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化合物半导体技术升级 打造次世代通讯愿景
[作者 王明德]   2017年08月24日 星期四 浏览人次: [12640]


宽频通讯成为近年来行动设备的必备技术,而随着应用领域的渐深渐广,目前的4G通讯标准将逐渐不敷使用,在市场驱动下,5G标准的制定已积极展开,预计2020年,市场将出现商业化应用,高速传输对行动设备带来严峻挑战,新世代的行动设备需要满足更高的温度、功率、电压、效能与抗辐射需求,就目前技术来看,具备宽能带、高饱和速度、高导热性和高击穿电场强度等特色的化合物半导体碳化矽 (SiC)、氮化?? (GaN) 无疑是市场上高温、高频及高功率元件材料的最隹解答,根据Yole Development的研究指出,2013年至 2022年,SiC功率半导体市场年均复合将达 38%,而 2016 年至 2020 年 GaN 射频元件市场复合年增长率将达到4%,因此,如何积极因应此一趋势,善用本身优势布局市场,将是台湾半导体产业这几年的重要课题。


持续精进的化合物半导体技术

络达科技技术长林??之博士就指出,与过去的通讯标准相较,5G在大幅强化传输速度、容量的同时,功耗不至於同步提升,为达成此一目标,通讯设备的内部设计也必须进化,在传统的蜂巢式通讯网路中,功率放大器(PA)往往是设备中功耗最大的元件,因此要解决此一问题,必须由PA着手。



图一 : 5G的标准制定已积极展开,新世代的行动设备需要满足更高的温度、功率、电压、效能与抗辐射需求。(Source: Microwave Journal)
图一 : 5G的标准制定已积极展开,新世代的行动设备需要满足更高的温度、功率、电压、效能与抗辐射需求。(Source: Microwave Journal)

而要解决5G PA的功耗问题,林??之博士表示除了从电路优化设计着手,还必须将网路系统、数据晶片、PA架构、PA设备同时考虑进去,至於在5G功率放大器的制程选择,CMOS与GaAs/GaN谁会胜出?林??之博士以方式指出,在Breakdown voltage、Power handling、Through wafer via、Substrate loss等部分,GaAs/GaN具有优势,至於在自行检测能力、复杂偏压电路设计、讯号处理能力、整合性、配置弹性、低供电电压能力方面,则是CMOS胜出,因此他认为在5G乃至於6G与毫米波的基地台设计,由於效能是主要考量,GaAa/GaN仍会继续存在,而以成本考量为主的物联网设备,具低耗电与低价设备特色的CMOS,将比GaAa/GaN更有机会,手持式装置部分,小於6GHz的设备,仍会采用GaAs/GaN或是CMOS+GaAs的复合式架构,至於毫米波市场,CMOS有可能全拿。


联钧光电竹科分公司总经理林昆泉博士,则针对GaN的磊晶晶圆制程提出相关看法,他指出在高耐热性、高击穿电压、高电子饱和度与高电流密度的电子产品设计需求中,GaN制成的半导体可在高频运作下,提供高功率输出,因此在新一代的应用如车用电子、电力管理系统、工业照明、携带式电子装置、通讯设备与消费性电子产品中,会有相当高的发展潜力。


林昆泉表示矽功率元件上的GaN未来将采用矽制程,在6寸磊晶矽晶圆片的每片晶片上,都含有上万颗的LED晶片,一般业界并不会不关心其颗粒数,但对於大晶片尺寸的功率器件来说,每片晶片只有不到千个芯片,而产量与晶粒数量有关,在这部分就会需要用创新的技术来将的磊晶晶圆的颗粒。


林昆泉指出,目前MOCVD设备的长晶,大多是采人工方式,以镊子放置,这种方式会导致颗粒大量增加至500颗以上,此一数量客户通常不会接受,另一种则是以机器手臂取代人工,机器手臂可将颗粒数大幅降低至100颗以下,因此目前的主要做法会是从机器手臂着手,而联钧光电的目标则是将其降至20颗以下,以符合市场需求,为此在联钧光电要求下,晶圆设备商Aixtron在2015年设计全球第一部出可维持摄氏600度、以卡匣对卡匣,不碰触晶圆表面的磊晶设备,成功达到目标。


从模组到封测 新世代通讯架构现身

稳懋半导体技术处处长王文凯博士,则针对GaAs在毫米波的前端模组解决方案提出看法,他指出GaAs pHEMT制程已被业界长期应用於无线通讯,例如点对点的射频传输与VSAT,目前稳懋半导体的pHEMT和PIN二极管主要技术平台,在效能与电路方面已有解决方案,他指出近年来GaAs技术的快速演进,让晶圆封装与通讯设备上的多数功能开始整合,此外,pHEMT和PIN二极管整合为PINHEMT的技术,在毫米波通讯系统前端模组也会有巨大潜力。



图二 : 对於大晶片尺寸的功率器件来说,每片晶片只有不到千个芯片,因此需要用创新的技术来将的磊晶晶圆的颗粒。(Source: CARDIFF)
图二 : 对於大晶片尺寸的功率器件来说,每片晶片只有不到千个芯片,因此需要用创新的技术来将的磊晶晶圆的颗粒。(Source: CARDIFF)

王文凯指出,目前已可用0.1um pHEMT执行E波段和D波段放大器,同时Ka-Band Doherty放大器和低噪放大器已透过o.15um增强模式完成,而Ka波段的switch则可由GaAs PIN二极管制程示范,这说明了GaAs pHEMT是毫米波领域相当适用的验证解决方案。


在方装技术方面,日月光技术处处长林弘毅博士表示,现在整体产业的问题在於摩尔定律逐渐趋缓,但市场上行动设备通讯需求与云端运算概念所带来的数据传输量却越来越庞大,目前半导体产业中任何一种晶片技术的提升速度,因此异系统整合就成为频宽问题的解决之道,现在客户对委外封测厂商的要求除了数位CMOS制程外,还必须提供射频与光学等技术的解决方案。


现在行动设备的射频模组与资料中心的矽光子模组,是目前云端运算平台的关键元件,这两类元件都需要有多元材料包括化合物半导体、矽和被动元件或特殊晶体等异材质的高速连通晶片,其中阻抗匹配和低??入损耗将是关键性能指标,在演讲过程中,林弘毅展示的射频模组和矽光子模组的新封装平台,同时具备了小型化、高效能与功能整合等特色,提供台湾产业最隹解决方案。


**刊头图片:(Source: CARDIFF)


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