GaN射頻技術(shù)將如何發(fā)展

以5G為代表的Sub 6G通信射頻系統(tǒng)非常復(fù)雜，尤其是那些需要使用高載波頻率和寬頻帶的新技術(shù)，包括載波聚合、Massive MIMO等。為此，很多半導(dǎo)體公司在技術(shù)上全面開花希望利用先進(jìn)的半導(dǎo)體工藝技術(shù)應(yīng)對(duì)甚至引領(lǐng)新一代的通信技術(shù)需求。以ADI為例，該公司全面擁有GaN、GaAs和SiGe以及28納米CMOS等完整工藝，努力打造更具高集成度、低功耗和低成本的整合系統(tǒng)解決方案。

然而，在下一步的5G系統(tǒng)部署以及高端測試應(yīng)用和衛(wèi)星及航天應(yīng)用中，無疑以高帶寬和大功率為優(yōu)勢的GaN是其中的佼佼者，正在進(jìn)入許多應(yīng)用領(lǐng)域。那么，GaN射頻技術(shù)將如何發(fā)展？

1.襯底技術(shù)以SiC為主，襯底外延向大尺寸、低缺陷方向提升

高質(zhì)量的襯底和外延材料決定著器件的性能，而大尺寸的材料決定著器件的成本。未來5-10年，預(yù)計(jì)主流SiC、Si襯底將突破到6-8英寸。

（1）SiC襯底技術(shù)仍是主流，Si襯底有小部分應(yīng)用

目前90%以上GaN射頻器件采用高純半絕緣SiC襯底技術(shù)，少部分采用Si襯底技術(shù)。

▲SiC/Si基GaN技術(shù)市場占有率預(yù)測

數(shù)據(jù)來源：Yole，CSA Research

SiC襯底的優(yōu)勢在于：散熱性能好，可以滿足大功率器件的散熱要求、外延工藝較為成熟，外延片缺陷密度較低、供應(yīng)鏈體系較為完善；但缺點(diǎn)在于襯底尺寸相對(duì)較小。SiC基GaN射頻器件適用于受性能驅(qū)動(dòng)較大的應(yīng)用領(lǐng)域，其射頻器件的優(yōu)勢在于優(yōu)異的器件性能，能同時(shí)實(shí)現(xiàn)高頻高增益，適用于性能驅(qū)動(dòng)的領(lǐng)域，如國防、宏基站等。

Si襯底的優(yōu)點(diǎn)在于：生長工藝成熟，可擴(kuò)展的晶圓尺寸較大，襯底價(jià)格較便宜，且基于成熟大尺寸Si襯底加工和與CMOS工藝兼容的器件加工工藝，規(guī)模量產(chǎn)后可以實(shí)現(xiàn)低成本；但是缺點(diǎn)在于Si襯底與GaN外延層晶格適配較大，外延片存在較高缺陷密度，且由于Si襯底散熱性能較差，主要適用于中小功率器件（因?yàn)橥ǔＧ闆r下，工作頻率越高，對(duì)器件的輸出功率要求會(huì)降低，因而對(duì)散熱要求也會(huì)同步降低）。因此Si基器件適用于受成本驅(qū)動(dòng)較大以及對(duì)輸出功率要求相對(duì)較低的應(yīng)用領(lǐng)域，如無線回傳以及小基站、射頻能量（例如微波爐加熱功能）、有線電視（CATV）、衛(wèi)星通信系統(tǒng)（VSAT）等領(lǐng)域。

