半导体两大原材料浅析

半导体原料共经历了三个发展阶段：第一阶段是以硅 （Si）、锗 （Ge） 为代表的第一代半导体原料；第二阶段是以砷化镓 （GaAs）、磷化铟 （InP） 等化合物为代表；第三阶段是以氮化镓 （GaN）、碳化硅 （SiC）、硒化锌 （ZnSe） 等宽带半导体原料为主。

第三代半导体原料具有较大的带宽宽度，较高的击穿电压 （breakdown voltage），耐压与耐高温性能良好，因此更适用于制造高频、高温、大功率的射频组件。

从第二代半导体原料开始出现化合物，这些化合物凭借优异性能在半导体领域中取得广泛应用。

如 GaAs 在高功率传输领域具有优异的物理性能优势，广泛应用于手机、无线局域网络、光纤通讯、卫星通讯、卫星定位等领域。

GaN 则具有低导通损耗、高电流密度等优势，可显着减少电力损耗和散热负载。可应用于变频器、稳压器、变压器、无线充电等领域。

SiC 因其在高温、高压、高频等条件下的优异性能，在交流 － 直流转换器等电源转换装置中得以大量应用。

明日之星 －GaN

GaN 是未来最具增长潜力的化合物半导体，与 GaAs 和 InP 等高频工艺相比，GaN 制成组件输出的功率更大；与 LDMOS 和 SiC 等功率工艺相比，GaN 的频率特性更好。

大多数 Sub 6GHz 的蜂窝网络都将采用 GaN 组件，因为 LDMOS 无法承受如此高的频率，而 GaAs 对于高功率应用又非理想之选。

此外，因为较高的频率会降低每个基地台的覆盖范围，所以需要安装更多的晶体管，进而带动 GaN 市场规模将迅速扩大。

GaN 组件产值目前占整个市场 20％ 左右，Yole 预估到 2025 年比重将提升至 50％ 以上。

GaN HEMT 已经成为未来大型基地台功率放大器的候选技术。目前预估全球每年新建约 150 万座基地台，未来 5G 网络还将补充覆盖区域更小、分布更加密集的微型基地台，这将刺激 GaN 组件的需求。

此外，国防市场在过去几十年里一直是 GaN 开发的主要驱动力，目前已用于新一代空中和地面雷达。

手机中基石 －GaAs

GaAs 作为最成熟的化合物半导体之一，是智能手机零组件中，功率放大器 （PA） 的基石。

根据 StrategyAnalytics 数据显示， 2018 年全球 GaAs 组件市场（含 IDM 厂组件产值）总产值约为 88．7 亿美元，创历史新高，且市场集中度高，其中 Qorvo 的市场份额占比为 26％。

由于 GaAs 具有载波聚合和多输入多输出技术所需的高功率和高线性度，GaAs 仍将是 6 GHz 以下频段的主流技术。除此之外，GaAs 在汽车电子、军事领域方面也有一定的应用。

总结上述这些 III－V 族化合物半导体组件具有优异的高频特性，长期以来被视为太空科技中无线领域应用首选。

随着商业上宽带无线通信及光通讯的爆炸性需求，化合物半导体制程技术更广泛的被应用在高频、高功率、低噪声的无线产品及光电组件中。同时也从掌上型无线通信，扩散至物联网趋势下的 5G 基础建设和光通讯的技术开发领域。作为资深的射频专家，Qorvo 在这个领域有深入的研究。

Qorvo 手机事业部高级销售经理 David Zhao 之前在接受媒体采访时指出，5G 对 PA 线性度要求更高，所以耐压高的 GaAs 工艺更受青睐。砷化镓 Die 倒装技术，已经被 QRVO 普遍采用。相比于传统的砷化镓 wire bonding 封装，倒装工艺让模块  厚度更薄，一致性更好。通过配合 SOI、CMOS 和 SAW／BAW 的倒装工艺，尺寸更小，功能更 多的 SiP 射频模组成为可能。

总结：

砷化镓、氮化镓 MMIC 芯片作为手机生产的重要器件，20 世纪 90 年代中期就已取代了射频、微波领域里低性能硅基集成电路而成为无线通讯产业不可或缺的 IC 元件。因其工艺制造比硅器件困难大，以前国内尚无一家成熟的生产厂家，所需的射频功率芯片（GaAs MMIC 、GaN MMIC）主要依赖进口，这对我国半导体产业和通讯产业特别是即将推广应用的 5G 技术发展构成了重大屏障。在国家政策和资金大力支持下，经过多年的技术积累和发展，从材料砷化镓（GaAs）、氮化镓（GaN）到芯片 GaAs MMIC 、GaN MMIC 实现重大突破基础上，2018 年北京双仪投资 10 亿元在北京建设月产 2 万片 6 吋砷化镓单片集成电路（GaAs MMIC）规模化量产生产线，海特高新投资 14．2 亿元建设 6 吋年产 4 万片 GaAs MMIC、3 万片 GaN MMIC 生产线，并都将在 2019 年初投产，以满足国内 5G 等市场对砷化镓 MMIC 和氮化镓 MMIC 芯片的迫切需求，扭转我国依赖进口的不利局面。

砷化镓（GaAs）、氮化镓（GaN）作为时下新兴的半导体工艺技术，尤其在高频率、高功率、高温度环境下实现的电源转换效率、功率密度、宽带稳定性等性能飞跃，成为光学存储、激光打印、高亮度 LED 和无线通讯特别是无线网络 5G 基站（移动通信、无线网络、点到点和点到多点通信）、手机、军工领域无可比拟的重要而关键器件。作为光电子、宽禁带半导体材料中耀眼的新星，GaAs 在 5G 通讯、物联网、OLED、太阳能电池等技术中的应用代表了当前和未来发展方向之一，作为有潜力的光电子材料，不但从生产到应用已经很成熟，而且稳定性和不错的性价比以及深加工后产品价值具有 10 倍的放大系数，未来市场也将保持 9％的年均增速；GaN 应用还有待开发、但却可以在更高频率、更高功率、更高温度下工作，在光学存储、激光打印、高亮度 LED 以及无线基站等领域的应用前景受到关注，在高亮度 LED、蓝光激光器和功率半导体领域是颇受欢迎的材料。