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化合物半导体技术概述及最新应用
作者:邸绍岩            发布时间:2018-10-22

  一、 化合物半导体应用前景广阔,市场规模持续扩大

  化合物半导体是由两种及以上元素构成的半导体材料,目前最常用的材料有GaAs、GaN以及SiC等,作为第二代和第三代半导体的主要代表,因其在高功率、高频率等方面特有的优势,在信息通信、光电应用以及新能源汽车等产业中有着不可替代的地位。

  多年以来,世界各国始终对化合物半导体保持高度重视,出台相关政策支持本国产业的发展,2017年美国、德国、欧盟、日本等国家和组织启动了至少12项研发计划,总计投入研究经费达到6亿美元。借助各国政府的大力支持,自从1965年第一支GaAs晶体管诞生以来,化合物半导体器件的制造技术取得了快速的进步,为化合物半导体的应用提供了坚实的基础。目前,随着ALD(原子层淀积)技术的逐渐成熟,化合物半导体HMET结构以及MOSFET结构的器件质量以及可靠性得到了极大的提升,进一步提高了化合物半导体材料在高频高压应用领域的市场占有率。未来随着化合物半导体制造工艺的进一步提升,在逻辑应用方面取代传统硅材料,从而等效延续摩尔定律成为了化合物半导体更为长远的发展趋势。

  作为化合物半导体最主要的应用市场,射频器件市场经历了2015年到2016年的缓慢发展,时至今日,随着5G基站更新换代以及设备小型化的巨大需求,全球射频功率器件市场在2016年到2022年间将以9.8%的复合年增长率快速增长。市场规模有望从2016年的15亿美元增长到2022年25亿美元1。此外,随着通信行业对器件性能的要求逐渐提高,GaN、GaAs等化合物半导体器件的优势逐渐显现,传统硅工艺器件逐渐被取代,预计到2025年,化合物半导体将占据射频器件市场份额的80%以上。

  二、 国外企业依然构成化合物半导体产业主体,我国已有所突破

  化合物半导体产业链可主要分为晶圆制备、芯片设计、芯片制造以及芯片封测等环节,其中晶圆制备进一步细分为衬底制备和外延片制备两部分。当前,化合物半导体产业多以IDM模式为主,即单一厂商纵向覆盖芯片设计、芯片制造、到封装测试等多个环节。然而,随着衬底和器件制造技术的成熟和标准化,以及器件设计价值的提升,器件设计与制造分工的趋势日益明显。

  GaAs半导体产业参与者多为Skyworks、Qorvo、Avago等国外IDM厂商。衬底制备、外延片方面,日本处于领先地位。晶圆制备方面,全球GaAs衬底出货量将保持较强的增长趋势,预计2023年年出货量将从目前的170万片上升到400万片2。当前,住友电工、Freiberger、日立电缆、以及ATX四家企业采用国际先进的液封直拉法(LEC)和垂直梯度凝固法(VGF),衬底直径最大可达6英寸,占据了90%以上的国际市场。国内企业如中科晶电、中科镓英等企业所制备的GaAs衬底普遍在2英寸到4英寸之间,部分企业仍采取较为落后的水平布里其曼法(HB),晶体质量较差。制造代工方面,目前制造产能主要分布在IDM厂商和代工厂中,且代工厂的市场占比正不断提高,其中台湾的稳懋占据GaAs晶圆代工市场三分之二以上。产品设计方面,射频器件由国外IDM厂商垄断,我国在光电器件领域具备一定竞争力,目前已占全球LED市场近20%的份额。

  GaN技术的难点在于晶圆制备工艺,欧美日在此方面优势明显,我国则以军工应用为主,产能略有不足。由于将GaN晶体熔融所需气压极高,因此无法通过从熔融液中结晶的方法生长单晶,须采用外延技术生长GaN晶体来制备晶圆。目前最为主流的方法是氢化物气沉积法,住友电工、三菱化学等企业均采用此法,其中日本住友电工是全球最大GaN晶圆生产商,占据了90%以上的市场份额。我国在GaN晶圆制造方面已经有所突破,苏州纳维公司的2英寸衬底片年产能已达到1500片,4英寸衬底已推出产品,目前正在开展6英寸衬底片研发。GaN外延片根据衬底材料的不同,可分为基于蓝宝石、Si衬底、SiC以及GaN四种,分别用于LED、电力电子、射频以及激光器,其晶体质量依次提升,成本依次升高。

  SiC产业格局呈现美欧日三足鼎立态势,美国产业优势显著,欧洲产业链完备,日本在设备和模块技术方面领先。SiC外延片需要根据耐压程度进行定制,因此目前仍然以IDM企业内部供应为主,占据外延市场的80%左右,主流技术为低压化学气相沉积(LPCVD)技术,未来随着器件加工技术的不断成熟,产品将趋于标准化,将有更多企业使用外部供应商产品,预计2020年其份额将超过50%。

  三、 光电器件、微波射频、电力电子是目前主要应用领域

  光电器件方面,主要应用包括太阳电池、半导体照明、激光器和探测器等。基于GaAs的化合物半导体光伏电池有着比Si基光伏电池更高的效率和更好的耐温性;紫色激光器用于制造大容量光盘制造、医疗消毒、荧光激励光源等;蓝光、绿光、红光激光器实现激光电视显示;普通非增益GaN紫外探测器涉及导弹预警、卫星秘密通信、环境监测、化学生物探测等领域。

  在微波射频方面,化合物半导体最主要的应用场景是射频功率放大器,在移动通信、导航设备、雷达电子对抗以及空间通信等系统中是最为核心的组成部分,其性能直接决定了手机等无线终端的通讯质量。在全球5G通信发展迅速的背景下,移动通讯功率放大器的需求量将呈现爆发式增长,其中,终端侧功率放大器将延续GaAs工艺,而在基站侧,传统的Si基LDMOS工艺将被有着更高承载功率、效率更具优势的GaN工艺所取代,以满足基站小型化的需求。

  在功率器件方面,化合物半导体主要应用于高压开关器件,与传统的Si工艺器件相比,化合物半导体器件具有更高的功率密度、更低的能量损耗和更好的高温稳定性。目前600V以上的高端功率器件解决方案均采用SiC材料,相比传统Si基IGBT,能量损失可以降低50%。

  四、 总结

  化合物半导体因其良好的高频高压特性,在固态光源、微波射频以及电力电子等方面有着不可替代的作用,未来随着化合物半导体技术的进一步成熟,其核心地位将愈发凸显,在摩尔定律即将走向终结的背景下,化合物半导体技术无疑为集成电路的发展开辟出一条全新的路径。

1 YOLE数据
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  作者简介:邸绍岩,博士,中国信息通信研究院信息化与工业化融合研究所集成电路与软件部门工程师,毕业于北京大学,微电子学与固体电子学专业。目前主要从事集成电路、先进计算等产业研究。

  邮箱:dishaoyan@caict.ac.cn

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