▲SiC基、Si基GaN技術(shù)適用領(lǐng)域?qū)Ρ?/p>

資料來源：Yole，CSA Research

（2）襯底及外延材料向更大尺寸和更低缺陷發(fā)展

襯底和外延材料將繼續(xù)沿著大尺寸、低缺陷、高均勻性生長方向發(fā)展。SiC基和Si基GaN異質(zhì)外延片作為目前應(yīng)用廣泛的兩種襯底材料，最大商用尺寸為6英寸。SiC襯底技術(shù)在從4英寸向6英寸過渡，為進(jìn)一步降低器件成本，業(yè)界已經(jīng)研發(fā)出8英寸SiC襯底。目前6英寸襯底的位錯(cuò)密度在100/cm2量級(jí)，隨著單晶生長技術(shù)的發(fā)展，SiC襯底缺陷密度將快速下降，預(yù)計(jì)未來5年左右，穿透型螺位錯(cuò)和及平面位錯(cuò)密度將下降到200/cm2。Si基GaN外延片的技術(shù)研發(fā)在近幾年尤其活躍，6英寸Si基GaN技術(shù)已經(jīng)成熟，并且也成功研發(fā)出8英寸Si基GaN外延片，在不斷降低缺陷密度、提升外延均勻性生長度的前提下，未來將逐步實(shí)現(xiàn)商用。2.器件與模塊向高效率、高線性度和多功能集成整體而言，GaN射頻器件將向著高效率、高線性度和多功能集成方向發(fā)展。GaN HEMT射頻器件的制程在百納米量級(jí)左右，且在不斷微縮。現(xiàn)在GaN工藝尺寸正在從0.25μm至0.5μm向0.15μm轉(zhuǎn)換，一些領(lǐng)導(dǎo)廠商（例如，Qorvo）甚至在嘗試60nm。一般來說，大多數(shù)制造廠提供兩個(gè)或三個(gè)標(biāo)準(zhǔn)工藝：0.5μm高壓（40至50V）工藝主要處理頻率低于約8GHz的高功率器件，0.25μm中壓（28至40V）工藝處理更高頻率的應(yīng)用（高達(dá)約18GHz）。有的制造廠提供第三個(gè)選項(xiàng)，即更小的柵極長度（通常約0.15μm）用于毫米波應(yīng)用（高達(dá)40GHz）。

▲主流廠商的GaN HEMT射頻器件工藝制程節(jié)點(diǎn)

資料來源：Yole，CSA Research

（1）高效率、高線性度

在性能指標(biāo)方面，效率和線性度是GaN功率放大器的核心指標(biāo)，高效率和高線性度的功率放大器是未來發(fā)展趨勢。Doherty技術(shù)和包絡(luò)跟蹤技術(shù)可以有效地提高功放的平均效率和線性度,是目前國內(nèi)外研究的熱門功放效率和線性度提升技術(shù)。將這兩種技術(shù)結(jié)合,可以使得功放更高效地放大高峰均比信號(hào)。在架構(gòu)層面，Doherty和包絡(luò)跟蹤（ET）等將是主流結(jié)構(gòu)。在現(xiàn)代通信系統(tǒng)中，Doherty已經(jīng)獲得廣泛應(yīng)用。Doherty功放通過與輸入信號(hào)成反比地調(diào)整負(fù)載阻抗，從而實(shí)現(xiàn)高效率的放大。而ET功放通過動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)偏置電壓，使之隨著信號(hào)包絡(luò)而變化，從而使得功放一直工作于高效率情況下，且ET功放在提高效率的同時(shí)不受射頻頻率的限制。與Doherty功放僅在射頻域上做處理不一樣，ET功放還包含一部分基帶信號(hào)的處理。典型的ET功放至少應(yīng)包含包絡(luò)調(diào)制器、包絡(luò)成形、延遲對(duì)齊、射頻放大鏈路。

▲ET功放框架圖

資料來源：網(wǎng)絡(luò)資料，CSA Research

（2）多功能集成

全GaN射頻模塊的集成是重要的發(fā)展趨勢。除分立的功率模塊外，GaN也已經(jīng)應(yīng)用于單片微波集成電路（MMIC）。MMIC是采用平面技術(shù)，將元器件、傳輸線、互連線直接制做在半導(dǎo)體基片上的功能塊。單片微波集成電路包括多種功能電路，如低噪聲放大器（LNA）、功率放大器（PA）、混頻器、上變頻器、檢波器、調(diào)制器、壓控振蕩器（VCO）、移相器、開關(guān)、MMIC收發(fā)前端，甚至整個(gè)發(fā)射/接收（T/R）組件（收發(fā)系統(tǒng)）。目前國際上主流企業(yè)已經(jīng)推出GaN MMIC PA和MMIC LNA等GaN射頻集成模塊，且正在研發(fā)集成多種功能的GaN MMIC射頻前端（FEM）。

▲MMIC示意圖

資料來源：網(wǎng)絡(luò)資料，CSA Research

▲不同材料體系的MMIC的工藝及應(yīng)用

資料來源：Yole，CSA Research

為了提升性能，減小器件尺寸，GaN射頻芯片集成度將不斷提高，并向多功能集成和天線集成方向發(fā)展。

1)單一功能芯片集成

功率放大器、低噪聲放大器等單一功能射頻芯片將集成電阻、電容等被動(dòng)元件。集成方式包括封裝集成和單片集成。封裝集成器件如多芯片組件功率放大器（MCM PA）。單片集成器件如單片微波集成電路功率放大器（MMIC PA）和單片微波集成電路低噪聲放大器（MMIC LNA）等。

