解讀射頻GaN市場的機遇及未來發(fā)展

今年的GaN(氮化鎵)器件市場異?；钴S，GaN逐漸成為主流，開始滲透一些批量需求的商業(yè)市場。

GaN已經在大部分高功率軍事應用中站穩(wěn)了腳跟，并且還抓住了有線電視、移動基礎設施的部分市場。雖然LDMOS(橫向擴散MOS晶體管)目前仍占據(jù)基礎設施和工業(yè)市場的絕大部分份額，但這種情況可能很快就會改變，因為GaN性能與LDMOS基本相當甚至更勝一籌。也許LDMOS現(xiàn)在的唯一優(yōu)勢就是價格了，但這一優(yōu)勢也逐漸不保：Qorvo公司最近宣布將重心轉移到6英寸SiC(碳化硅)基GaN上;MACOM公司也宣布將嘗試在成本較低的CMOS(Complementary Metal Oxide Silicon 互補型金屬氧化物半導體)生產線上生產8英寸Si(硅)基GaN。這些舉動都有利于提高GaN的成本競爭優(yōu)勢。

此外，GaN在高功率應用市場上還在挑戰(zhàn)GaAs(砷化鎵)的地位，并且在大部分面向未來的軍事應用中已經取代了GaAs，這些軍事應用最重要的性能指標就是功率。

圖1 GaN晶圓

一、市場機遇

GaN現(xiàn)在和GaAs器件的發(fā)展類似，期望GaN的市場能夠成熟起來，讓其可做的器件變得多起來，特別是在高功率市場方面。隨著技術的更新?lián)Q代和成本的降低，預測GaN將會為功率放大器提供最好的價值功能，找到最優(yōu)的平衡?，F(xiàn)在在軍民融合的大潮下，性能的要求更加凸顯：

發(fā)射功率

效率

線性度

頻率

帶寬

工作溫度

……

GaN在這些性能上表現(xiàn)得比GaAs和Si更好。例如，在軍事器件中，GaN改善了尺寸、重量和功率(SWaP)，并且將繼續(xù)融入這些系統(tǒng)中。

多數(shù)GaN供應商將基站和衛(wèi)星市場視為短期內的主要的增長方向。至于毫米波，5G也是一個巨大的機遇，目前GaN在寬頻帶、高頻器件上表現(xiàn)良好。在射頻能源市場GaN也適應得較好，制造廠商關注的航天以及防務市場在快速增長，這包括寬禁帶，高功率放大器電子戰(zhàn)、相控陣雷達和廣泛的毫米波應用。

二、代工廠情況

北美有多家GaN的代工廠(包括在加拿大的一家)，歐洲有兩家，還有被稱作是最大的不受管制類化合物半導體制造廠家：***的穩(wěn)懋半導體(WIN Semiconductors)。盡管日本的射頻GaN市場份額占有率高，我們也沒發(fā)現(xiàn)有任何日本的公司提供代工服務，其中包括最大的GaN制造廠商之一的住友商事(Sumitomo)。

中國成都的海威華芯(HiWafer)半導體公司和廈門的三安集成電路公司(San’an Integrated Circuit)提供化合物半導體的代工服務，而且這兩家公司都對外宣布說他們的6英寸GaN生產線已投產或正在建設。

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圖2 三安光電

在美國，多數(shù)顧客選擇Wolfspeed(Cree 旗下公司，被德國英飛凌公司收購)，然而很多歐洲的企業(yè)，特別是在做航空和防務領域的企業(yè)，通常都會選擇UMS(United Monolithic Semiconductors)公司或者OMMIC公司。

有幾家公司跟這些代工廠存在戰(zhàn)略合作伙伴關系，說白了就是將渠道獨享，不分享給其他的公司。舉個例子來說，GCS公司其總部在加利福尼亞州的托倫斯，但這家公司拒不提供關于我們做的這項調查的任何信息，這就是典型的受ITAR(國際武器貿易條例)控制的公司，也就是說，他們確實為一些公司提供射頻GaN的制造服務。還有多家受管制類射頻GaN制造商，像雷聲(Raytheon)，MACOM和Qorvo。

對應的還有一些相對獨立的制造商：RFMD和TriQuint提供GaN制造代工服務，不過自從他們合并成為了Qorvo，從反饋的結果來看，他們僅僅為一些“戰(zhàn)略上”的顧客服務。

三、襯底相關信息

多數(shù)射頻GaN器件的襯底都是SiC，因為SiC和GaN的晶格匹配度非常不錯，而且SiC還有GaN需要的高熱導率的性能。

因為GaN器件相對于其他的一些器件來說，其功率密度很高。要把產生的熱量快速導出不是一件容易的事情，所以襯底和外面封裝的材料同樣至關重要。但MACOM公司決定逆潮流而上，他們對抗國際整流器公司(該公司同樣被德國英飛凌公司收購)的原始專利，這一專利就是Si襯底上生長GaN(MACOM收購了Nitronex，從Nitronex那兒得到的)。Si襯底，有更低的價格，但同時熱導率也比SiC低。不過，MACOM公司有解決方法：其公布了一組數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)顯示如果設計恰當，在應用上，Si基GaN的性能是可以和SiC基GaN性能一樣可靠的。

Si基GaN擁有的優(yōu)勢在于：可以在標準工藝上處理更大的晶圓，并且其CMOS生產線成本低廉。不過MACOM公司并不提供代工服務，他們與GCS公司合作生產Si基GaN器件，但這一工藝并不開放給其他公司。

