一、前言

氮化鎵（GaN、Gallium nitride）是氮和鎵的化合物，是一種III和V的直接能隙（direct bandgap）的半導(dǎo)體，自1990年起常用在發(fā)光二極管中。此化合物結(jié)構(gòu)類似纖鋅礦，硬度很高。氮化鎵的能隙很寬，為3.4電子伏特，可以用在高功率、高速的光電元件中，例如氮化鎵可以用在紫光的激光二極管，可以在不使用非線性半導(dǎo)體泵浦固體激光（Diode-pumped solid-state laser）的條件下，產(chǎn)生紫光（405 nm）激光。

（圖1 GaN晶格結(jié)構(gòu)）

其對(duì)電離輻射的敏感性是低的（如同其他III族氮化物），使得它成為用于人造衛(wèi)星的太陽(yáng)能電池陣列的合適材料。軍事的和空間的應(yīng)用也可能受益，因?yàn)樵O(shè)備顯示出在輻射環(huán)境中的穩(wěn)定性。因?yàn)榈壘w管可以在高得多的溫度和工作在遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)砷化鎵 (GaAs) 晶體管更高的電壓，使它們?cè)谖⒉l率成為理想的功率放大器。

（圖2 GaN晶圓）

今年的GaN（氮化鎵）器件市場(chǎng)異常活躍，GaN逐漸成為主流，開(kāi)始滲透一些批量需求的商業(yè)市場(chǎng)。
GaN已經(jīng)在大部分高功率軍事應(yīng)用中站穩(wěn)了腳跟，并且還抓住了有線電視、移動(dòng)基礎(chǔ)設(shè)施的部分市場(chǎng)。雖然LDMOS（橫向擴(kuò)散MOS晶體管）目前仍占據(jù)基礎(chǔ)設(shè)施和工業(yè)市場(chǎng)的絕大部分份額，但這種情況可能很快就會(huì)改變，因?yàn)镚aN性能與LDMOS基本相當(dāng)甚至更勝一籌。也許LDMOS現(xiàn)在的唯一優(yōu)勢(shì)就是價(jià)格了，但這一優(yōu)勢(shì)也逐漸不保：Qorvo公司最近宣布將重心轉(zhuǎn)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(bǔ)型金屬氧化物半導(dǎo)體）生產(chǎn)線上生產(chǎn)8英寸Si（硅）基GaN。這些舉動(dòng)都有利于提高GaN的成本競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)。

此外，GaN在高功率應(yīng)用市場(chǎng)上還在挑戰(zhàn)GaAs（砷化鎵）的地位，并且在大部分面向未來(lái)的軍事應(yīng)用中已經(jīng)取代了GaAs，這些軍事應(yīng)用最重要的性能指標(biāo)就是功率。
 
二、總體情況

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(dǎo)體制造廠家：臺(tái)灣的穩(wěn)懋半導(dǎo)體（WIN Semiconductors）。盡管日本的射頻GaN市場(chǎng)份額占有率高，我們也沒(méi)發(fā)現(xiàn)有任何日本的公司提供代工服務(wù)，其中包括最大的GaN制造廠商之一的住友商事（Sumitomo）。

中國(guó)正在積極的收購(gòu)及成立半導(dǎo)體公司，打算快速地構(gòu)建模擬市場(chǎng)和數(shù)字化市場(chǎng)。成都的海威華芯（HiWafer）半導(dǎo)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(dǎo)體的代工服務(wù)，而且這兩家公司都對(duì)外宣布說(shuō)他們的6英寸GaN生產(chǎn)線已投產(chǎn)或正在建設(shè)。