2)收發(fā)一體多功能芯片集成

GaN射頻芯片將由單一功能芯片向收發(fā)一體等多功能芯片發(fā)展，在射頻前端模組（FEM）層面實(shí)現(xiàn)集成。其中MMIC FEM是重要的發(fā)展方向。MMIC FEM將在MMIC中集成功率放大器、低噪聲放大器和射頻開關(guān)等器件，在縮小系統(tǒng)體積的同時(shí)，使得系統(tǒng)功能更加強(qiáng)大和高效。

▲GaN毫米波MMIC FEM

資料來源：網(wǎng)絡(luò)資料，CSA Research

3)天線集成

GaN射頻芯片與天線集成在一起將為系統(tǒng)級(jí)無線芯片提供一種良好的天線解決方案，正在受到芯片制造商的青睞。天線是無線系統(tǒng)中的重要部件，同其它射頻器件一樣，集成天線是未來發(fā)展趨勢。集成天線包括片上天線（AoC）和封裝天線（AiP）兩種類型。AoC技術(shù)是單片集成技術(shù)，通過系統(tǒng)級(jí)芯片（SoC）方式實(shí)現(xiàn)?？紤]到成本和性能，AoC技術(shù)更適用于太赫茲頻段。而AiP技術(shù)是封裝集成技術(shù)，通過系統(tǒng)級(jí)封裝（SiP）方式實(shí)現(xiàn)。AiP技術(shù)很好地兼顧了天線性能、成本及體積，在毫米波頻段獲得了廣泛應(yīng)用。毋庸置疑，AiP技術(shù)也將會(huì)為5G毫米波移動(dòng)通信系統(tǒng)提供很好的天線解決方案。3.配套封裝材料及結(jié)構(gòu)不斷演進(jìn)為了充分發(fā)揮GaN的高頻高功率的器件優(yōu)勢，封裝材料及結(jié)構(gòu)在不斷演進(jìn)。GaN射頻器件與模塊的封裝主要涉及基板、貼片材料和封裝外殼三個(gè)部分?？偟膩砜?，目前GaN射頻封裝基板在轉(zhuǎn)向純銅，貼片材料正在逐步采用納米銀燒結(jié)，而封裝外殼也開始采用塑料封裝。

▲射頻器件封裝結(jié)構(gòu)示意圖

資料來源：Yole，CSA Research

▲GaN射頻器件封裝材料演進(jìn)

資料來源：Yole，CSA Research

（1）基板-向純銅演進(jìn)

目前，少數(shù)企業(yè)已經(jīng)開始采用純銅基板，但只限于中等功率的射頻器件，而高功率的器件仍然采用銅合金或疊層材料。封裝過程中基板主要起導(dǎo)熱、機(jī)械支撐作用，部分器件還通過基板來導(dǎo)電。其中，最主要的作用是導(dǎo)熱。封裝基板通常采用高熱導(dǎo)率的材料來減小器件產(chǎn)生的熱量。同時(shí)，為了減少溫度變化導(dǎo)致的應(yīng)變，基板與貼片材料、器件之間的熱膨脹系數(shù)（CTE）要盡量匹配。現(xiàn)階段常用的基板材料是銅合金（銅鎢CuW、銅鉬CuMo）或疊層材料，而純銅材料是未來的主流發(fā)展方向之一。CuW合金技術(shù)比較成熟，可靠性獲得驗(yàn)證，但是成本比較高；CuMo疊層材料具備更高的熱導(dǎo)率，更加適合高功率器件封裝，并且采用了較少的貴金屬，成本較低；純銅具備比銅合金或疊層材料更高的熱導(dǎo)率，并且沒有使用貴金屬從而降低了成本，而其他具備更高熱導(dǎo)率的材料要比純銅貴得多。然而，純銅與Si或SiC的熱膨脹系數(shù)差距較大，帶來較大的技術(shù)挑戰(zhàn)，可靠性有待驗(yàn)證。

▲射頻封裝基板常用材料的熱導(dǎo)率和熱膨脹系數(shù)

