砷化镓应用就在你身边(1) — 商用无线通讯市场

砷化镓HBT与pHEMT在无线通讯之应用

砷化镓代工背景

砷化镓(GaAs)主要应用于射频(RF)通讯元件，稳懋半导体为专业砷化镓晶圆代工厂，其营运模式如同台积电，晶圆厂本身不从事电路设计，致力提供高品质代工服务。稳懋主要替客户生产异质接面双极性晶体管(HBT)，及应变式高电子迁移率晶体管(pHEMT)，在一般通讯射频电路方面，HBT与pHEMT主要应用于手机与Wi-Fi (IEEE 802.11 a/b/g/n)功率放大器、及射频开关。过去在砷化镓纯代工服务尚未完全成熟前，一些本身无晶圆厂的设计公司很难与整合元件厂(IDM)大厂竞争，即使成功研发产品，却又因产品推出时程落后IDM大厂而难以进入供应链，如今砷化钾专业代工服务，替这些无晶圆厂的射频电路设计公司增加竞争力，同时也带动晶圆代工厂本身业绩成长。

台湾砷化镓代工服务已趋成熟

近年来台湾砷化镓产业包括上游磊晶、晶圆代工及封装测试已有长足进步，能提供较低成本且高效率晶圆制造，并提供定制化服务。例如稳懋目前提供多种HBT与pHEMT制程以满足不同客户需求，客户在产品初期研发阶段即与代工厂密切合作，射频电路工程师可向代工厂索取设计上所需的各种制程参数与量测数据，因为产品设计初期需要大量制程信息，藉由与晶圆厂密切沟通，电路设计者可更加了解元件特性，并随时回报试产芯片测试结果，而代工厂根据量测结果进行元件分析，进一步提高制程良率，并缩短量产时程，目前稳懋已提供完整制程设计套件，其中包含应用手册、主动及被动元件模型、元件电性量测数据、标准元件数据库、以及布局检验套件，能简化设计流程，此外，针对客户特殊需求的元件亦有能力为其萃取元件模型，进一步提高电路模拟的精确度。

现阶段砷化镓无线通讯应用

根据Strategy Analytics预测，全球砷化镓无线通讯市场在2011年将超过35亿美元，主要应用在功率放大器及射频开关。以无线区域网络Wi-Fi为例，目前普及的802.11 a、b、g大多使用HBT制程的功率放大器及pHEMT制程的射频开关，在系统应用上，离散式封装及多芯片SiP封装皆是可行方式，如果是采用离散式封装的2.4GHz 802.11b、g射频前端模块，需搭配一颗功率放大器IC，及另一颗射频开关IC，相较之下使用SiP封装仅需一颗IC，因为SiP技术将功率放大器与射频开关芯片，及其他被动元件封装于同一颗IC中，可减少使用面积。虽然SiP可降低系统面积，但射频开关与功率放大器为分属pHEMT及HBT制程的两个独立芯片，整体系统整合度仍受限。

台湾砷化镓代工厂提供高整合度制程

为了提升系统整合度，近年来稳懋已成功整合pHEMT与HBT制程于同一砷化镓芯片，由于pHEMT属场效晶体管，此制程又称为BiFET技术，类似矽制程的BiCMOS，除提高整合度也提高射频电路设计灵活度。pHEMT晶体管分成空乏型及增强型，空乏型pHEMT具有高增益及低功率损耗，且具面积小之优势，目前已大量应用于无线通讯射频开关上；而增强型pHEMT具有低杂讯、高增益特性，传统上应用于低杂讯放大器，市面上亦有部份Wi-Fi射频前端SiP模块加入了pHEMT制程的低杂讯放大器，有助于提升通讯品质；此外，将pHEMT晶体管应用于HBT功率放大器的偏压及控制电路也可降低功率消耗。根据上述，BiFET技术可整合功率放大器、射频开关、低杂讯放大器、偏压控制电路，及逻辑电路于单一砷化镓芯片，可大幅缩小电路面积，降低芯片测试时间，提升客户产品竞争优势。稳懋的BiFET制程整合HBT、空乏型pHEMT、及增强型pHEMT于单一六寸砷化镓晶圆，并提供三层金属做为连接层，技术层次领先其他砷化镓代工厂，适用于高整合型射频电路，目前已有客户用于手机、Wi-Fi、以及WiMAX产品。

