第三代半导体原料三个发展阶段的现状与应用分析

枫雪路 2019-11-05 5813

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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频宽宽度，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、大功率的射频元件。

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、无线区域网络、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，可显著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 制成元件输出的功率更大；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 元件，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 元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 元件的需求。

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。

而在 GaN 射频元件领域中，龙头厂包括日本住友电工、美国科锐和 Qorvo、韩国 RFHIC 等。GaN 代工厂则有稳懋（3105.TW）、三安光电等。

手机中基石 - GaAs

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

根据 Strategy Analytics 数据显示， 2018 年全球 GaAs 元件市场（含 IDM 厂元件产值）总产值约为 88.7 亿美元，创历史新高，且市场集中度高，前四大厂商比重达 73.4%，分别为 Skyworks（32.3%）、Qorvo（26%）、Broadcom（9.1%）、稳懋（6%）。

至于 GaAs 晶圆代工市场方面，2018 年规模为 7.5 亿美元，其中稳懋市占率高达 71.1%，为全球第一大 GaAs 晶圆代工厂。

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 族化合物半导体元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讯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元件中。同时也从手持式无线通讯，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。

责任编辑：gt

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