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雙成長引擎驅動的第三代半導體技術氮化鎵GaN(下)

關鍵要點:

  • 5G行動通訊推升GaN需求快速成長;
  • GaN射頻技術實現更高功率、更低系統成本、更小射頻前端尺寸;
  • GaN射頻技術門檻高,RF元件大廠與大型半導體公司將主導市場;

5G行動通訊網路的低延遲、高速率、廣連結的特性,將能賦能萬物聯網,實現自駕車、智慧城市和人工智慧的各種應用。但隨著5G對發射功率、頻率的要求提升,3G/4G普遍使用的GaAs砷化鎵技術,逐漸無法滿足需求。

GaN的高頻率、高功率、低功耗的特性,在5G的小型基地站、衛星通訊、有線電視、雷達甚至未來手機等市場有越來越廣泛的應用

GaN氮化鎵射頻應用與通訊頻譜關係
GaN射頻技術應用與通訊頻譜關聯


GaN在射頻通訊的角色

無線射頻通訊架構

無線通訊系統主要由基頻晶片(Modem)、射頻收發器(RF Tranceiver/Receiver)、射頻前端(RF Front End)及天線(Antennas)四大部分組成。

資訊的傳送是先由基頻晶片將數位訊號經過數位調變轉換成類比訊號後,經過濾波器過濾出正確頻率、再由射頻前端的功率放大器(PA,Power Amplifier)將電磁波放大到能傳送的功率,再經雙工器、開關等將電磁波傳送到天線,最後由天線將電磁波發送到基地台,而5G要求PA能提供更高的頻率、更大的功率,氮化鎵GaN成為最佳選擇

功率放大器PA為無線射頻通訊中的核心元件,圖片來源:Qualcomm


GaN功率放大器市場機會

射頻前端(RF Front End)中的功率放大器(PA)、濾波器兩者的市場規模佔整體RF元件的60%以上,功率放大器佔比最高,到2025年市場將達到104億美金,是RF元件成長的主要推手,而GaN的最大市場機會就在功率放大器PA上

射頻前端市場預估,功率放大器PA在其中佔比最大,資料來源:Yole Developpement


功率放大器主要廠商

如同基頻晶片被主要供應商的高通、聯發科、三星等手機晶片大廠所主導,功率放大器(PA)主要由Skyworks、Qorvo、Broadcom、Murata四家大廠所壟斷

其中Skyworks、Qorvo專注於射頻領域,Broadcom產品眾多且原有意淡出PA領域,日商Murata則市占率不到10%,主要專注濾波器、被動元件。

Skyworks:成立於1962年,技術強項在GaAs技術,產品應用在RF射頻前端的主動、被動元件以及模組整合,超過50%的營收來自Apple,其他營收來自濾波器、微型基地台應用等,目前已推出GaN PA產品,跟Qualcomm合作頗深;

Qorvo:在RF領域耕耘超過30年,由TriQuint和RFMD兩家公司在2014年合併而成,佈局GaN磊晶技術已久,並自有晶圓廠,2015年就開始6吋GaN-on-SiC晶圓的生產。在軍事雷達、基地台與航太衛星、手機佈局頗深,根據Bloomberg的資料,超過30%營收來自Apple。除了PA之外,Qorvo也是BAW濾波器大廠,出貨已經超過90億顆;

Broadcom:產品橫跨CPU、交換機、乙太網路晶片、Wi-Fi與藍牙modem等,前端射頻事業較是輔助角色。原計畫在2019年出售RF事業,據傳Apple為可能買家,但雙方在2020年簽署了150億美元合約,RF事業體獲得大客戶Apple的支持;

Murara:產品線相當多元,除RF前端模組外,還包含液晶高分子軟板、Wi-Fi與藍牙模組、被動元件等,在PA領域為四家廠商中占比最低者,另外也是SAW濾波器大廠。

手機RF Front End的生態系統,資料來源:Yole Developpement 2019


GaN技術射頻應用優勢

GaN基板技術

GaN受限於其物理特性,很難直接長成基板,目前Bulk GaN基板技術只能做到2~3英吋,因此主要還是在其他晶格相近的基板材料上沈積生長。

  • GaN-on-Si:在傳統的矽晶圓基板上長晶具有成本優勢,但兩種材料晶格差異較大,技術成熟度與製程良率還需進一步提升,較適合消費、衛星通訊、有線電視、無線通訊基地台回傳系統等
  • GaN-on-SiC:在SiC晶圓基板上長晶,因為兩者晶格相同,且SiC導熱係數為Si的三倍,產品性能較佳但成本較高,適合要求性能、價格較不敏感的應用,例如5G基地台、國防領域等
  • GaN-on-Diamond:性能最佳但成本最高,應用侷限於高階衛星通訊、軍事國防用途

在市場發展前景上,根據Yole Developpement的預期,2025年之前GaN-on-SiC具有較大的市場需求,之後隨著GaN-on-Si的技術成熟與手機端的導入,需求量有機會在2030年前超過GaN-on-SiC。隨著5G的導入,兩者都能得到快速成長,性能上 GaN-on-SiC更優秀,適合基地台,而GaN-on-Si較具備成本優勢,較被看好能進入手機終端