（圖3 三安光電LOGO）

（圖4 海威華芯LOGO）

在美國(guó)，多數(shù)顧客選擇Wolfspeed（Cree 旗下公司，被德國(guó)英飛凌公司收購(gòu)），然而很多歐洲的企業(yè)，特別是在做航空和防務(wù)領(lǐng)域的企業(yè)，通常都會(huì)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(guān)系，說(shuō)白了就是將渠道獨(dú)享，不分享給其他的公司。舉個(gè)例子來(lái)說(shuō)，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(guān)于我們做的這項(xiàng)調(diào)查的任何信息，這就是典型的受ITAR（國(guó)際武器貿(mào)易條例）控制的公司，也就是說(shuō)，他們確實(shí)為一些公司提供射頻GaN的制造服務(wù)。還有多家受管制類射頻GaN制造商，像雷聲（Raytheon），MACOM和Qorvo。

對(duì)應(yīng)的還有一些相對(duì)獨(dú)立的制造商：RFMD和TriQuint提供GaN制造代工服務(wù)，不過(guò)自從他們合并成為了Qorvo，從反饋的結(jié)果來(lái)看，他們僅僅為一些“戰(zhàn)略上”的顧客服務(wù)。

（圖5 CREE LOGO）

（圖6 OMMIC LOGO）
 
三、襯底相關(guān)信息

多數(shù)射頻GaN器件的襯底都是SiC，因?yàn)镾iC和GaN的晶格匹配度非常不錯(cuò)，而且SiC還有GaN需要的高熱導(dǎo)率的性能。
因?yàn)镚aN器件相對(duì)于其他的一些器件來(lái)說(shuō)，其功率密度很高。要把產(chǎn)生的熱量快速導(dǎo)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(guān)重要。但MACOM公司決定逆潮流而上，他們對(duì)抗國(guó)際整流器公司（該公司同樣被德國(guó)英飛凌公司收購(gòu)）的原始專利，這一專利就是Si襯底上生長(zhǎng)GaN（MACOM收購(gòu)了Nitronex，從Nitronex那兒得到的）。Si襯底，有更低的價(jià)格，但同時(shí)熱導(dǎo)率也比SiC低。不過(guò)，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(shè)計(jì)恰當(dāng)，在應(yīng)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(shì)在于：可以在標(biāo)準(zhǔn)工藝上處理更大的晶圓，并且其CMOS生產(chǎn)線成本低廉。不過(guò)MACOM公司并不提供代工服務(wù)，他們與GCS公司合作生產(chǎn)Si基GaN器件，但這一工藝并不開(kāi)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(chǎn)Si基GaN的公司，但我們并沒(méi)有發(fā)現(xiàn)OMMIC公司提供類似代工廠的Si基GaN生產(chǎn)服務(wù)。

所有的相關(guān)制造廠商都在關(guān)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(zhuǎn)移到6英寸的GaN晶圓生產(chǎn)上。一些公司已經(jīng)宣布會(huì)在接下來(lái)的一到兩年內(nèi)，計(jì)劃轉(zhuǎn)到6英寸生產(chǎn)上。這是因?yàn)檗D(zhuǎn)到6英寸上利用率會(huì)更高，成本會(huì)稍降。舉個(gè)例子：據(jù)BAE系統(tǒng)公司估計(jì)，若從4英寸晶圓生產(chǎn)轉(zhuǎn)到6英寸晶圓生產(chǎn)（見(jiàn)圖一），每平方毫米成本將會(huì)從3美元降到1.5美元。這是因?yàn)槠淇捎妹娣e會(huì)增加一倍。

（圖7 六英寸Si基GaN）

（圖8 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(gè)標(biāo)準(zhǔn)工藝：
n  0.5微米，高偏置（40到50V），主要瞄準(zhǔn)高功率、頻率低于約8GHz的器件；
n  0.25微米，中偏置（28到30V），主要瞄準(zhǔn)更高頻率（大概達(dá)到18GHz）的器件
n  更小的柵長(zhǎng)（大概0.15微米），主要瞄準(zhǔn)毫米波器件（頻率達(dá)到100GHz）

