第三代半導(dǎo)體原料三個發(fā)展階段的現(xiàn)狀與應(yīng)用分析

半導(dǎo)體原料共經(jīng)歷了三個發(fā)展階段：第一階段是以硅 （Si）、鍺 （Ge） 為代表的第一代半導(dǎo)體原料；第二階段是以砷化鎵 （GaAs）、磷化銦 （InP） 等化合物為代表；第三階段是以氮化鎵 （GaN）、碳化硅 （SiC）、硒化鋅 （ZnSe） 等寬帶半導(dǎo)體原料為主。

第三代半導(dǎo)體原料具有較大的頻寬寬度，較高的擊穿電壓 （breakdown voltage），耐壓與耐高溫性能良好，因此更適用于制造高頻、高溫、大功率的射頻元件。

從第二代半導(dǎo)體原料開始出現(xiàn)化合物，這些化合物憑借優(yōu)異性能在半導(dǎo)體領(lǐng)域中取得廣泛應(yīng)用。

如 GaAs 在高功率傳輸領(lǐng)域具有優(yōu)異的物理性能優(yōu)勢，廣泛應(yīng)用于手機、無線區(qū)域網(wǎng)絡(luò)、光纖通訊、衛(wèi)星通訊、衛(wèi)星定位等領(lǐng)域。

GaN 則具有低導(dǎo)通損耗、高電流密度等優(yōu)勢，可顯著減少電力損耗和散熱負載?？蓱?yīng)用于變頻器、穩(wěn)壓器、變壓器、無線充電等領(lǐng)域。

SiC 因其在高溫、高壓、高頻等條件下的優(yōu)異性能，在交流 - 直流轉(zhuǎn)換器等電源轉(zhuǎn)換裝置中得以大量應(yīng)用。

明日之星 - GaN

GaN 是未來最具增長潛力的化合物半導(dǎo)體，與 GaAs 和 InP 等高頻工藝相比，GaN 制成元件輸出的功率更大；與 LDMOS 和 SiC 等功率工藝相比，GaN 的頻率特性更好。

大多數(shù) Sub 6GHz 的蜂窩網(wǎng)絡(luò)都將采用 GaN 元件，因為 LDMOS 無法承受如此高的頻率，而 GaAs 對于高功率應(yīng)用又非理想之選。

此外，因為較高的頻率會降低每個基地臺的覆蓋范圍，所以需要安裝更多的晶體管，進而帶動 GaN 市場規(guī)模將迅速擴大。

GaN 元件產(chǎn)值目前占整個市場 20% 左右，Yole 預(yù)估到 2025 年比重將提升至 50% 以上。

GaN HEMT 已經(jīng)成為未來大型基地臺功率放大器的候選技術(shù)。目前預(yù)估全球每年新建約 150 萬座基地臺，未來 5G 網(wǎng)絡(luò)還將補充覆蓋區(qū)域更小、分布更加密集的微型基地臺，這將刺激 GaN 元件的需求。

此外，國防市場在過去幾十年里一直是 GaN 開發(fā)的主要驅(qū)動力，目前已用于新一代空中和地面雷達。

而在 GaN 射頻元件領(lǐng)域中，龍頭廠包括日本住友電工、美國科銳和 Qorvo、韓國 RFHIC 等。GaN 代工廠則有穩(wěn)懋 （3105.TW）、三安光電等。

手機中基石 - GaAs

GaAs 作為最成熟的化合物半導(dǎo)體之一，是智慧手機零組件中，功率放大器 （PA） 的基石。

根據(jù) Strategy Analytics 數(shù)據(jù)顯示， 2018 年全球 GaAs 元件市場（含 IDM 廠元件產(chǎn)值）總產(chǎn)值約為 88.7 億美元，創(chuàng)歷史新高，且市場集中度高，前四大廠商比重達 73.4%，分別為 Skyworks（32.3%）、Qorvo（26%）、Broadcom（9.1%）、穩(wěn)懋 （6%）。

至于 GaAs 晶圓代工市場方面，2018 年規(guī)模為 7.5 億美元，其中穩(wěn)懋市占率高達 71.1%，為全球第一大 GaAs 晶圓代工廠。

由于 GaAs 具有載波聚合和多輸入多輸出技術(shù)所需的高功率和高線性度，GaAs 仍將是 6 GHz 以下頻段的主流技術(shù)。除此之外，GaAs 在汽車電子、軍事領(lǐng)域方面也有一定的應(yīng)用。

總結(jié)上述這些 III-V 族化合物半導(dǎo)體元件具有優(yōu)異的高頻特性，長期以來被視為太空科技中無線領(lǐng)域應(yīng)用首選。

隨著商業(yè)上寬帶無線通訊及光通訊的爆炸性需求，化合物半導(dǎo)體制程技術(shù)更廣泛的被應(yīng)用在高頻、高功率、低噪聲的無線產(chǎn)品及光電元件中。同時也從手持式無線通訊，擴散至物聯(lián)網(wǎng)趨勢下的 5G 基礎(chǔ)建設(shè)和光通訊的技術(shù)開發(fā)領(lǐng)域。

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