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一文看懂化合物半导体,机会在哪里?

2019-11-10 14:54:15 来源:垌心网 浏览:760

资料来源:“郭盛电子团队”的内容。作者:祥平科技。谢谢你。

半导体材料可分为简单物质半导体,如硅(si)和锗(ge)形成的半导体,以及化合物半导体,如砷化镓(gaas)、氮化镓(gan)、碳化硅(sic)。半导体在过去经历了三代的变化。砷化镓(gaas)、氮化镓(gan)和碳化硅(sic)半导体分别是第二代和第三代半导体的代表。与第一代半导体相比,它们具有更好的高频性能和高温性能,并且它们的制造成本更高。他们可以被描述为半导体行业的新贵。

Gaas占三种主要化合物半导体材料的大部分,主要用于通信领域。全球市场容量接近100亿美元,主要得益于通信射频芯片特别是功放的升级换代。氮化镓具有较好的大功率和高频性能,主要用于军事领域。目前,市场容量不到10亿美元,随着成本的降低,预计将得到广泛应用。碳化硅主要用作汽车和工业电力电子中的大功率半导体材料,在大功率转换应用中具有很大优势。

超越摩尔:模拟集成电路在光学、射频和电源领域的持续发展

摩尔定律放缓,集成电路发展分化。目前,集成电路的发展有两大逆转:更多的摩尔和超过摩尔。摩尔定律意味着,在大约18个月内,同一地区集成电路中的晶体管数量将翻倍,但价格将下降一半。然而,它在28纳米处遇到了障碍。尽管晶体管数量翻了一番,但价格并没有下降一半。更多的摩尔是指进入后摩尔时期的过程节点技术的不断升级。与此同时,超过摩尔被人们提出。该方案旨在实现更多的应用,重点是在单个集成电路上增加越来越多的功能。

模拟IC比摩尔道路更适合。先进的工艺和高集成度可以使数字集成电路具有更好的性能和更低的成本,但这不适用于模拟集成电路。射频电路等模拟电路通常需要使用大尺寸电感。先进制造工艺的集成水平影响不大,同时会增加成本。先进工艺通常用于低功耗环境,但射频和电源等模拟ic将用于高频和高功耗领域。先进的流程甚至会对性能产生负面影响。模拟电路在低电源和低电压下的线性度也难以保证。pa的主要技术是砷化镓,而开关的主要技术是soi。超过摩尔可以实现不同技术和工艺的结合,为模拟ic的进一步发展提供了一条途径。

第三代半导体适应更多的应用场景。硅基半导体具有耐高温、抗辐射、制造方便和稳定性好的特点。高可靠性使99%以上的集成电路由硅制成。然而,硅基半导体不适合高频和高功率应用。Gaas是2g、3g和4g时代pa的主要材料,但进入5g时代后,gan是主要材料。5g的频率更高,其跳跃反射特性使其传输距离更短。由于毫米波需要很高的功率,gan具有体积小、功率高的特点,是目前5g时代最合适的pa材料。碳化硅和氮化镓等第三代半导体将更适合未来应用。

模拟ic侧重于电压和电流控制、失真率、功耗、可靠性和稳定性。设计人员需要考虑各种元件对模拟电路性能的影响,这很难设计。数字电路追求运行速度和成本。cmos技术被广泛使用。多年来,它们一直沿着摩尔定律发展。他们不断采用更高效的算法来处理数字信号,或者使用新技术来提高集成度和降低成本。然而,过高的工艺节点技术往往不利于实现模拟集成电路实现低失真和高信噪比的要求,也不利于输出高电压或大电流来驱动其他元件。因此,模拟集成电路对节点演化的要求相对低于数字集成电路。模拟芯片的生命周期也相对较长,通常长达10年或更长。例如,飞兆半导体公司于1968年推出的运算放大器μa741已销售近50年,并已被客户使用。

目前,大多数数字集成电路使用cmos技术,而模拟集成电路使用多种技术,不受摩尔定律的约束。模拟集成电路的制造工艺包括双极工艺、cmos工艺和bicmos工艺。在高频领域,sige工艺、gaas工艺和soi工艺也可以与双极工艺和bicmos工艺相结合,以获得更好的性能。在电力领域,soi技术和bcd(基于bicmos的集成DMO和其他电力设备)技术也表现得更好。模拟集成电路应用广泛,其应用环节不同,因此制造工艺也会随之改变。

砷化镓:无线通信的核心材料,受益于5g趋势

与第一代硅半导体相比,砷化镓具有高频、抗辐射和耐高温的特点,因此被广泛应用于主流商业无线通信、光通信以及国防和军事应用。无线通信的普及和硅对高频特性的限制共同促使砷化镓材料脱颖而出,在无线通信领域得到广泛应用。

基带和射频模块是3/4/5g蜂窝通信的核心组件。射频模块一般由收发器和前端模块(pa、开关、滤波器)组成。砷化镓已经成为pa和开关的主流材料。

4g/5g频段持续增加,推动了pa使用的增加。由于单个pa芯片只能处理固定频带的信号,蜂窝通信频带的增加将显著增加单个智能手机pa的消耗。随着4g通信的普及,移动通信的频带从2010年的6个迅速扩大到43个,5g时代有望上升到60多个。目前,主流4g通信使用5频13模式,平均7 pa和4个射频开关。