（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

（圖9 晶圓目檢工序）

1.BAE系統(tǒng)公司其可靠性測(cè)試比較嚴(yán)格，軍用GaN單片微波集成電路（MMIC）均強(qiáng)制性實(shí)施了可靠性評(píng)價(jià)。所有工藝流程均被測(cè)試，來(lái)滿足苛刻的要求。而且其測(cè)試是在不同工作溫度下進(jìn)行的，其激活能的估計(jì)和平均無(wú)故障時(shí)間的計(jì)算都是在實(shí)際工作的溫度下進(jìn)行計(jì)算的。0.18μmNFP工藝測(cè)試數(shù)據(jù)：MTTF（平均無(wú)故障工作時(shí)間）：10⁷小時(shí)（200℃、30V）。

2.Fraunhofer公司的測(cè)試：對(duì)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(cè)試。對(duì)GaN10工藝只測(cè)試了10GHz工作模式。

3.NRC報(bào)道稱GaN150的可靠性測(cè)試還在進(jìn)展中。GaN800工藝過(guò)程的MTTF：2.5×10⁷小時(shí)（200℃）。

4.OMMIC的測(cè)試：外殼80℃、直流電下工作2000小時(shí)無(wú)明顯變化，其源漏電壓12V，電流200mA/mm，和在200℃下工作的結(jié)果相同。其他的可靠性測(cè)試還在進(jìn)行中。

5.UMS進(jìn)行測(cè)試的科目有：存儲(chǔ)、高溫反向偏壓、高溫壽命和直流壽命，以及射頻遞進(jìn)應(yīng)力和射頻壽命測(cè)試。以上的測(cè)試確保產(chǎn)品能夠達(dá)到200℃下至少工作20年。這類質(zhì)量鑒定測(cè)試是在單位基元上進(jìn)行測(cè)試的，特別是那些有分離器件和有更大柵長(zhǎng)的MMIC上。

6.穩(wěn)懋半導(dǎo)體則為客戶提供了全套的測(cè)試鑒定報(bào)告，包括四個(gè)溫度的平均無(wú)故障工作時(shí)間結(jié)果。

7.Wolfspeed已經(jīng)完成了超過(guò)1000億小時(shí)的外場(chǎng)工作測(cè)試，在測(cè)試時(shí)間內(nèi)，其FIT（Failure in time 工作時(shí)間失效率）失效率低于每十億器件小時(shí)5個(gè)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(guò)了NASA的衛(wèi)星和太空系統(tǒng)可靠性標(biāo)準(zhǔn)。其器件還符合NASA的EEE-INST-0021級(jí)可靠性測(cè)試。

六、后道服務(wù)

（圖10 DIE SAW工序）

1.BAE系統(tǒng)公司提供晶圓片上測(cè)試和晶圓切割、芯片的挑選和檢查。還有些客戶給提供初級(jí)封裝。例如，他們提供在熱膨脹系數(shù)匹配墊片上燒結(jié)芯片，或者再封裝到封裝殼體中。

2.Fraunhofer的所有SiC工藝包括所有的背面加工處理，包括客戶要求的金屬通孔。他們提供全面的檢測(cè)（直流、小信號(hào)和負(fù)載牽引圓片數(shù)據(jù)圖），以及全套的MMIC的檢測(cè)。他們?yōu)榇蠊β侍匦蕴峁┛焖贄l狀功率封裝。

3.NRC提供晶圓測(cè)試，但其他檢測(cè)還有之后的封裝服務(wù)不提供。

4.OMMIC提供晶圓測(cè)試服務(wù)，外觀檢驗(yàn)（商用和太空級(jí)）、還有為太空項(xiàng)目所作的大量驗(yàn)收測(cè)試（LAT）和晶圓驗(yàn)收測(cè)試（WAT）。所有的設(shè)計(jì)都能夠進(jìn)行QFN（塑料方形扁平無(wú)引腳封裝）（達(dá)到30GHz工作）或者是直接封裝。他們也為太空器件提供氣密外封裝服務(wù)。

