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时间: 2020年02月25日 14:24 | 来源: "Mē゛一族 | 编辑: 盍威创 | 阅读: 9096 次

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OFweek电子工程网讯 现在,电子业正迈向4G的结尾、5G的起点。 后者开展上仍有不少前进空间,但能够断定,新一代无线电网络必然需求更多组件、更高频率做支撑,可望为芯片商带巨大商机--特别是对RF功率半导体供货商而言。 对此,市研组织Yole于7月发布「2017年RF功率商场与科技陈述」指出,RF功率商场近期可望由衰转盛,并以将近二位数的年复合生长率(GAGR)敏捷生长;一起,氮化镓(GaN)将逐步代替横向分散金属氧化物半导体(LDMOS),成为商场干流技能。

拜电信基站晋级、小型基地台逐步遍及所赐,RF功率商场可望脱离2015年以来的低落,开端蓬勃开展--陈述指出,全体商场营收到2022年末则有望暴增75%之多,2016~2022年间CAGR将达9.8%;其间,占电信基础设备近一半比重的基站、无线回程网络等相关组件,同一时段CAGR各为12.5%、5.3%。 再者,鉴于效能较高、体积较小且安稳性较佳,砷化镓(GaAs)、GaN等固态技能将在国防使用上逐步代替真空管,供给RF功率组件更多开展时机。 Yole预期,此部分营收至2022年将生长20%,2016~2022年间CAGR达4.3%。

技能方面,受日积月累的信息流量、更高操作频率与带宽等需求唆使,GaN组件运用越来越遍及,正于电信大型基站、雷达/航空用真空管与其它宽带使用上代替LDMOS组件,现已占有全体20%营收以上。 针对未来网络规划,Yole表明,GaN之于载波聚合(CA)、多输入多输出(MIMO)等新科技,效能与带宽上双双较LDMOS具优势。 此外,得力于在举动网络工业开展妥当,GaAs技能已老练到能进入商场,可望在国防、有线电视等使用上稳占一席之地。

此陈述估量,GaN将于未来5~10年成为3W以上RF功率使用的干流技能,GaAs根据其安稳性与不错的性价比,也得以保持必定比重;至于LDMOS部分则将持续阑珊,商场规模跌至全体15%,然考虑到其高老练性与低本钱等,短期内涵RF功率商场仍不至面对筛选。

络达科技技能长林珩之表明,5G基地台的功率放大器将会以砷化镓与氮化镓制程为主,因其是功率主导(Power Handle),并以体现度为首要衡量指针。 但这样的制程需更多的校准(Calibration)程序,本钱会比较高。 不过,基地台的全体数量相较于手机使用是比较少的,因此即使其本钱略高,仍在客户能承受的范围内。

林珩之指出,功率主导的特性,更将促进氮化镓比砷化镓来得更有优势,因频率更高,往往得靠氮化镓才有办法做到。 到了5G年代,氮化镓将很有时机代替横向分散金属氧化物半导体(Lateral Diffused MOS, LDMOS)。

而在手机功率放大器部分,现在2G是以互补式金属氧化物半导体(CMOS)制程为主,3G、4G则是砷化镓制程,5G因为高频的联系,络达十分看好氮化镓制程,该技能一起还能让电压撑得更久。

林珩之剖析,未来5G年代,手机功率放大器选用的半导体制程,预估将会是砷化镓/氮化镓占一半、CMOS占一半。 小于6GHz频段的半导体技能,会是以砷化镓与氮化镓制程为主,因天线与电磁波的波长是成正比的,且高频的天线比较大,也就须选用高功率的技能来达到,因此很有时机变成砷化镓与氮化镓制程的全国。

林珩之进一步指出,氮化镓制程有办法支撑很高的功率,这是CMOS无法做到的。 除非5G技能有办法运用小功率在空中进行交融,CMOS制程才会有时机包含到这部分的商场。 但在5G mmWave频段,则会是以CMOS制程为主。 林珩之进一步表明,因mmWave频段选用的天线比较小,就会是以CMOS制程为主,像是CPU、GPU、ASIC等,该制程与化合物半导体很不相同,价格会比砷化镓/氮化镓制程来得低。

此外,CMOS制程的使用范畴也比较广大,现在在交换器(Switch)上便运用得适当广泛,而选用氮化镓制程的交换器就比较难做,因其是归于双极性接面型晶体管(Bipolar Junction Transistor, BJT)。 物联网这类以价格为首要驱动的使用,因为对功率的要求比较低,也会是CMOS制程所能发挥的当地。

GaN 在射频使用中锋芒毕露的三大原因

镓 (Ga) 是一种化学元素,原子序数为 31。镓在自然界中不存在游离态,而是锌和铝出产进程中的副产品。

GaN 化合物由镓原子和氮原子摆放构成,最常见的是纤锌矿晶体结构。纤锌矿晶体结构(如下图所示)呈六方形,经过两个晶格常数(图中标记为 a 和 c)来表征。

GaN将成PA干流技能 Qorvo恐成最***

GaN 晶体结构

在半导体范畴,GaN 通常是高温下(约为 1,100°C)在异质基板(射频使用中为碳化硅 [SiC],电源电子使用中为硅 [Si])上经过金属有机物化学气相淀积 (MOCVD) 或分子束外延 (MBE) 技能而制成。

GaN-on-SiC 办法结合了 GaN 的高功率密度功能与 SiC 超卓的导热性和低射频损耗。这就是 GaN-on-SiC 成为高功率密度射频使用兼并挑选的原因地点。现在,GaN-on-SiC 基板的直径可达 6 英寸。

GaN-on-Si 兼并的热学功能则低得多,而且具有较高的射频损耗,但本钱也低许多。这就是 GaN-on-Si 成为价格灵敏型电源电子使用兼并挑选的原因地点。现在,GaN-on-Si 基板的直径可达 12 英寸。

那么,为何 GaN 在射频使用中优于其他半导体呢?

