成為近年來行動設備的必備技術,而隨著應用領域的漸深漸廣,目前的4G通訊標準將逐漸不敷使用,在市場驅動下,5G標準的制定已積極展開,預計2020年,市場將出現(xiàn)商業(yè)化應用,高速傳輸對行動設備帶來嚴峻挑戰(zhàn),新世代的行動設備需要滿足更高的溫度、功率、電壓、效能與抗輻射需求,就目前技術來看,具備寬能帶、高飽和速度、 高導熱性和高擊穿電場強度等特色的化合物半導體碳化硅 (SiC)、氮化鎵 (GaN) 無疑是市場上高溫、高頻及高功率組件材料的最佳解答,根據(jù)Yole Development的研究指出,2013年至 2022年,SiC功率半導體市場年均復合將達 38%,而 2016 年至 2020 年 GaN 射頻組件市場復合年增長率將達到4%,因此,如何積極因應此一趨勢, 善用本身優(yōu)勢布局市場,將是臺灣半導體產(chǎn)業(yè)這幾年的重要課題。
持續(xù)精進的化合物半導體技術
絡達科技技術長林珩之博士就指出,與過去的通訊標準相較,5G在大幅強化傳輸速度、容量的同時,功耗不至于同步提升,為達成此一目標,通訊設備的內(nèi)部設計也必須進化,在傳統(tǒng)的蜂巢式通訊網(wǎng)絡中,功率放大器(PA)往往是設備中功耗最大的組件,因此要解決此一問題,必須由PA著手。
圖一 : 5G的標準制定已積極展開,新世代的行動設備需要滿足更高的溫度、功率、電壓、效能與抗輻射需求。
而要解決5G PA的功耗問題,林珩之博士表示除了從電路優(yōu)化設計著手,還必須將網(wǎng)絡系統(tǒng)、數(shù)據(jù)芯片、PA架構、PA設備同時考慮進去,至于在5G功率放大器的制程選擇,CMOS與GaAs/GaN誰會勝出? 林珩之博士以方式指出,在Breakdown voltage、Power handling、Through wafer via、Substrate loss等部分,GaAs/GaN具有優(yōu)勢,至于在自行檢測能力、復雜偏壓電路設計、訊號處理能力、整合性、配置彈性、低供電電壓能力方面,則是CMOS勝出,因此他認為在5G乃至于6G與毫米波的基地臺設計 ,由于效能是主要考慮,GaAa/GaN仍會繼續(xù)存在,而以成本考慮為主的物聯(lián)網(wǎng)設備,具低耗電與低價設備特色的CMOS,將比GaAa/GaN更有機會,手持式裝置部分,小于6GHz的設備,仍會采用GaAs/GaN或是CMOS+GaAs的復合式架構,至于毫米波市場,CMOS有可能全拿。
聯(lián)鈞光電竹科分公司總經(jīng)理林昆泉博士,則針對GaN的磊晶晶圓制程提出相關看法,他指出在高耐熱性、高擊穿電壓、高電子飽和度與高電流密度的電子產(chǎn)品設計需求中,GaN制成的半導體可在高頻運作下,提供高功率輸出,因此在新一代的應用如車用電子、電力管理系統(tǒng)、工業(yè)照明、攜帶式電子裝置、通訊設備與消費性電子產(chǎn)品中,會有相當高的發(fā)展?jié)摿Α?/p>
林昆泉表示硅功率組件上的GaN未來將采用硅制程,在6吋磊晶硅晶圓片的每片芯片上,都含有上萬顆的LED芯片,一般業(yè)界并不會不關心其顆粒數(shù),但對于大芯片尺寸的功率器件來說,每片芯片只有不到千個芯片,而產(chǎn)量與晶粒數(shù)量有關,在這部分就會需要用創(chuàng)新的技術來將的磊晶晶圓的顆粒。
林昆泉指出,目前MOCVD設備的長晶,大多是采人工方式,以鑷子放置,這種方式會導致顆粒大量增加至500顆以上,此一數(shù)量客戶通常不會接受,另一種則是以機器手臂取代人工,機器手臂可將顆粒數(shù)大幅降低至100顆以下,因此目前的主要做法會是從機器手臂著手,而聯(lián)鈞光電的目標則是將其降至20顆以下,以符合市場需求,為此在聯(lián)鈞光電要求下, 晶圓設備商Aixtron在2015年設計全球第一部出可維持攝氏600度、以卡匣對卡匣,不碰觸晶圓表面的磊晶設備,成功達到目標。
從模塊到封測 新世代通訊架構現(xiàn)身
穩(wěn)懋半導體技術處處長王文凱博士,則針對GaAs在毫米波的前端模塊解決方案提出看法,他指出GaAs pHEMT制程已被業(yè)界長期應用于無線通信,例如點對點的射頻傳輸與VSAT,目前穩(wěn)懋半導體的pHEMT和PIN二極管主要技術平臺,在效能與電路方面已有解決方案,他指出近年來GaAs技術的快速演進,讓晶圓封裝與通訊設備上的多數(shù)功能開始整合, 此外,pHEMT和PIN二極管整合為PINHEMT的技術,在毫米波通訊系統(tǒng)前端模塊也會有巨大潛力。
圖二 : 對于大芯片尺寸的功率器件來說,每片芯片只有不到千個芯片,因此需要用創(chuàng)新的技術來將的磊晶晶圓的顆粒。
王文凱指出,目前已可用0.1um pHEMT執(zhí)行E波段和D波段放大器,同時Ka-Band Doherty放大器和低噪放大器已透過o.15um增強模式完成,而Ka波段的switch則可由GaAs PIN二極管制程示范,這說明了GaAs pHEMT是毫米波領域相當適用的驗證解決方案。
在方裝技術方面,日月光技術處處長林弘毅博士表示,現(xiàn)在整體產(chǎn)業(yè)的問題在于摩爾定律逐漸趨緩,但市場上行動設備通訊需求與云端運算概念所帶來的數(shù)據(jù)傳輸量卻越來越龐大,目前半導體產(chǎn)業(yè)中任何一種芯片技術的提升速度,因此異系統(tǒng)整合就成為帶寬問題的解決之道,現(xiàn)在客戶對委外封測廠商的要求除了數(shù)字CMOS制程外,還必須提供射頻與光學等技術的解決方案。
現(xiàn)在行動設備的射頻模塊與數(shù)據(jù)中心的硅光子模塊,是目前云端運算平臺的關鍵組件,這兩類組件都需要有多元材料包括化合物半導體、硅和被動組件或特殊晶體等異材質(zhì)的高速連通芯片,其中阻抗匹配和低插入損耗將是關鍵性能指針,在演講過程中,林弘毅展示的射頻模塊和硅光子模塊的新封裝平臺,同時具備了小型化、高效能與功能整合等特色, 提供臺灣產(chǎn)業(yè)最佳解決方案。