G网络部署的拉动,全球RF功率器件市场在2016年到2022年间将增长75%,年复合增长率达到9.8%;GaN将在未来5~10年成为3W以上RF功率应用的主流技术,而LDMOS的整体市场规模将下降到15%以下。
与此同时,我们会发现,在其他RF领域,也都会有GaN的身影,作为重要的升级换代技术,向原有的半导体器件发起挑战(详见表2)。从表2中可以看出,除了雷达等性能敏感型的应用,低成本的Si基GaN都有涉足,无疑会成为GaN开疆扩土的"功臣"。
在电力电子领域,GaN也找到了自己的位置。通常大家认为,由于材料特性的差异,SiC适用于高于1200V以上的高电压大功率应用,而GaN器件更适合于40-1200V的高频应用,GaN 在 600V/3KW 以下的应用场合更占优势,在微型逆变器、伺服器、马达驱动、UPS等领域与传统的MOSFET或IGBT展开竞争,让电源产品更为轻薄、高效。
而GaN的这个定位也更有利于其向消费类市场的渗透,这后面的市场空间就更为可观了。
同时,也有人看好GaN单晶衬底在光电子领域的应用,比如在激光显示方面的应用前景,认为这会与VR/AR等新兴行业形成互动,开辟出新的应用领域。
如果我们将半导体技术的发展看做是一台大戏,与目前绝对的主角Si材料这样的"老戏骨"相比,GaN还是一个初出茅驴的"小鲜肉",但是TA在自己的"戏码"中,已经逐渐挑起了大梁,扮演着当仁不让的角色,未来GaN的市场"吸粉"能力不容小觑。当前,各个"玩家"围绕GaN的卡位和布局已经展开,好戏还在后头。
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