比较 Si 和 GaAs 等其他半导体,GaN 是一种相对较新的技能,但它已然成为某些高射频、大功耗使用的技能之选,比方需求长距离或以高端功率水平传输信号的使用(如雷达、基站收发器 [BTS]、卫星通信、电子战 [EW] 等)。

GaN-on-SiC在射频使用中锋芒毕露,原因如下:

高击穿电场:因为 GaN 的带隙较大,GaN 具有较高的击穿电场,这使得 GaN 设备的作业电压可远远高于其他半导体设备。当遭到满意高的电场作用时,半导体中的电子能够取得满意动能来打破化学键(这一进程被称为磕碰电离或电压击穿)。如果磕碰电离未得到操控,则可能会下降器材功能。因为 GaN 器材能够在较高电压下作业,因此可用于较高功率的使用。

高饱满速度:GaN 上的电子具有很高的饱满速度(在极高电场下的电子速度)。当结合大电荷才能时,这意味着 GaN 器材能够供给高得多的电流密度。

射频功率输出是电压与电流摆幅的乘积,所以,电压越高,电流密度越大,则实践尺度的晶体管中发生的射频功率就越大。简言之,GaN 器材发生的功率密度要高得多。

超卓的热特色:GaN-on-SiC 器材体现出不同一般的热特色,这首要因为 SiC 的高导热性。详细而言,这意味着在耗费功率相同的情况下,GaN-on-SiC 器材的温度不会变得像 GaAs 器材或 Si 器材那样高。器材温度越低才越牢靠。

厂商相机而动,Qorvo恐成最***

随同RF功率组件开展趋势日渐明亮,各家大厂开端有所动作、抢争新代代科技的主导权:干流LDMOS供货商包含恩智浦(NXP)、安谱隆(Ampleon)、英飞凌(Infineon)等,正测验透过外部代工获取GaN技能;传统GaAs厂商亦纷繁开端侧重出资在此,少部分已成功将产能转进GaN、在商场拔得头筹;至于纯GaN供货商如科锐(Cree )旗下之Wolfspeed,一方面为LDMOS大厂供给相关组件、强大商场,一方面则尽力保证自身在GaN技能开展的领先地位。

据Yole指出,待GaN组件成为干流,把握GaN商场的厂商将代替LDMOS主力厂商,成为RF功率商场领导者--现阶段除Wolfspeed,该范畴领导厂商简直都是由GaAs厂商转进。 就近期包含Infineon收买Wolfspeed受阻于美国政府、和康电讯(M/A-COM)与Infineon间的诉讼等相关事情来看,该范畴的竞赛好像也日趋白热化。而在背面还隐藏着一哥射频大玩家——Qorvo。

作为射频范畴的专家,Qorvo 猜测, 8GHz 以下砷化镓仍是干流, 8GHz 以上氮化镓代替趋势显着。砷化 镓作为一种宽禁带半导体,可承受更高作业电压,意味着其功率密度及可作业温度更高,因此具有高功率密度、能耗低、合适高频率、支撑宽带宽等特色,包含Qorvo在内的几个业界前驱现已在GaN上投入了巨额资金研讨。

GaN将成PA干流技能 Qorvo恐成最***

GaAs、 Si-LDMOS、 GaN 计划面积比照(source:Qorvo)

Qorvo表明,因为GaN具有高功率密度、宽频功能、高功率处理、输入功率安稳、削减零件尺度和数量等特色,让其遭到功率放大器和无线基础设备等商场的喜爱。

据测验显现,GaN能够在一个细小的面积上发射很大的功率,且单位面积上收到的热度是GaAsDE 的十倍以上,因十分合适于5G正在追逐的毫米波频段。

我们需求清楚一点,GaN器材并不是一种新东西,它其实一早就被使用到军事雷达和有线电视等相关设备。但受限于本钱问题,曩昔才一向没有被推行到民用范畴。但在经过了Qorvo和Macom这些企业的尽力,GaN资料的本钱和制作本钱开端下降。

如Qorvo早前宣告将其重心转移到6英寸SiC基GaN上,这些都有用的提高了其本钱竞赛优势。不过我们也要看到,其带来的功耗问题,也需求厂商去处理。

Qorvo无线基础设备产品部总经理Sumit Tomar以为,LDMOS器材物理上现已遇到极限,这就是氮化镓器材进入商场的原因。而基站使用需求更高的峰值功率、更宽的带宽以及更高的频率,这些要素都促成了基站承受氮化镓器材。可是GaN在进入手机的进程中,碰到了一些阻止。Qorvo方面表明,氮化镓器材作业在低电压环境、有必要规划新封装方式以满意散热要求和本钱太高是制约GaN器材走向手机的要害。

(盍威创编辑《"Mē゛一族》2020年02月25日 14:24 )

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