另一家公司，OMMIC公司是我們發(fā)現(xiàn)的除MACON公司外也能夠生產Si基GaN的公司，但我們并沒有發(fā)現(xiàn)OMMIC公司提供類似代工廠的Si基GaN生產服務。

所有的相關制造廠商都在關注3、4英寸的GaN晶圓，但隨著需求的不斷提升，也有很多打算將重心轉移到6英寸的GaN晶圓生產上。一些公司已經宣布會在接下來的一到兩年內，計劃轉到6英寸生產上。這是因為轉到6英寸上利用率會更高，成本會稍降。舉個例子：據(jù)BAE系統(tǒng)公司估計，若從4英寸晶圓生產轉到6英寸晶圓生產(見圖一)，每平方毫米成本將會從3美元降到1.5美元。這是因為其可用面積會增加一倍。

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圖4 六英寸Si基GaN

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圖5 OMMIC公司6英寸晶圓

四、制造工藝概覽

總體上，大部分制造廠商提供2到3個標準工藝：

0.5微米，高偏置(40到50V)，主要瞄準高功率、頻率低于約8GHz的器件;

0.25微米，中偏置(28到30V)，主要瞄準更高頻率(大概達到18GHz)的器件;

更小的柵長(大概0.15微米)，主要瞄準毫米波器件(頻率達到100GHz);

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表一 七家公司提供的RF射頻制造工藝的完整列表

五、可靠性測試

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圖6 晶圓目檢工序

1. BAE系統(tǒng)公司其可靠性測試比較嚴格，軍用GaN單片微波集成電路(MMIC)均強制性實施了可靠性評價。所有工藝流程均被測試，來滿足苛刻的要求。而且其測試是在不同工作溫度下進行的，其激活能的估計和平均無故障時間的計算都是在實際工作的溫度下進行計算的。0.18μmNFP工藝測試數(shù)據(jù)：MTTF(平均無故障工作時間)：107小時(200℃、30V)。

2. Fraunhofer公司的測試：對GaN50、GaN25工藝采取直流、高溫反偏(high temperature reverse bias HTRB)和在2、10GHz工作下的測試。對GaN10工藝只測試了10GHz工作模式。

3. NRC報道稱GaN150的可靠性測試還在進展中。GaN800工藝過程的MTTF：2.5×107小時(200℃)。

4. OMMIC的測試：外殼80℃、直流電下工作2000小時無明顯變化，其源漏電壓12V，電流200mA/mm，和在200℃下工作的結果相同。其他的可靠性測試還在進行中。

5. UMS進行測試的科目有：存儲、高溫反向偏壓、高溫壽命和直流壽命，以及射頻遞進應力和射頻壽命測試。以上的測試確保產品能夠達到200℃下至少工作20年。這類質量鑒定測試是在單位基元上進行測試的，特別是那些有分離器件和有更大柵長的MMIC上。

6. 穩(wěn)懋半導體則為客戶提供了全套的測試鑒定報告，包括四個溫度的平均無故障工作時間結果。

7. Wolfspeed已經完成了超過1000億小時的外場工作測試，在測試時間內，其FIT(Failure in time 工作時間失效率)失效率低于每十億器件小時5個失效(包括分立GaN晶體管和集成電路)。這一公司在近期宣布，他們的GaN射頻功率晶體管通過了NASA的衛(wèi)星和太空系統(tǒng)可靠性標準。其器件還符合NASA的EEE-INST-0021級可靠性測試。

六、GaN未來發(fā)展

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圖7 GaN的未來

GaN的主要競爭對手是在射頻領域的LDMOS，在高頻領域是GaAs。LDMOS依然主宰著高功率器件市場。目前GaN不會完全的取代任何一項技術，但它也會繼續(xù)的滲透進這些市場，使自己更具價格競爭力。LDMOS每年也會進一步研發(fā)提高性能，所以這些市場上兩者將會繼續(xù)競爭下去，在未來，GaN必將出現(xiàn)亮眼的表現(xiàn)。

BAE系統(tǒng)公司認為在一段很長的時間內，GaN的微波應用將持續(xù)繁榮。主要在高功率領域，頻率從1到100GHz。盡管如此，GaN也不會完全的替代GaAs和Si，畢竟GaAs和Si都有獨特的性能，而且其相關的經濟體也會確保這些材料的持續(xù)生存。GaN的爆發(fā)是要在其高產技術成熟而且晶圓尺寸擴大，成本降低的時候?，F(xiàn)在來看，GaN顯然是一個市場的顛覆性技術，至少在下個十年內，沒有什么半導體技術能夠撼動它的地位。

期待GaN后續(xù)的技術發(fā)展，像節(jié)約成本的Si基GaN、增強熱導性能的金剛石基GaN。GaN也將會更廣泛的應用，不僅僅在功率放大器上，還要應用到其它像是低噪聲放大器啦，開關啦，還有多功能集成電路啦等等。GaN十分適合應用在低噪聲放大器/限幅器上，因為它結合了低噪特性和高擊穿電壓，后者對限幅比較有利。

未來器件的戰(zhàn)爭將會在GaN/SiC或者是GaN/Si之間打響。工業(yè)上會有哪項技術出局么?

Si基GaN有著低成本的良好前景——提供了更大的晶圓直徑和更低成本襯底以及加工成本。如果表現(xiàn)出的特性非常接近GaN/SiC的表現(xiàn)，那么，硅基氮化鎵成本優(yōu)勢將會變成SiC基氮化鎵制造的首要難題。

但從另一方面來說，SiC擁有導熱性能是一些器件所需要的，也會為這兩種技術繼續(xù)存活留下空間。