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凭借高能效低成本打败SiC,GaN将迎来更多市场新机遇

2016/12/08
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近几年,环境问题愈发严峻,新能源汽车和再生能源备受推崇,5G 商用推进,高功率挑战重重,这也为新材料应用创造了大量的需求,GaN 以其禁带更宽和更高的输出阻抗被业界重视,尤其是高性能射频微波领域,如基站卫星通信等。据权威机构预测,这一市场份额大约 97 亿美元。

硅基 GaN:成本下降,性能超越 SiC 基 GaN
对于消费电子市场来说,目前硅基半导体可以为大部分应用提供足够的性能,而且价格比 GaN 便宜,因此 GaN 的大范围推广受到极大的挑战。除此之外,SiC 在中低功率市场也与 GaN 形成竞争。

芯片价格决定于晶圆尺寸,晶圆尺寸越大芯片价格越低,产品也就越有竞争力。目前市场上的硅基 LDMOS 产品可以做到 8 寸晶圆,SiC 和 GaN 大部分采用 4 寸晶圆。如果想要降低 GaN 的价格就需要扩大晶圆尺寸。

MACOM 公司无线产品中心资深总监成钢解释,“我们努力把硅基 GaN 的晶圆尺寸做到 8 寸,这样 MACOM 的单个产品功率密度是 LDMOS 的 4 到 5 倍,这就意味着单品价格会下降 5 倍,实现了用大量晶圆平均成本。对比 SiC,其外延材料品质还达不到 6 寸或者 8 寸晶圆的要求,因此成本还会居高不下。”

成钢强调,“我们的硅基 GaN 性能和 SiC 基 GaN 的性能相当,第四代硅基 GaN 的峰值效率可以提供到 70%,LDMOS 产品只有 60%;在基站上的平均效率可达到 60%,LDMOS 产品只有 54%,SiC 基的 GaN 目前效率可达到 58%-59%,由此可见 MACOM 研发的硅基 GaN 性能已经超过了 SiC 基 GaN 的产品性能,总之,我们用 LDMOS 的硅基成本结构来提供 GaN 的性能。未来 MACOM 的硅基 GaN 会替代 SiC 基 GaN 产品。”

MACOM 公司无线产品中心资深总监成钢

4G 到 5G 的转变,少不了 GaN 的一笔
4G 已经商用,5G 也在路上。由于全世界都需要高速移动 / 远程宽带接入,大量增设无线基站成为必然趋势。据统计,随着 GaN 技术在射频 RF 中的应用逐渐增多以及 LTE 基站在中国的广泛部署,射频 GaN 的市场规模在 2015 年增长近 50%,预计到 2020 年达到 6.9 亿美元。但是运营商又希望在提高数据容量的同时,不要能大幅度增加硬件成本。成钢指出,“与 LDMOS 想比,我们的硅基 GaN 技术封装更小,功率和能效更高,从而可以提高数据容量,削减运营成本。”

以基站为例,MACOM 的硅基 GaN 产品可以帮助目前的 300 万个 4G 基站一年节约 23 亿人民币的电费;由于体积变小,未来的基站可以安装到街灯上,运营商的成本也会大幅度缩减。在 5G 通信中,无线基础架构的频宽会扩大到原来的 200 倍,因此相应的半导体元件能效需要大幅度提高;在 5G 时代,智能手机支持的制式越来越多,射频前端走向集成化已成为必然,GaN 将成为最适合 PA 的材料,尤其在 28GHz 以上的频谱。因为毫米波的功率要求非常高,GaN 小体积、大功率的特性,未来将有可能应用在 PA 芯片上。

射频能量:一个让 GaN 兴奋的市场
GaN 也将在射频能量市场有很多应用。比如在固态烹饪市场,越来越多设备开始采用电磁加热,如微波炉、电饭煲、电磁炉等,还有工业照明市场,这些产品数量将会远远超过基站。而 SiC 因为晶圆尺寸小,成本高而无法支持这样的市场需求,现有的解决方案的痛点是使用寿面有限,这也给 GaN 带来新的市场机遇。

成钢表示,“在固态烹饪方面,GaN 射频晶体管取代现有的磁控管,可明显延长系统使用寿命,稳定输出功率并实现区域可控的加热;在等离子照明方面,基于固态射频能量的等离子照明显著延长了光源的使用寿命,与传统技术相比,能够以更低的成本提高可控性,如现有的路灯灯具、接线和灯架完全兼容基于射频等离子的照明技术。”

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