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技术跟踪:初露端倪的氮化镓电子器件市场(摘要)

技术跟踪:初露端倪的氮化镓电子器件市场(摘要)2 A2 x3 k1 T u) Z! L
Technologytracking:Emerging Markets for GaN Electronics 0 v5 }4 x" j6 l
© IOP Publishing Ltd 2006
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$ W/ I- \$ U- I# ~6 j摘要+ a0 I r; R: n. `& [) q
最近几年大家已经看到以氮化镓 (GaN) 为基础的电子器件取得了令人印象深刻进步。以 GaN 为基础的晶体管已经表现出在多种的频率下发出高功率的良好性能,而可靠性已经成为大家关注的重点。其结果是,在2010前,在超过1G赫兹频率的军事和空间应用的电子器件将转向氮化镓基机构。 4 G: p) d  E9 X. P4 D

+ Y  a+ u) o$ L; Y# T然而,氮化镓微电子器件能否得到大范围的采用处决于制造商们能否以低成本制造出高性能的器件。以硅为衬底的氮化镓功率放大器被吹捧为一个划算的无线基站技术,这些技术将被用来提供先进的无线服务,在美国和日本,厂商们已经开始推出商业化的产品。与此同时,相对廉价得多的硅器件制造商们正在努力提升性能与效率,以期能够迎接来自氮化镓的挑战。 2 X9 [2 ~, V; P/ z% }
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这篇报告通过分析技术和商业战略来帮助氮化镓制造商们解决他们一直在寻求的与现存的射频技术(RF)有效竞争的方法。未来五年氮制造商们面临的主要挑战包括:降低商用氮化镓产品的价格,建立在大尺寸晶圆上进行高容量的制造工艺以及完成氮化镓电路与模块的更大规模的封装。
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氮化镓性能优势
4 j7 Z" f+ B3 M* A g4 ^! Q2 k, q基于氮化镓的电子器件能够比传统的硅或者砷化镓器件输出更大的功率和提供更高的效率。这些性能的提升源自氮化镓的宽禁带半导体特性:高饱和电子迁移率以及高击穿场。宽禁带材料还具备非常高的热传导性能,能够使基于氮化镓的电子器件能够在比其他诸如硅或者砷化镓器件高得多的温度下面工作。
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% L9 d, {0 F3 o u9 [7 v: m& r  P' X尽管氮化镓不是唯一的宽禁带半导体材料,但是他是唯一能够达到伪同晶异质结构的材料,这种结构是在高频率下达到高性能所必须的。碳化硅(SiC)是另外一种重要的宽禁带材料,但是异质结构的缺失制约了其在低频率时产生高功率。基于氮化镓的电子学还因为能够使用在巨大的发光二极管(LED)市场和基于氮化镓外延结构的激光市场而得到了发展。! F4 W; X7 b6 @% Q
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基于氮化镓的功率器件的潜力已经被公认了,但是材料技术和工艺处理技术是在最近才达到一个成熟的水平,而这一水平还是在实验室能够检测与论证器件的性能。衬底技术已经被证明是一个苛刻的挑战,氮化镓材料的高熔点阻止自然产生大体积衬底。尽管氮化镓晶片已经可以商业化生产,但是其成本还停留在阻碍其大规模应用的阶段。
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$ G8 P# g$ Y6 T" F. z9 p  f直到其成本成功的降低,氮化镓器件设计者必须持续的开发可供选择的衬底材料。随着基于SIC衬底的氮化镓器件在功率输出以及效率等性能方面不断的创造出新的记录,碳化硅(
# h. e* ]$ {( p5 W k$ pSiC)衬底已经被广泛的用于生长复杂器件结构。然而,这些器件的昂贵的价格以及长期可靠性都是大家关注的重点。7 E. a4 L7 V! T+ P! C5 t
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同时,有几个公司已经在更加便宜的硅衬底材料上开发出一些聪明的材料加工工艺。尽管氮化镓与硅在材料特性方面存在着很大的差异,那些在硅衬底上生长的氮化镓器件已经表现出令人印象深刻的性能和可靠性。商业化的产品已经开始出现,在未来的几个月里,初始现金流有望得到实现。
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, Y2 _  \$ Y( ?( H# Z) u目标市场 9 G3 \' D# x) I. i7 t- k
那些正在开发氮化镓技术的公司确信氮化镓器件超强的功率处理性能能够使其在一系列的应用中与现有的器件技术进行竞争。然而,不同的射频器件市场对成本和性能的要求有巨大的差异,这些差异导致材料的选择与器件的设计方面也不同。在每一个市场领域,氮化镓制造商必须确认他们的技术能够为终端用户带来确实可行的利益,并且还需要持续不断的改进,以便防止竞争技术对其技术优势的明显侵蚀。
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主要的几个目标市场包括: * \  w% n% b) v4 d