5.UMS提供的售后服務(wù)范圍很廣而且比較靈活，包括晶圓片上噪聲和功率測(cè)試。并且?guī)兔M(jìn)行外表檢測(cè)、挑選和封裝。

6.穩(wěn)懋半導(dǎo)體為GaN客戶提供高電壓直流產(chǎn)品測(cè)試，切割和檢查服務(wù)。

7.Wolfspeed提供切割、晶圓上直流、交流探針測(cè)試和固定的直流/交流特征化測(cè)試。

（圖11 BAE & WIN公司LOGO）

七、電子設(shè)計(jì)自動(dòng)化（EDA）軟件支持

1.BAE系統(tǒng)公司的軟件系統(tǒng)服務(wù)是一家一家做的。他們?yōu)榭蛻籼峁佘浖O(shè)計(jì)服務(wù)。這家公司擁有一個(gè)自主研發(fā)的Angelov非線性模型，在設(shè)計(jì)時(shí)提供所有需要的器件模型，并且為這些制造廠商提供信息。可兼容ADS系統(tǒng)的PDK套件們預(yù)計(jì)在2016年年底能開(kāi)發(fā)出來(lái)。

2.弗勞恩霍夫有安捷倫（Keysight）PDK系統(tǒng)，為微帶線服務(wù)；有接地共面?zhèn)鬏斁€，為ADS系統(tǒng)（ADS數(shù)據(jù)記錄）服務(wù)，還包括所有自動(dòng)陳列的功能。

3.對(duì)GaN500工藝，NRC既提供Root模型，也提供在ADS系統(tǒng)上的Angelov模型。對(duì)GaN150工藝，只提供Root模型。而對(duì)于0.15μm的E-GaN工藝則沒(méi)有模型提供。

4.OMMIC的PDK可聯(lián)網(wǎng)使用，其ADS版本是最新的32位和64位，可滿足NI/AWR微波辦公室設(shè)計(jì)系統(tǒng)。64位NI/AWR設(shè)計(jì)正在研發(fā)中。所有的套件設(shè)計(jì)都在全溫度下提供非線性模型和噪聲模型。這家公司也提供DRC和LVS的查詢服務(wù)。他們雇傭了一個(gè)團(tuán)隊(duì)，跟蹤用戶需求，并提供多層圓片設(shè)計(jì)（多層掩膜）服務(wù)，每一過(guò)程每年要啟動(dòng)4次，因?yàn)槠湓蛿?shù)量很少。

5.UMS的GH25工藝的PDK套件是可以與微波辦公室和ADS兼容的。他們包括非線性、面向功率生成而設(shè)計(jì)的量化熱-電模型。為L(zhǎng)NA設(shè)計(jì)的線性模型，為開(kāi)關(guān)和二極管設(shè)計(jì)的冷FET模型、還有為MMIC設(shè)計(jì)的無(wú)源元件。他們的PDK套件包括增加的DRC（數(shù)字版圖糾正）和為三維電磁仿真設(shè)計(jì)的3D視圖。

6.穩(wěn)懋半導(dǎo)體設(shè)計(jì)套件是能夠用在ADS和NI/AWR平臺(tái)上的，包括自適應(yīng)和最優(yōu)非線性模型，微信號(hào)和噪聲、負(fù)載牽引數(shù)據(jù)模型。穩(wěn)懋半導(dǎo)體運(yùn)用基于互聯(lián)網(wǎng)的工具——WebDRC，提供24小時(shí)設(shè)計(jì)檢查工作，他們既通過(guò)Cadence也通過(guò)ADS 和AWR的平臺(tái)來(lái)進(jìn)行設(shè)計(jì)的確認(rèn)。