砷化镓无线通讯Wi-Fi市场大幅成长

近几年Wi-Fi市场迅速由802.11 a、b、g演进至802.11 n，亦即MIMO (Multi-Input Multi-Output)，利用多重输入及多重输出无线通讯技术，采用数个收发模块及多根天线传送并接收信号，可获得数倍于传统单天线系统的数据传输率。802.11 n的蓬勃发展带动了Wi-Fi功率放大器及射频开关的市场需求，砷化镓代工厂产能也因而受惠。由于功率放大器或射频开关芯片的使用量由1至2颗倍数成长成4至6颗，而BiFET制程将实现最高整合度的802.11 n射频前端电路，例如同时将2组2.4及5GHz功率放大器、2组2.4及5GHz低杂讯放大器、3组射频开关、偏压与功率检测电路、以及逻辑控制电路整合于单一芯片，大幅缩小芯片面积。

砷化镓主宰手机功率放大器、射频开关市场

手机一向是砷化镓元件最大市场，HBT主宰了手机的功率放大器市场，2G/2.5G手机仅需搭配2颗功率放大器芯片，随着全球3G及网络的持续部署，3G已成为新型手机的标准，例如手机必须同时支持3G的WCDMA及以往2G的GSM，一支多频多模的3G手机可能搭配高达4至6颗功率放大器芯片，以符合运营商的各种网络技术规范，并同时满足漫游需求，而WCDMA的每个频段各自需要一颗功率放大器芯片。根据市场研究机构数据，2008年以后全球2G/2.5G手机出货量将逐年下滑，而3G手机则逐年攀升，也意味着3G手机功率放大器需求将逐年成长，带动砷化镓代工厂产能。同样的，以往2G手机亦使用pHEMT制程的射频开关，进入3G时代，支持多频多模的射频开关必须以更大芯片面积实现，同样增加pHEMT制程产量。此外，高端3G手机如智能手机往往整合Wi-Fi功能，加上未来4G移动通讯技术LTE (Long Term Evolution)应用，可预期的是未来单一手机内的功率放大器数目将持续增加。

除了3G手机，近年来3G网卡也逐渐流行，透过3G技术，搭配3G网卡的NB即可使用3G门号无在线网，因此只要在有基站信号的地方就可上网，大幅增加上网的便利性。如同3G手机，3G网卡亦须搭配HBT功率放大器，以及pHEMT射频开关。事实上3G网卡如同不具对话及多媒体影音功能的手机，其仅具备上网功能，同时也向下支持2G/2.5G上网，因此一组3G网卡也须搭配多颗功率放大器芯片。

大陆山寨机市场蓬勃发展进阶带动大陆本土射频IC设计产业，一些新兴功率放大器设计公司陆续崛起，其利用台湾砷化镓晶圆代工优势，持续推出手机功率放大器产品，期能与国际IDM大厂抗衡。由于大陆有数百家山寨机设计公司，功率放大器需求量庞大，在台湾砷化镓代工厂与大陆功率放大器设计公司的合作下，研发的产品能提供价格上的竞争优势。

砷化镓WiMAX市场极具成长性

台湾近几年已将WiMAX网络建设纳入国家发展重点；而于国际上，在Intel的大力支持下，WiMAX产品的出货成长力道不容小觑，WiMAX能解决都会区和长距离应用中Wi-Fi的缺点，现阶段WiMAX设计上亦采用类似802.11 n的多重输入及多重输出MIMO方案，因此砷化镓功率放大器与射频开关在WiMAX的应用将持续增加。Strategy Analytics预测WiMAX市场将由2007年的150万用户成长至2012年的3400万用户。

综合以上分析，全球砷化镓无线通讯市场将维持成长，台湾砷化镓晶圆代工前景看好，未来有机会将全球市占率提升至50%。(本文由稳懋半导体提供，DIGITIMES整理)

图説：全球手机标准趋势图