GaN-on-XX基板應用趨勢,資料來源:Yole Developpement

GaN與其他射頻材料技術比較

在不同射頻技術應用上,目前消費終端產品多採用CMOS、GaAs技術,高功率基地台則是GaAs和GaN的天下。

在操作頻率上,雖然SiGe(矽鍺)、GaAs(砷化鎵)、GaN-on-SiC都能達到100GHz,但5G因為訊號穿透力較弱,需要更高的發射功率,在輸出功率上是GaN-on-SiC > GaN-on-Si > GaAs > SiGe

目前射頻領域常用的GaAs砷化鎵材料技術,因其工作電壓、散熱係數較低,限制了輸出功率水平,而GaN技術則能實現更高的功率、簡化的系統設計、更低的系統成本,因此在射頻功率放大器PA上有明顯的競爭優勢

GaN/SiC、GaN/Si、GaAs、SiGe、Si的射頻特性比較,資料來源:Analog Device

在5G MIMO天線設計上,GaN因為其輸出功率大,能夠大幅縮小模組尺寸,除了高性能外,小尺寸也是重要的競爭優勢。

GaN在5G毫米波天線的優勢 - 大幅縮小尺寸、降低功耗及成本

目前手機行動通訊 3G/4G 主要採用 GaAs 材料製作功率放大器(PA),其技術已經成熟且穩定可靠。但 GaN 能實現更高的電壓,減少損耗、提升效率、進一步縮減晶片尺寸,甚至整合成微型化前端射頻模組晶片,隨著GaN技術演進,已經進入商業市場,成本進一步降低後,更可望滲透至手機市場。

5G射頻前端採用GaN vs GaAs的競爭優勢 - 更小尺寸、更高功率密度


GaN射頻應用市場前景

早期GaN射頻無線技術發展主要受到美國DARPA(國防先進研究局)的支持,主要應用在國防軍事領域,爾後逐漸往有線電視、衛星通訊發展,4G LTE時代開始進入基地台應用,隨著5G在2020年開啟導入,市場將迎來加速成長。

在射頻通訊領域,預估2025年之前GaN-on-SiC為應用主力,隨著成本降低、技術成熟,預估到2030年GaN-on-Si有機會超越成為市場主力。

GaN-on-XX技術應用領域 vs 元件出貨量,資料來源:Yole Developpement

根據Yole Developpement的預測,GaN射頻元件市場將從2019年的7.4億美金成長到2025年的20億美金,前三大市場分別在軍事、通訊基礎建設和衛星通訊領域,主要貢獻來自GaN-on-SiC技術。目前GaN最主要的應用是在射頻通訊的功率放大器PA上,但隨著製程工藝的成熟,長期來看可望應用在更多的RF元件領域。

GaN射頻元件市場預估,資料來源:Yole Developpement


GaN射頻應用投資機會

GaN產業鏈(包含RF、Power)

GaN產業鏈相關公司(包含RF及Power),資料來源:Yole Developpement

上游基板(GaN、SiC)

在GaN/SiC上游基板上,主要廠商有美國的Cree($CREE)/Wolfspeed、II-VI($IIVI),日本Rohm旗下的SiCrystals、Mitsubishi Chemical,歐洲的EpiGaN、Siltronic,台灣的台積電($TSM)、嘉晶和晶元光電(偏重功率應用),以及大陸的SICC(山東天岳)、北京天科合達等公司。

RF元件

全球的射頻晶片市場,原被幾乎被Qorvo($QRVO)、Skyworks($SWKS)、Broadcom($AVGO)三大射頻晶片公司壟斷,但Cree/ Wolfspeed在2018年以3.4億歐元收購Infineon英飛凌的RF Power事業,提供完整自上游基板到下游RF元件的完整GaN元件設計生產能力;NXP恩智浦($NXP)在美國設立的6吋RF GaN晶圓廠也在2020年9月正式開始營運;意法半導體則在2018年自通訊大廠Macom授權GaN-on-Si技術,並在2020年宣布與台積電合作開發晶圓製程技術。

隨著GaN晶圓代工技術的發展,預期將會有更多Fabless的RF GaN晶片設計公司,例如Altum、Iconic、大陸的飛驤科技(Lansus)等,但RF射頻領域技術門檻極高,是否能成功仍有待觀察。

磊晶、晶圓代工

在晶圓製程部份,台灣的台積電($TSM)、漢磊(Episil)、穩懋(WIN)、全新光電(VPEC)、晶元光電/晶成半導體等都提供磊晶代工服務,環宇通訊(GCS)、XFAB、三安光電、海特高新、韓國Wavice等。

結語

隨著5G通訊技術的導入,GaN在射頻RF領域的技術優越性,可望迎來高速的成長,而GaN技術得以實現更高功率、更低系統成本、更小射頻前端尺寸,然而RF技術本身難度高,預期長期耕耘的RF無線通訊大廠以及資源雄厚的國際大廠有更好的市場機會。

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