資料來源：Yole，CSA Research

（2）貼片材料-銀燒結(jié)是未來的發(fā)展方向

在貼片材料方面，銀燒結(jié)是未來的發(fā)展方向。目前，GaN射頻器件主要使用的貼片材料包括AuSn（金錫）、AuSi（金硅）。AuSi只適用于Si基GaN器件的封裝，對(duì)于SiC基GaN則不適用。得益于物理性能的匹配，AuSi非常適用于Si基器件的封裝。然而，因?yàn)楹械腁u成分比例較高，AuSi材料的成本較高。封裝過程中，AuSi材料通常采用共晶焊接，加工溫度較高（350-420℃），因而不能用于塑料基板的封裝。目前，AuSn是使用最廣泛的貼片材料。由于含有的Au的比例較低，AuSn的成本低于AuSi，并且AuSn既適用于SiC基器件也適用于Si基器件的封裝。AuSn材料也采用共晶焊接技術(shù)，加工溫度較高（270-320℃），同樣不能用于塑料基板的封裝。

▲GaN射頻器件貼片材料

資料來源：Yole，CSA Research

銀燒結(jié)是最新發(fā)展起來的一種封裝貼片材料。銀的成本要比金低得多。銀的燒結(jié)過程有兩種類型：加壓或不加壓。對(duì)于較小的芯片，通常采用納米銀粉末，且無需加壓。而對(duì)于較大的芯片，通常采用微米銀粉末，并且需要施加壓力，確保鍵合牢固。銀燒結(jié)的加工溫度較低（200-280℃），加工時(shí)間短，適用于大多數(shù)封裝基板材料。 ▼GaN射頻封裝貼片材料簡介

資料來源：Yole，CSA Research

（3）封裝外殼--塑料封裝代替陶瓷封裝

按照封裝密封程度，可以分為氣密性封裝和非氣密性封裝。氣密性封裝可以有效隔絕濕氣或有害氣體，避免造成器件內(nèi)部結(jié)構(gòu)的腐蝕，增加產(chǎn)品使用壽命。金屬、陶瓷和玻璃是常用的氣密性封裝外殼，而非氣密性封裝外殼通常采用聚合物材料，例如塑料。塑料外殼的優(yōu)點(diǎn)在于可以降低成本，減輕器件重量，而且如果制作得當(dāng)，仍然可以實(shí)現(xiàn)接近于密封的效果。

▲常用封裝外殼材料

資料來源：Yole，CSA Research

業(yè)界正在轉(zhuǎn)向采用塑料封裝代替陶瓷封裝。GaN封裝最早開始采用的外殼是陶瓷外殼，它們被通常被做成非氣密性封裝的形式，因?yàn)橥ㄐ艖?yīng)用中無需高度的氣密性封裝?，F(xiàn)在，越來越多的企業(yè)開始采用塑料外殼封裝。塑封的優(yōu)勢體現(xiàn)在：成本較低；可降低體積和重量，便于集成；具備成熟的制造標(biāo)準(zhǔn)；具有較低的介電常數(shù)，電磁信號(hào)損耗小，適用于高頻應(yīng)用；此外，塑料具備和純銅接近的熱膨脹系數(shù)，與陶瓷封裝相比，塑封搭配純銅基板可以顯著改善熱傳導(dǎo)效果。其中，成本是最主要的影響因素。在大規(guī)模生產(chǎn)的情況下，芯片制造和封裝構(gòu)成最主要的成本，而檢測占成本的比例較低。同時(shí)，采用塑料封裝可顯著降低成本。在規(guī)模量產(chǎn)的情況下，塑料封裝的成本大約只有陶瓷封裝的一半。

▲注塑封裝示意圖

資料來源：Yole，CSA Research

根據(jù)封裝形式，GaN射頻器件的封裝分為多層封裝（Multi-level package）和共平面封裝（表面貼裝）。依據(jù)經(jīng)驗(yàn)，如果器件的耗散功率低于50W、PCB的厚度小于2mm，就可以采用表面貼裝的封裝形式。按是否填充材料，塑料封裝分為注塑封裝和空氣腔（air cavity）封裝。目前，采用多層封裝和表面貼裝的GaN射頻器件均采用注塑封裝。2017年，GaN射頻器件采用注塑封裝實(shí)現(xiàn)的最高頻率達(dá)到3.2GHz（功率為100W）和6GHz（功率為5W）。 來源：第三代半導(dǎo)體聯(lián)合創(chuàng)新孵化中心

責(zé)任編輯：xj

原文標(biāo)題：GaN射頻技術(shù)發(fā)展趨勢

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