高溫 高功 高頻 看化合物半導體

二元系化合物半導體材料 GaAs/GaN/SiC 具備高功率密度, 低能耗, 抗高溫, 高發光效率等特性, 在射頻, 功率元件, 光電子及國防軍工等應用領域優勢顯著. 相比 Si, GaAs 材料具備禁帶寬度大, 電子遷移率高的特性, 能顯著降低射頻尺寸, 降低功耗, 也具備成本優勢. 相比於 GaN 和 SiC 等新興的二元系化合物半導體材料, GaAs 技術成熟, 具備較為明顯的成本優勢.

GaAs 應用的工作頻率主要在 8GHz 以內, 適合中低功率元件, 例如微基站和手機射頻材料. 而高功率射頻方向, GaN 具備明顯優勢, 是 5G 宏基站的必備材料, 此外 GaN 作為快充材料, 能顯著降低充電器尺寸, 並降低功耗. SiC 是功率元件的理想材料, 尤其在耐高壓方面(>600V), 性能優勢顯著, 廣泛應用於新能源汽車, 電力設備等領域.

目前 SiC/GaN 器件成本還是遠高於 Si 產品, 但隨著技術的進步, 產品良率的提升, 規模效應的增強, SiC/GaN 器件價格持續下滑. 以 650V SiC MOSFET 為例, 其產品價格從 2018 中的 3.44 元/A 下降到 2019 年底的 2.24 元/A. 射頻產品方面 RF GaN HEMT 近期降價更是顯著, 2019 年底平均價格較 2018 年降幅近 23%.

根據 Yole 預測 2023  SiC, GaN 電力電子元件的市場規模將分別增長至 14 億和 3.7 億美元, 市場滲透率分別達到 3.75% 和 1%. GaN 射頻器件在 5G 宏基站建設和國防建設的旺盛需求下, 疊加 GaN 射頻器件成本下降, 需求有望快速放量, 根據 Yole 數據預測 2023 GaN 射頻器件需求量將達到 194.3 百萬個, 19-23 年 CAGR 達到 85.8%.

射頻是 GaAs 下游最大的應用領域, 受益射頻和光電子需求旺盛, GaAs 有望保持持續高增長. 射頻端 5G 手機需要更多的 PA, 對 GaAs 需求有望保持穩定增長; WIFI PA (手機+分享器) 對 GaAs 需求有望保持快速增長, 受益 3D 深度相機在手機端快速滲透, GaAs 激光器有望保持快速增長. 全球 GaAs 19-23 年 CAGR 為 10%.

4G 的射頻通信需要用到 5 模 13 頻, 平均使用 7 顆 PA. 由於 5G 新增了頻段 (n41 2.6GHz, n77 3.5GHz 和 n79 4.8GHz), 未來還需要新增 6GHz 以上高頻段, 同時需要繼續兼容4G, 3G, 2G 標準, 因此 5G 手機需要更多的 PA, 最多可達 16 顆, 平均也有望超過 10 顆. GSMA 預測 5G 手機 2025 出貨量有望達到 7 億部, 滲透率達到 47%.

有望在 2020 年 9 月發布的 iPhone 上採用後置 ToF 鏡頭, 形成前置結構光+後置 ToF 的雙 3D 深度鏡頭的配置, 單部手機的 VCSEL 用量有望達到 2 顆. 華為, OPPO, ViVO, 小米, 三星等手機廠商也都有望在手機上逐步配置 ToF 攝像頭, 採用 VCSEL 光源. 根據 Yole 的報告 2018 年 3D 鏡頭出貨量約為 7300 萬, 預計到 2023 將增長到 8.9 億, CAGR 為 65%.

未來汽車 LiDAR 有望為 GaAs 貢獻新的增長空間, 隨著智能駕駛的發展, 尤其到 L4 和 L5 階段, 汽車對 LiDAR 的需求越來越旺盛, 根據麥肯錫公司的預測, 2030 年汽車年生產量將達到 1.15 億台, 其中將有 15%的汽車實現高級自動駕駛, 並有 45%實現低級自動駕駛. 在 2030 自動駕駛用的 LiDAR 市場將達到 180 億美元以上, CAGR 51%.

GaN 更適合高頻, 高功率, 低壓應用領域. 在射頻應用方面, 相比於 GaAs 和 Si, GaN 具有更高的電子飽和漂移速度和更大的禁帶寬度, 導通損耗較低, 適用於大功率, 高頻的射頻應用. 在功率半導體應用方面, 由於其在高壓場景表現不如 SiC, 因此主要應用在低壓領域. 具體來看, 目前 GaN 的優勢領域在 200-600V 的低壓領域.

GaN 射頻器件能很好的適應 5G 宏基站的高要求：1）傳統的 LDMOS 僅在 3.5GHz 及以下表現良好, 無法適應 5G 的高頻率, 而 GaN 適應的頻率範圍拓展了40GHz 甚至更高, 適應了 5G 高頻的需求. 2）GaN 具有軟壓縮特性, 更容易預失真和線性化, 實現更高的效率. 3）GaN 可以做到更高的功率密度. 4）體積方面 GaN封裝尺寸更小.

快充快速起量 GaN 功率元件技術優勢明顯. GaN 功率元件開關頻率高, 導通電阻小, 電容小, 禁帶寬度大, 耐高溫, 能量密度高, 功率密度大, 可在高頻情況下保持高效率水平, 實現更高效的快充, 適合於高功率電子產品. 相比較而言, 傳統矽元件開關速度越快, 效率越低, 在實現高功率充電上存在技術障礙.

SiC 更適合高壓功率元件應用, 未來前景廣闊. SiC 與傳統的 Si 半導體相比, 具有寬禁帶, 高擊穿場強, 高熱導率, 高工作溫度, 高電子遷移率的性能特徵, 在應用中具有電荷損失少, 耐高壓, 高溫高頻性能好的特點, 能夠降低元件功耗, 節約散熱成本, 小型化器件, 並可用於大型高壓設備.  未來在汽車, 工業, IT 及消費電子等多個領域的應用中有替代 Si 元件的潛力.

SiC 功率元件輕量化, 高效率, 耐高溫的特性有助於有效降低新能源汽車系統成本. 以 2018 特斯拉 Model 3 中首次搭載的 SiC 功率元件為例, 其輕量化的特性節省了電動汽車內部空間, 高效率的特性有效降低了電動汽車電池成本, 耐高溫的特性降低了對冷卻系統的要求, 節約了冷卻成本.

充電樁建設加速, 為 SiC 功率元件市場打開了一個新的增量市場. 一個直流充電樁大約需要 170 個 MOS, SiC 元件用在充電樁中具有高功率密度, 超小體積的優勢, 並且支持快速充電, 成為未來的發展趨勢. 未來 SiC 在充電樁中滲透率提升疊加充電樁建設加速, 充電樁市場有望為 SiC 功率元件帶來顯著市場增量.