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GaAs元件

因Ⅲ-Ⅴ族化合物半導體具備高工作頻率、低雜訊、抗天然輻射、能源使用率佳、能階帶可調整、電子移動速度快等優點,而發展為近年無線通訊、光纖通訊及光顯示之關鍵組件。

砷化鎵微波元件主要有三種:HBT(異質接面雙極電晶體)、PHEMT(假晶高速電子移動電晶體)及MESFET(金屬半導體場效電晶體)。

其中,HBT因物理特性具備高線性度、良好寬頻響應、高崩潰電壓、高增益、高效率、較低寄生效應、無需負偏壓設計、低相位雜訊等優點,致使其功能顯現具有功率放大倍率佳、待機耗電流較低、體積小等特色,故在符合行動電話產品發展趨勢下,HBT已逐漸成為市場上手機及無線區域網路(WLAN)用PA之主流技術。 

PHEMT則因具有超高頻及低雜訊特性,使其在高功率基地台,低雜訊放大器(LNA)及RF Switch上佔有重要地位。MESFET因其結構簡單,可以直接使用標準晶片製造,成本最低,而成為往年使用最廣泛者。 

HBT、PHEMT及MESFET三者間最大的差異在於HBT為少數載子元件、以電流源控制、三極(基極(Base)、集極(Collector)、射極(Emitter))呈垂直排列結構、元件電流以垂直方式傳導、無須負偏壓設計及下游僅需採用微米製程。 

而PHEMT與MESFET則為多數載子結構、以電壓源控制、三極(閘極(Gate)、源極(Source)、汲極(Drain))呈水平結構、元件電流以水平方式傳導與下游須採次微米製程。下表為三種元件結構之特性的比較表: 

                                   HBT                   PHEMT             MESFET
晶圓成長方式    MBE/MOCVD     MBE/MOCVD            None
元件尺寸大小             小                         中                         大
頻率範圍               ≦18GHz            ≦100GHz          ≦18GHz
負閘極電流                沒有                      有                         有
線寬                          1.0~2.0            0.15~0.5             0.15~0.5
市場狀態                    成長                    成長                     成熟 


MESFET是最早應用的砷化鎵電晶體,生產技術成熟、成本較低。PHEMT因為InGaAs的加入,其性能比MESFET或AlGaAs/GaAs HEMT還優異。特別適用於RF Switch的應用使得它未來在電腦與電腦間的無線區域網路(Wireless Local Area Network,WLAN)、用以固網長途無線傳輸的無線本地迴路(Wireless Local Loop,WLL),乃至於光纖通訊、衛星通訊、點對點微波通訊、衛星直播、有線電視、數位電視應用、Automobile radar、汽車防撞系統等應用,都有相當大的成長空間。早期手機的RF Switch採用Si的diode為主,但近年來由於3G手機的品質要求提高,且晶片面積必需減小,因為PHEMT正符合這方面的需求,因此PHEMT正逐漸取代Si PIN diode在手機RF Switch的應用。'

HBT算是GaAs領域中較新的技術,其線性效果佳及功率效益較佳的特性,正符合目前講求輕薄短小、待機時間長的行動電話需求。HBT待機耗電流最小,另因功能元件體積小,致使其晶粒相對成本最低,而無須負閘極電流設計及下游加工線寬要求低均能進一步降低生產成本,使其於近年來大量應用於手機,WLAN及Auto mobile radar之功率放大器(PA)。


砷化鎵產業結構

在化合物半導體中,目前最廣泛應用在通訊產品上的,就是砷化鎵(GaAs)材料;特別是在行動電話、無線區域網路(WLAN)及Auto mobile radar上更是應用的關鍵零組件,從上游的磊晶(epitaxy)、中游的晶圓代工(Foundry)、到下游的封裝測試,都吸引了大量的資金投入。根據Strategy Analytic 的研究,受惠於行動通訊及WLAN的高度成長,砷化鎵磊晶片市場由2005年至2010年的年平均複合成長率(CAAGR)為18%。

就行動電話而言,砷化鎵的主力應用在於PA,然而隨著砷化鎵元件的技術成熟,成本降低及3G 手機功能上的要求,其在手機上的應用也日益廣泛,除了PA外RF Switch也被認定為下一波取代Si元件在手機及WLAN應用的重要元件,且由於3G手機及新型WLAN 應用上PA及Switch用量將為原來2G手機、2.5G手機或舊型WLAN的數倍,因此砷化鎵磊晶片的市場成長將遠大於手機及WLAN市場成長。

就砷化鎵IC的市場規模來看,根據Strategy Analytics分析指出,2006年砷化鎵IC產值可達30 億美元,並隨著行動電話及無線域網路的蓬勃發展(例如3G手機中使用砷化鎵元件的比重,將比2G或2.5G手機高出3倍以上),預估至2010年砷化鎵IC的產值將達40億美元。

砷化鎵製程與矽最大的不同點,就在於砷化鎵的磊晶過程比較複雜,所以才形成了單獨的磊晶事業,目前國內投入的廠商,包括全新、巨鎵、台灣高平等,而矽的磊晶步驟則多在晶圓廠中進行。砷化鎵磊晶廠必須先取得基板晶圓之後才能進行磊晶。磊晶會因產品之用途不同,於砷化鎵晶圓片上面放上一些特定的材料,例如:AlGaAs、InGaP等。

參考資料:http://www.osc.com.tw/study1/monthly/9610/9610_GaAs.pdf
 
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