一文浅析你熟知的两大半导体材料

来源：罗姆半导体社区

半导体原料共经历了三个发展阶段：第一阶段是以硅 (Si)、锗 (Ge) 为代表的第一代半导体原料；第二阶段是以砷化镓(GaAs)、磷化铟 (InP) 等化合物为代表；第三阶段是以氮化镓(GaN)、碳化硅 (SiC)、硒化锌 (ZnSe) 等宽带半导体原料为主。

第三代半导体原料具有较大的带宽宽度，较高的击穿电压 (breakdown voltage)，耐压与耐高温性能良好，因此更适用于制造高频、高温、大功率的射频组件。从第二代半导体原料开始出现化合物，这些化合物凭借优异性能在半导体领域中取得广泛应用。

如 GaAs 在高功率传输领域具有优异的物理性能优势，广泛应用于手机、无线局域网络、光纤通讯、卫星通讯、卫星定位等领域。GaN 则具有低导通损耗、高电流密度等优势，可显着减少电力损耗和散热负载。可应用于变频器、稳压器、变压器、无线充电等领域。SiC 因其在高温、高压、高频等条件下的优异性能，在交流 - 直流转换器等电源转换装置中得以大量应用。

明日之星 -GaN
GaN 是未来最具增长潜力的化合物半导体，与 GaAs 和 InP 等高频工艺相比，GaN 制成组件输出的功率更大；与 LDMOS 和 SiC 等功率工艺相比，GaN 的频率特性更好。

大多数 Sub 6GHz 的蜂窝网络都将采用 GaN 组件，因为 LDMOS 无法承受如此高的频率，而 GaAs 对于高功率应用又非理想之选。此外，因为较高的频率会降低每个基地台的覆盖范围，所以需要安装更多的晶体管，进而带动 GaN 市场规模将迅速扩大。GaN 组件产值目前占整个市场 20% 左右，Yole 预估到 2025 年比重将提升至 50% 以上。

GaN HEMT 已经成为未来大型基地台功率放大器的候选技术。目前预估全球每年新建约 150 万座基地台，未来 5G 网络还将补充覆盖区域更小、分布更加密集的微型基地台，这将刺激 GaN 组件的需求。

此外，国防市场在过去几十年里一直是 GaN 开发的主要驱动力，目前已用于新一代空中和地面雷达。

手机中基石 -GaAs

GaAs 作为最成熟的化合物半导体之一，是智能手机零组件中，功率放大器 (PA) 的基石。根据 StrategyAnalytics 数据显示， 2018 年全球 GaAs 组件市场（含 IDM 厂组件产值）总产值约为 88.7 亿美元，创历史新高，且市场集中度高，其中 Qorvo 的市场份额占比为 26%。

由于 GaAs 具有载波聚合和多输入多输出技术所需的高功率和高线性度，GaAs 仍将是 6 GHz 以下频段的主流技术。除此之外，GaAs 在汽车电子、军事领域方面也有一定的应用。

总结上述这些 III-V 族化合物半导体组件具有优异的高频特性，长期以来被视为太空科技中无线领域应用首选。

随着商业上宽带无线通信及光通讯的爆炸性需求，化合物半导体制程技术更广泛的被应用在高频、高功率、低噪声的无线产品及光电组件中。同时也从掌上型无线通信，扩散至物联网趋势下的 5G 基础建设和光通讯的技术开发领域。

总结：

砷化镓、氮化镓 MMIC 芯片作为手机生产的重要器件，20 世纪 90 年代中期就已取代了射频、微波领域里低性能硅基集成电路而成为无线通讯产业不可或缺的 IC 元件。因其工艺制造比硅器件困难大，以前国内尚无一家成熟的生产厂家，所需的射频功率芯片（GaAs MMIC 、GaN MMIC）主要依赖进口，这对我国半导体产业和通讯产业特别是即将推广应用的 5G 技术发展构成了重大屏障。

砷化镓（GaAs）、氮化镓（GaN）作为时下新兴的半导体工艺技术，尤其在高频率、高功率、高温度环境下实现的电源转换效率、功率密度、宽带稳定性等性能飞跃，成为光学存储、激光打印、高亮度 LED 和无线通讯特别是无线网络 5G 基站（移动通信、无线网络、点到点和点到多点通信）、手机、军工领域无可比拟的重要而关键器件。作为光电子、宽禁带半导体材料中耀眼的新星，GaAs 在 5G 通讯、物联网、OLED、太阳能电池等技术中的应用代表了当前和未来发展方向之一，作为有潜力的光电子材料，不但从生产到应用已经很成熟，而且稳定性和不错的性价比以及深加工后产品价值具有 10 倍的放大系数，未来市场也将保持 9%的年均增速；GaN 应用还有待开发、但却可以在更高频率、更高功率、更高温度下工作，在光学存储、激光打印、高亮度 LED 以及无线基站等领域的应用前景受到关注，在高亮度 LED、蓝光激光器和功率半导体领域是颇受欢迎的材料。

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审核编辑黄昊宇