化合物半導體技術概述及最新應用
2018-10-30 11:33:02 n來源：中國信通院 作者：邸紹巖
一、化合物半導體應用前景廣闊，市場規模持續擴大
化合物半導體是由兩種及以上元素構成的半導體材料，目前最常用的材料有GaAs、GaN以及SiC等，作為第二代和第三代半導體的主要代表，因其在高功率、高頻率等方面特有的優勢，在信息通信、光電應用以及新能源汽車等產業中有著不可替代的地位。
多年以來，世界各國始終對化合物半導體保持高度重視，出臺相關政策支持本國產業的發展，2017年美國、德國、歐盟、日本等國家和組織啟動了至少12項研發計劃，總計投入研究經費達到6億美元。借助各國政府的大力支持，自從1965年第一支GaAs晶體管誕生以來，化合物半導體器件的制造技術取得了快速的進步，為化合物半導體的應用提供了堅實的基礎。目前，隨著ALD(原子層淀積)技術的逐漸成熟，化合物半導體HMET結構以及MOSFET結構的器件質量以及可靠性得到了極大的提升，進一步提高了化合物半導體材料在高頻高壓應用領域的市場占有率。未來隨著化合物半導體制造工藝的進一步提升，在邏輯應用方面取代傳統硅材料，從而等效延續摩爾定律成為了化合物半導體更為長遠的發展趨勢。
作為化合物半導體最主要的應用市場，射頻器件市場經歷了2015年到2016年的緩慢發展，時至今日，隨著5G基站更新換代以及設備小型化的巨大需求，全球射頻功率器件市場在2016年到2022年間將以9.8%的復合年增長率快速增長。市場規模有望從2016年的15億美元增長到2022年25億美元1。此外，隨著通信行業對器件性能的要求逐漸提高，GaN、GaAs等化合物半導體器件的優勢逐漸顯現，傳統硅工藝器件逐漸被取代，預計到2025年，化合物半導體將占據射頻器件市場份額的80%以上。
二、國外企業依然構成化合物半導體產業主體，我國已有所突破
化合物半導體產業鏈可主要分為晶圓制備、芯片設計、芯片制造以及芯片封測等環節，其中晶圓制備進一步細分為襯底制備和外延片制備兩部分。當前，化合物半導體產業多以IDM模式為主，即單一廠商縱向覆蓋芯片設計、芯片制造、到封裝測試等多個環節。然而，隨著襯底和器件制造技術的成熟和標準化，以及器件設計價值的提升，器件設計與制造分工的趨勢日益明顯。
GaAs半導體產業參與者多為Skyworks、Qorvo、Avago等國外IDM廠商。襯底制備、外延片方面，日本處于領先地位。晶圓制備方面，全球GaAs襯底出貨量將保持較強的增長趨勢，預計2023年年出貨量將從目前的170萬片上升到400萬片2。當前，住友電工、Freiberger、日立電纜、以及ATX四家企業采用國際先進的液封直拉法(LEC)和垂直梯度凝固法(VGF)，襯底直徑最大可達6英寸，占據了90%以上的國際市場。國內企業如中科晶電、中科鎵英等企業所制備的GaAs襯底普遍在2英寸到4英寸之間，部分企業仍采取較為落后的水平布里其曼法(HB)，晶體質量較差。制造代工方面，目前制造產能主要分布在IDM廠商和代工廠中，且代工廠的市場占比正不斷提高，其中臺灣的穩懋占據GaAs晶圓代工市場三分之二以上。產品設計方面，射頻器件由國外IDM廠商壟斷，我國在光電器件領域具備一定競爭力，目前已占全球LED市場近20%的份額。
GaN技術的難點在于晶圓制備工藝，歐美日在此方面優勢明顯，我國則以軍工應用為主，產能略有不足。由于將GaN晶體熔融所需氣壓極高，因此無法通過從熔融液中結晶的方法生長單晶，須采用外延技術生長GaN晶體來制備晶圓。目前最為主流的方法是氫化物氣沉積法，住友電工、三菱化學等企業均采用此法，其中日本住友電工是全球最大GaN晶圓生產商，占據了90%以上的市場份額。我國在GaN晶圓制造方面已經有所突破，蘇州納維公司的2英寸襯底片年產能已達到1500片，4英寸襯底已推出產品，目前正在開展6英寸襯底片研發。GaN外延片根據襯底材料的不同，可分為基于藍寶石、Si襯底、SiC以及GaN四種，分別用于LED、電力電子、射頻以及激光器，其晶體質量依次提升，成本依次升高。
SiC產業格局呈現美歐日三足鼎立態勢，美國產業優勢顯著，歐洲產業鏈完備，日本在設備和模塊技術方面領先。SiC外延片需要根據耐壓程度進行定制，因此目前仍然以IDM企業內部供應為主，占據外延市場的80%左右，主流技術為低壓化學氣相沉積(LPCVD)技術，未來隨著器件加工技術的不斷成熟，產品將趨于標準化，將有更多企業使用外部供應商產品，預計2020年其份額將超過50%。
三、光電器件、微波射頻、電力電子是目前主要應用領域
光電器件方面，主要應用包括太陽電池、半導體照明、激光器和探測器等。基于GaAs的化合物半導體光伏電池有著比Si基光伏電池更高的效率和更好的耐溫性；紫色激光器用于制造大容量光盤制造、醫療消毒、熒光激勵光源等；藍光、綠光、紅光激光器實現激光電視顯示；普通非增益GaN紫外探測器涉及導彈預警、衛星秘密通信、環境監測、化學生物探測等領域。
在微波射頻方面，化合物半導體最主要的應用場景是射頻功率放大器，在移動通信、導航設備、雷達電子對抗以及空間通信等系統中是最為核心的組成部分，其性能直接決定了手機等無線終端的通訊質量。在全球5G通信發展迅速的背景下，移動通訊功率放大器的需求量將呈現爆發式增長，其中，終端側功率放大器將延續GaAs工藝，而在基站側，傳統的Si基LDMOS工藝將被有著更高承載功率、效率更具優勢的GaN工藝所取代，以滿足基站小型化的需求。
在功率器件方面，化合物半導體主要應用于高壓開關器件，與傳統的Si工藝器件相比，化合物半導體器件具有更高的功率密度、更低的能量損耗和更好的高溫穩定性。目前600V以上的高端功率器件解決方案均采用SiC材料，相比傳統Si基IGBT，能量損失可以降低50%。
四、總結
化合物半導體因其良好的高頻高壓特性，在固態光源、微波射頻以及電力電子等方面有著不可替代的作用，未來隨著化合物半導體技術的進一步成熟，其核心地位將愈發凸顯，在摩爾定律即將走向終結的背景下，化合物半導體技術無疑為集成電路的發展開辟出一條全新的路徑。
作者簡介：邸紹巖，博士，中國信息通信研究院信息化與工業化融合研究所集成電路與軟件部門工程師，畢業于北京大學，微電子學與固體電子學專業。目前主要從事集成電路、先進計算等產業研究。