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无线基站市场:应用于无线蜂窝系统基站的功率放大器必须符合严格的性能标准,特别是那些准备将网络升级为3G的电信运营商。商用的氮化镓功率放大器已经开始面世,这些早期市场突破大部分发生在日本。氮化镓制造商必须在一个足够低的成本下提供确实的性能优势来取代硅基器件技术。
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+ X( b c. m4 `! W5 e2 @WiMAX(微波存取全球互通)市场:WiMAX是一种新的宽带无线通讯标准,这种标准是“最后一英里”宽带接入方案的首选。WiMAX基站要求功率放大器具备大功率、良好的线性和高效率,这些都是氮化镓技术的优势。美国Nitronex公司和日本Eudyna公司已经能够向市场提供商业化的WiMAX基站器件了,当然这些公司同时也能够提供硅和砷化镓的器件。" M8 v, ]0 R) j. D d. @( C- _( A
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卫星通讯市场:基于甚小口径卫星基站技术的双路卫星通讯是在那些没有架设多有线接入方式的地区开展宽带接入服务的最理想的选择。现有的砷化镓解决方案正在努力的适应市场需要,而像日本东芝公司等等的企业正在开发氮化镓器件以提供更高的功率和效率。
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防务和空间市场:国防和宇宙航空的承包人确信氮化镓将是满足未来系统需求的根本技术,未来系统需要在更小更轻的器件发出足够高的功率。关键的应用包括:相控阵雷达、智能武器、电子对抗系统和军事通讯。对于氮化镓制造商而言,航空及军事市场至关重要,这个市场对性能和可靠性的看重大于成本。: K. Z" H+ w+ O y: c
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市场演化
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随着商业氮化镓产品的面世,氮化镓电子器件的销售额预计将从2005年的实质上的无在2009年增长到3亿美元。然而,氮化镓电子学需要寻找到一个“杀手级应用”,以便推动市场容量的扩大和价格的降低。
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鉴于氮化镓基的器件给与传统的射频技术提出了非常严肃的挑战,器件设计者和制造商必须面对以下的问题:, c; z1 m) L% l( |, Z
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成本:诸如Nitronex和Eudyna等的公司坚信:一旦成本与砷化镓 pHEMT 技术相差不多,氮化镓器件将是无线通讯系统的唯一选择。制造商尚需要拿出令人信服的证明,来向那些潜在的客户证明他们过去曾经怀疑过的技术能够为他们带来真正的性能提升与富有成效的利益。
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生产能力:在大尺寸的晶圆上生产当然能够降低成本,但是碳化硅基材晶圆尺寸限制了其生产:现有的SIC基材生产流程以及工艺上无法达到给予氮化镓外延生长的6寸的水平,而这一水平是硅基材常用的技术。制造商们已经与设备供应商合作开发能够使氮化镓材料在更大面积的晶圆片外延生长的工作。
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市场需求:本报告所提及的大部分应用都不能表明:市场需求的扩大能够使价格降低。氮化镓制造商现在都相信WiMAX市场的大规模的应用将是推动市场需求扩大并使大面积的晶圆片得到使用的关键。+ h9 R6 U0 ]5 H% o1 L# m4 c; [
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可靠性:可靠性将是氮化镓器件在空间以及防务应用市场上面对的最多的质疑,改善以及证明其长期可靠性将是器件工程师们要面对的关键问题。
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工作模块的开发:大规模的整合一些现有的无源元件对于降低氮化镓器件的成本、尺寸以及重量而言至关重要。GaN MMIC技术是一个早期的发展阶段,虽然其他的一些整合技术也在研究之中。# }9 `! v3 _! R
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毫无疑问,制造商们在氮化镓微电子产品市场达到一个稳定的的增长规模而且这一增长能够支撑行业发展以前将面临一系列的挑战。然而,如何提升产品性能与可靠性以及在一个大尺寸的晶圆上制造器件的工艺等等问题将会在最近的几年内依次得以解决。* V! U! z7 d# L+ N I6 i9 Z

! V7 X+ o1 `( G/ W, v+ q必然的,在近几年内,我们将看到氮化镓技术逐步的进入其目标市场,首先是进入太空、防务以及WIMAX市场,然后进入到WCDMA的市场。到了2010年,氮化镓技术可能成为一个甚至是唯一的在高性能射频应用市场上成熟的选择。