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產業追蹤/GaN三優勢 助攻5G通訊

2021-01-17 01:30經濟日報 鄭凱安
磊晶
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GaN優異的材料特性是5G毫米波頻段應用的優先選擇。(網路照片)
GaN優異的材料特性是5G毫米波頻段應用的優先選擇。(網路照片)

歐洲半導體大廠NXP去年9月底宣布啟用在美國的6吋GaN晶圓廠,並組建研發團隊,聚焦5G毫米波應用,積極參與北美5G基礎設施布建。在5G通訊應用領域,GaN較高的功率密度與操作頻率將是毫米波傳輸的有力支持,而其高居不下的晶圓成本則是影響市場導入時機的重大因素。

GaN原是應藍光發光二極體的需求而被開發的材料,以藍寶石作為基板,利用磊晶技術在上方形成GaN晶體薄層材料,在電流激發下可產生藍光到紫外線波長範圍的光。隨著磊晶技術成熟,低缺陷的GaN晶體被應用於電子元件開發,成為功率電子元件的重要材料,而GaN高頻高電壓操作的特性,在通訊應用方面更具備優勢。

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半導體功率元件在通訊領域如基地台、交換機、路由器等有廣泛的應用需求。基於CMOS製程的功率放大器(PA) 在2G時代就出現,為2G通訊提供穩定而低成本的功率元件,因應通訊傳輸高功率的需求,特殊的橫向擴散金屬氧化物半導體(LDMOS)結構也被開發出來,提高MOSFET的崩潰電壓,滿足早期通訊應用的需求。

隨著通訊應用發展,高頻率通訊頻段的需求持續增加,Si-LDMOS的功率放大器面臨無法適用3 GHz以上應用的瓶頸,取而代之是以砷化鎵與磷化銦材料為主的三五族功率放大器,可應用於10 GHz以上的通訊應用,成為3G與4G行動通訊的功率放大器首選。不過,GaAs與InP材料雖適用於高頻操作,但崩潰電壓偏低,面對較大功率射頻(RF)應用需求時,需要額外採用多級電路提高輸出電壓,使R功率模組尺寸較大,也因使用較多功率放大器元件導致功耗增加。

5G通訊具備大頻寬、高傳輸速率與低延遲時間的特性,在利用毫米波頻段取得更大傳輸頻寬時,也因毫米波的高傳輸損耗而對傳輸功率要求更高,GaN高操作電壓所帶來的高傳輸功率密度正可滿足5G毫米波傳輸的需求。

GaN用於5G通訊傳輸具備的主要優勢大致歸納為三點:1、GaN高操作頻率高操作電壓的特性,使其適用於毫米波頻段的高功率傳輸,為通訊提供更大的頻寬,有效提升傳輸效率;2、GaN高輸出功率特性使之可在RF功率模組中以單一元件取代多級GaAs元件,有效縮小RF功率模組的封裝尺寸,更適用於5G小型基地台;3、採用SiC基板的GaN元件散熱能力佳,在高溫操作的環境中可提高RF功率模組的耐用性。這些特性使GaN非常適用於無線通訊基礎設施(如基地台)、國防軍事、3C裝置或電動車快速充電等應用。

GaN優異的材料特性是5G毫米波頻段應用的優先選擇,惟目前限制GaN功率元件大規模導入5G通訊應用,主要原因是成本問題。

目前主流的SiC與GaN晶圓尺寸都是6吋,其中SiC晶圓製作是在2600度C高溫環境下透過碳化矽碎片昇華沉積形成類似矽晶圓的高純度晶柱,而GaN晶圓是在特定基板上磊晶形成高品質的GaN晶體結構,依照基板種類又可分為GaN-on-Si、GaN-on-SiC與GaN-on-GaN三種。由於晶圓製備的高難度,SiC與GaN的晶圓價格高居不下,導致功率元件成本偏高,是影響功率半導體普及化的主要因素。

台廠因長期投入矽基及三五族材料與製程的能量,目前在GaN-on-Si磊晶與晶圓製造已建立札實基礎,具備GaN功率元件設計製造一條龍的能力,在GaN-on-Si晶圓面臨的磊晶與製程技術挑戰上,必須持續投入研發。一方面透過磊晶技術提升以減少晶圓缺陷,降低GaN-on-Si晶圓的成本,並提高GaN-on-Si功率元件的操作頻率與耐受電壓;另一方面透過提升製程技術,改善GaN功率元件的效能;而在磊晶與製程技術提升的同時,台廠也要重視相關製程設備的自主開發,才能保障台灣在GaN元件應用的市場競爭力與全球供應鏈影響力。

(作者是資策會MIC資深產業分析師)

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