7.Wolfspeed提供基于ADS系統(tǒng)和NI/AWR的微波辦公室PDK。

八、市場(chǎng)機(jī)遇

GaN現(xiàn)在和GaAs器件的發(fā)展類似，期望GaN的市場(chǎng)能夠成熟起來(lái)，讓其可做的器件變得多起來(lái)，特別是在高功率市場(chǎng)方面。隨著技術(shù)的更新?lián)Q代和成本的降低，預(yù)測(cè)GaN將會(huì)為功率放大器提供最好的價(jià)值功能，找到最優(yōu)的平衡。現(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(yīng)商將基站和衛(wèi)星市場(chǎng)視為短期內(nèi)的主要的增長(zhǎng)方向。至于毫米波，5G也是一個(gè)巨大的機(jī)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(chǎng)GaN也適應(yīng)得較好，制造廠商關(guān)注的航天以及防務(wù)市場(chǎng)在快速增長(zhǎng)，這包括寬禁帶，高功率放大器電子戰(zhàn)、相控陣雷達(dá)和廣泛的毫米波應(yīng)用。

（圖12 GaN的未來(lái)）

GaN的主要競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手是在射頻領(lǐng)域的LDMOS，在高頻領(lǐng)域是GaAs。LDMOS依然主宰著高功率器件市場(chǎng)。目前GaN不會(huì)完全的取代任何一項(xiàng)技術(shù)，但它也會(huì)繼續(xù)的滲透進(jìn)這些市場(chǎng)，使自己更具價(jià)格競(jìng)爭(zhēng)力。LDMOS每年也會(huì)進(jìn)一步研發(fā)提高性能，所以這些市場(chǎng)上兩者將會(huì)繼續(xù)競(jìng)爭(zhēng)下去，在未來(lái)，GaN必將出現(xiàn)亮眼的表現(xiàn)。

BAE系統(tǒng)公司認(rèn)為在一段很長(zhǎng)的時(shí)間內(nèi)，GaN的微波應(yīng)用將持續(xù)繁榮。主要在高功率領(lǐng)域，頻率從1到100GHz。盡管如此，GaN也不會(huì)完全的替代GaAs和Si，畢竟GaAs和Si都有獨(dú)特的性能，而且其相關(guān)的經(jīng)濟(jì)體也會(huì)確保這些材料的持續(xù)生存。GaN的爆發(fā)是要在其高產(chǎn)技術(shù)成熟而且晶圓尺寸擴(kuò)大，成本降低的時(shí)候。現(xiàn)在來(lái)看，GaN顯然是一個(gè)市場(chǎng)的顛覆性技術(shù)，至少在下個(gè)十年內(nèi)，沒(méi)有什么半導(dǎo)體技術(shù)能夠撼動(dòng)它的地位。

期待GaN后續(xù)的技術(shù)發(fā)展，像節(jié)約成本的Si基GaN、增強(qiáng)熱導(dǎo)性能的金剛石基GaN。GaN也將會(huì)更廣泛的應(yīng)用，不僅僅在功率放大器上，還要應(yīng)用到其它像是低噪聲放大器啦，開(kāi)關(guān)啦，還有多功能集成電路啦等等。GaN十分適合應(yīng)用在低噪聲放大器/限幅器上，因?yàn)樗Y(jié)合了低噪特性和高擊穿電壓，后者對(duì)限幅比較有利。

未來(lái)器件的戰(zhàn)爭(zhēng)將會(huì)在GaN/SiC或者是GaN/Si之間打響。工業(yè)上會(huì)有哪項(xiàng)技術(shù)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(shì)將會(huì)變成SiC基氮化鎵制造的首要難題。

但從另一方面來(lái)說(shuō)，SiC擁有導(dǎo)熱性能是一些器件所需要的，也會(huì)為這兩種技術(shù)繼續(xù)存活留下空間。

出處：“電科防務(wù)研究”微信公眾號(hào)（CETC-ETDR）

中國(guó)電子科技集團(tuán)公司 石楊 紀(jì)軍 inspired by 張春磊