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近幾年，環(huán)境問(wèn)題愈發(fā)嚴(yán)峻，新能源汽車(chē)和再生能源備受推崇，5G 商用推進(jìn)，高功率挑戰(zhàn)重重，這也為新材料應(yīng)用創(chuàng)造了大量的需求，GaN 以其禁帶更寬和更高的輸出阻抗被業(yè)界重視，尤其是高性能射頻微波領(lǐng)域，如基站、衛(wèi)星通信等。據(jù)權(quán)威機(jī)構(gòu)預(yù)測(cè)，這一市場(chǎng)份額大約 97 億美元。
硅基 GaN：成本下降，性能超越 SiC 基 GaN
對(duì)于消費(fèi)電子市場(chǎng)來(lái)說(shuō)，目前硅基半導(dǎo)體可以為大部分應(yīng)用提供足夠的性能，而且價(jià)格比 GaN 便宜，因此 GaN 的大范圍推廣受到極大的挑戰(zhàn)。除此之外，SiC 在中低功率市場(chǎng)也與 GaN 形成競(jìng)爭(zhēng)。
芯片價(jià)格決定于晶圓尺寸，晶圓尺寸越大芯片價(jià)格越低，產(chǎn)品也就越有競(jìng)爭(zhēng)力。目前市場(chǎng)上的硅基 LDMOS 產(chǎn)品可以做到 8 寸晶圓，SiC 和 GaN 大部分采用 4 寸晶圓。如果想要降低 GaN 的價(jià)格就需要擴(kuò)大晶圓尺寸。
MACOM 公司無(wú)線產(chǎn)品中心資深總監(jiān)成鋼解釋?zhuān)拔覀兣Π压杌?GaN 的晶圓尺寸做到 8 寸，這樣 MACOM 的單個(gè)產(chǎn)品功率密度是 LDMOS 的 4 到 5 倍，這就意味著單品價(jià)格會(huì)下降 5 倍，實(shí)現(xiàn)了用大量晶圓平均成本。對(duì)比 SiC，其外延材料品質(zhì)還達(dá)不到 6 寸或者 8 寸晶圓的要求，因此成本還會(huì)居高不下?！?/p>
成鋼強(qiáng)調(diào)，“我們的硅基 GaN 性能和 SiC 基 GaN 的性能相當(dāng)，第四代硅基 GaN 的峰值效率可以提供到 70%，LDMOS 產(chǎn)品只有 60%；在基站上的平均效率可達(dá)到 60%，LDMOS 產(chǎn)品只有 54%，SiC 基的 GaN 目前效率可達(dá)到 58%-59%，由此可見(jiàn) MACOM 研發(fā)的硅基 GaN 性能已經(jīng)超過(guò)了 SiC 基 GaN 的產(chǎn)品性能，總之，我們用 LDMOS 的硅基成本結(jié)構(gòu)來(lái)提供 GaN 的性能。未來(lái) MACOM 的硅基 GaN 會(huì)替代 SiC 基 GaN 產(chǎn)品。”
MACOM 公司無(wú)線產(chǎn)品中心資深總監(jiān)成鋼
4G 到 5G 的轉(zhuǎn)變，少不了 GaN 的一筆
4G 已經(jīng)商用，5G 也在路上。由于全世界都需要高速移動(dòng) / 遠(yuǎn)程寬帶接入，大量增設(shè)無(wú)線基站成為必然趨勢(shì)。據(jù)統(tǒng)計(jì)，隨著 GaN 技術(shù)在射頻 RF 中的應(yīng)用逐漸增多以及 LTE 基站在中國(guó)的廣泛部署，射頻 GaN 的市場(chǎng)規(guī)模在 2015 年增長(zhǎng)近 50%，預(yù)計(jì)到 2020 年達(dá)到 6.9 億美元。但是運(yùn)營(yíng)商又希望在提高數(shù)據(jù)容量的同時(shí)，不要能大幅度增加硬件成本。成鋼指出，“與 LDMOS 想比，我們的硅基 GaN 技術(shù)封裝更小，功率和能效更高，從而可以提高數(shù)據(jù)容量，削減運(yùn)營(yíng)成本?！?/p>
以基站為例，MACOM 的硅基 GaN 產(chǎn)品可以幫助目前的 300 萬(wàn)個(gè) 4G 基站一年節(jié)約 23 億人民幣的電費(fèi)；由于體積變小，未來(lái)的基站可以安裝到街燈上，運(yùn)營(yíng)商的成本也會(huì)大幅度縮減。在 5G 通信中，無(wú)線基礎(chǔ)架構(gòu)的頻寬會(huì)擴(kuò)大到原來(lái)的 200 倍，因此相應(yīng)的半導(dǎo)體元件能效需要大幅度提高；在 5G 時(shí)代，智能手機(jī)支持的制式越來(lái)越多，射頻前端走向集成化已成為必然，GaN 將成為最適合 PA 的材料，尤其在 28GHz 以上的頻譜。因?yàn)?a class="article-link" target="_blank" href="/baike/482291.html">毫米波的功率要求非常高，GaN 小體積、大功率的特性，未來(lái)將有可能應(yīng)用在 PA 芯片上。
射頻能量：一個(gè)讓 GaN 興奮的市場(chǎng)
GaN 也將在射頻能量市場(chǎng)有很多應(yīng)用。比如在固態(tài)烹飪市場(chǎng)，越來(lái)越多設(shè)備開(kāi)始采用電磁加熱，如微波爐、電飯煲、電磁爐等，還有工業(yè)照明市場(chǎng)，這些產(chǎn)品數(shù)量將會(huì)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)基站。而 SiC 因?yàn)榫A尺寸小，成本高而無(wú)法支持這樣的市場(chǎng)需求，現(xiàn)有的解決方案的痛點(diǎn)是使用壽面有限，這也給 GaN 帶來(lái)新的市場(chǎng)機(jī)遇。
成鋼表示，“在固態(tài)烹飪方面，GaN 射頻晶體管取代現(xiàn)有的磁控管，可明顯延長(zhǎng)系統(tǒng)使用壽命，穩(wěn)定輸出功率并實(shí)現(xiàn)區(qū)域可控的加熱；在等離子照明方面，基于固態(tài)射頻能量的等離子照明顯著延長(zhǎng)了光源的使用壽命，與傳統(tǒng)技術(shù)相比，能夠以更低的成本提高可控性，如現(xiàn)有的路燈燈具、接線和燈架完全兼容基于射頻等離子的照明技術(shù)?！?/p>
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