目前,领先的砷化镓企业仍以idm模式为主,包括skyworks、qorvo、broadcom/avago、cree、infineon等。同时,我们也注意到工业发展模式已经从idm模式逐渐转变为设计+贴牌生产。典型的事件包括原始设备制造商比例的持续增加、去年亚美哥将科罗拉多工厂出售给毛文等。我们认为砷化镓衬底和器件技术正在成熟和标准化,产品多样化和器件设计具有重要价值,设计+制造的分工模式开始增加。

根据yole development等第三方研究机构的估计,pa的全球gaas设备市场在2017年将达到80-90亿美元,大部分市场份额集中在skyworks、qorvo和avago三大巨头。预计随着通信升级,未来两年将正式超过100亿美元。

同时,市场决策的应用不需要线宽低于60纳米的先进工艺技术,也不追求最先进的工艺技术是另一个特点。化合物半导体面向射频、高压、大功率、光电子等领域,不需要先进的工艺。Gaas和gan器件主要通过0.13和0.18μm以上的工艺制造,Qorvo目前正在开发90nm工艺。此外,由于砷化镓和碳化硅衬底的尺寸限制,目前的生产线基本上都是4英寸和6英寸。以qorvo为例,计算出氮化镓工艺的基本线宽为0.25-0.50 μm,生产线主要为4英寸。

氮化镓-碳化硅:在高压和高频方面的显著优势

氮化镓和碳化硅也被称为第三代半导体材料。由于它们的不同属性,它们的应用领域也不同。氮化镓具有禁带宽度大、击穿电场高、饱和电子率大、热导率高、化学性质稳定和抗辐射能力强等优点,已成为高温、高频和高功率微波器件的首选材料之一。

氮化镓:5g时代来临,射频应用前景广阔

目前,三分之二的氮化镓器件用于军事电子,如军事通信、电子干扰、雷达等领域。在民用领域,氮化镓主要用于通信基站、电力设备等领域。氮化镓基站pa比其他材料具有更高的功率放大效率,因此可以节省大量电能,并且可以覆盖无线通信的几乎所有频带,功率密度高,可以降低基站的体积和质量。

代表工厂的特殊工艺的兴起是分工的总趋势。全球半导体行业分为两种商业模式:集成器件制造(idm)模式和垂直分工模式。由于历史原因,大部分已建立的大型工厂都处于IDM模式。随着集成电路技术的发展,摩尔定律越来越接近极限,各环节的技术和资金壁垒日益增加,传统的idm模式的弊端凸显出来。新兴制造商选择无厂模式轻松赶上。与此同时,英飞凌、ti和amd等老牌大型工厂正逐步将全部或部分制造和密封工艺外包给fab-lite(轻型晶圆厂)甚至无晶圆模式。

氮化镓射频器件以23%的复合增长率高速增长,下游市场结构总体保持稳定。根据yole的发展,氮化镓射频市场将在2023年增长到13亿美元,复合增长率为22.9%,2017年规模为3.8亿美元。下游应用结构总体保持稳定,以通信和军工为主要组成部分,约占总量的80%。

碳化硅:动力装置的核心材料,推动新能源汽车的发展

碳化硅主要用于高功率和高频功率器件。二极管、mosfet、igbt和其他由碳化硅制成的器件有望在未来取代硅在汽车电子领域的应用。目前,碳化硅半导体仍处于早期发展阶段。在晶片生长过程中,材料基底表面容易发生位错,导致碳化硅器件可靠性降低。另一方面,晶片生长的困难导致碳化硅材料的高价格,如果要大规模应用,这需要一段时间的技术改进。

模具尺寸和成本是碳化硅技术产业化的核心变量。通过比较当前市场主流的1200v硅基igbt和碳化硅基mosfet,我们可以发现碳化硅基mosfet产品可以大大减小芯片尺寸,性能优于硅基产品。然而,目前最大的障碍仍然在于晶圆成本。根据yole开发计算,碳化硅的单芯片成本比硅基产品高7-8倍。

Ihs预计碳化硅功率半导体的市场规模到2025年将达到30亿美元。未来10年,碳化硅器件将开始广泛应用于工业和电动汽车领域。纵观全球主要碳化硅市场,电力电子在2016-2017年占据最大市场份额。这一市场增长的主要驱动因素是碳化硅器件在电源和逆变器应用中的使用越来越多。

碳化硅的工业化进程最近加快,上游产业链开始扩大规模,锁定商品供应。根据cree公告,我们可以发现碳化硅最近的工业化进程已经开始加速,st和英飞凌等中游制造商已经开始锁定上游晶圆的供应:

2019年1月公告:cree和st签署了一份2.5亿美元的多年生产和供应协议,wolfspeed将向ST供应150㎜碳化硅晶片

2018年10月公告:克里宣布一项价值8500万美元的长期协议,为一家未命名的“领先电力设备公司”生产和供应碳化硅晶片。

2018年2月公告:克里和英飞凌签署了一项1亿美元的长期供应协议,为其光伏逆变器、机器人、充电基础设施、工业电源、牵引和变速驱动等产品提供碳化硅晶片。

两大驱动力:5g增速+车辆电气化

5g加速发展,射频市场有望高速增长,并在海外业务中处于领先地位。5g预计将强劲加速。

海外5g在商业应用上处于领先地位,国内5g的推广有望加快!4月3日,美国运营商verizon宣布在一些地区推出5g服务。4月5日,韩国三大运营商宣布开始为普通消费者提供5g商业服务。4月10日,日本政府向四大运营商分配了5g频段,预计明年春天正式上市。我们相信,在海外5g积极推广商业应用的节奏下,国内5g有望加速发展。

随着5g的推广,从5g的建设需求来看,5g将采用“宏站加小站”的网络覆盖模式。所有以前的基站升级将带来一轮原有基站改造和新基站建设浪潮。2017年,中国4g覆盖范围将基本以328万4g宏基站告终。根据CCID顾问的预测,5g宏基站的总数将是4g宏基站的1.1到1.5倍,相当于360万到492万5g宏基站。

同时,就小站而言,毫米波高频段小站的覆盖面积为10~20m,应用于热点地区或更大容量的服务场景时,保守估计其数量是宏站的两倍,因此我们预计5g小站将达到950万。

氮化镓将占据射频器件市场的一半

基站建设将是氮化镓市场增长的主要驱动力之一。约尔发展数据显示,2018年,基站侧氮化镓射频器件的市场规模将小于2亿美元,到2023年,基站侧氮化镓的市场规模预计将超过5亿美元。氮化镓射频器件市场整体将保持23%的复合增长率,预计2023年市场规模将达到13亿美元。

氮化镓将占据射频器件市场的一半。在射频器件领域,目前ldmos(横向扩散金属氧化物半导体)、gaas(砷化镓)和gan(氮化镓)几乎没有什么区别。然而,根据yole development的预测,到2025年,氮化镓有望取代大部分ldmos份额,占据射频器件市场约50%的份额,砷化镓的市场份额基本不变。

汽车电气化促进碳化硅市场快速增长

汽车集成电路快速增长,成为半导体增长亮点。根据ic insights数据,2018年汽车ic的增长率预计将达到18.5%,规模为323亿美元。到2021年,汽车集成电路市场将增长到436亿美元,2017年至2021年复合增长率为12.5%。它是复合增长率最高的细分市场模块,也是未来的主要驱动力之一。

汽车模拟ic增长强劲,超过智能手机。智能手机的快速增长曾经是半导体市场增长的主要驱动力,现在汽车是下一个参与者。根据他的数据,就销量而言,2015年汽车模拟集成电路市场将超过智能手机市场,预计2018年汽车模拟集成电路市场规模将达到102亿美元。同时,由于汽车市场的增长率高于其他子行业,模拟集成电路的销售比例也在逐年增加。

环境保护需要持续推动车辆电气化

环保和节能的需求促进了汽车电气化和新能源汽车的快速增长。由于各国政府高度重视能源和环境问题,并提出了禁止销售燃油汽车的计划,汽车电气化几乎是一个不可避免的趋势。卡图萨研究数据显示,中国、美国和德国将成为电动汽车的主要推广者,2040年电动汽车平均年销量达到6000万辆。新能源汽车可以有效降低燃料消耗,而新能源汽车需要大量的功率集成电路(如用于电压上升和下降的dc/dc),模拟集成电路行业可以从中受益。

汽车中的硅含量持续增加,碳化硅市场受益匪浅。

汽车电气化正在逐渐加深,硅的价值也在继续增长。各种汽车公司都引进了新能源汽车,以实现电动汽车的软更换。常见的新能源汽车包括混合动力汽车、插电式混合动力汽车、远程电动汽车和纯电动汽车。随着电气化的提高,汽车半导体的价值也在上升。2018年,中型混合动力车、插电式混合动力车和纯电动汽车的半导体价值将分别达到475美元、740美元和750美元。根据战略分析(strategy analytics),混合动力、插电式混合动力和纯电动汽车的销量在2025年将分别达到1700万辆、1300万辆和0800万辆,使半导体市场总规模达到237亿美元。

电动汽车市场将是碳化硅器件增长的主要驱动力。根据yole development的预测,未来几年,新能源汽车、汽车驱动和铁路将对碳化硅市场的增长产生更大的影响,其中新能源汽车的增加值最高,包括汽车本身以及由它们驱动的各种基础设施建设。

考虑到汽车的安全性,需要包括各子系统的稳压、静电保护和信号隔离要求。同时,它还需要许多与电力系统相匹配的功率半导体产品,包括充电器、电池管理、逆变器、子逆变器、dc/dc和各种接口。因此,汽车的机动化为功率半导体带来了更广阔的市场空间。

*免责声明:这篇文章最初是作者写的。这篇文章的内容是作者的个人观点。重印半导体行业观察只是为了传达不同的观点。这并不意味着半导体行业观察同意或支持这一观点。如果您有任何异议,请联系半导体行业观察。

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