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）的半導體，自1990年起常用在發光二極管中。此化合物結構類似纖鋅礦，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體泵浦固體激光（Diode-pumped solid-state laser）的條件下，產生紫光（405 nm）激光。

（圖1 GaN晶格結構）

其對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星的太陽能電池陣列的合適材料。軍事的和空間的應用也可能受益，因為設備顯示出在輻射環境中的穩定性。因為氮化鎵晶體管可以在高得多的溫度和工作在遠遠超過砷化鎵 (GaAs) 晶體管更高的電壓，使它們在微波頻率成為理想的功率放大器。

（圖2 GaN晶圓）

今年的GaN（氮化鎵）器件市場異常活躍，GaN逐漸成為主流，開始滲透一些批量需求的商業市場。
GaN已經在大部分高功率軍事應用中站穩了腳跟，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）目前仍占據基礎設施和工業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現在的唯一優勢就是價格了，但這一優勢也逐漸不保：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的成本競爭優勢。

此外，GaN在高功率應用市場上還在挑戰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。
 
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體制造廠家：臺灣的穩懋半導體（WIN Semiconductors）。盡管日本的射頻GaN市場份額占有率高，我們也沒發現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）。

中國正在積極的收購及成立半導體公司，打算快速地構建模擬市場和數字化市場。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。

（圖3 三安光電LOGO）

（圖4 海威華芯LOGO）

在美國，多數顧客選擇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，特別是在做航空和防務領域的企業，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“戰略上”的顧客服務。

（圖5 CREE LOGO）

（圖6 OMMIC LOGO）
 
三、襯底相關信息

多數射頻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：其公布了一組數據，數據顯示如果設計恰當，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公司是我們發現的除MACON公司外也能夠生產Si基GaN的公司，但我們并沒有發現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BAE系統公司估計，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。

（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個標準工藝：
n  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；
n  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
n  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）

（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工藝測試數據：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的衛星和太空系統可靠性標準。其器件還符合NASA的EEE-INST-0021級可靠性測試。

六、后道服務

（圖10 DIE SAW工序）

1.BAE系統公司提供晶圓片上測試和晶圓切割、芯片的挑選和檢查。還有些客戶給提供初級封裝。例如，他們提供在熱膨脹系數匹配墊片上燒結芯片，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（直流、小信號和負載牽引圓片數據圖），以及全套的MMIC的檢測。他們為大功率特性提供快速條狀功率封裝。

3.NRC提供晶圓測試，但其他檢測還有之后的封裝服務不提供。

4.OMMIC提供晶圓測試服務，外觀檢驗（商用和太空級）、還有為太空項目所作的大量驗收測試（LAT）和晶圓驗收測試（WAT）。所有的設計都能夠進行QFN（塑料方形扁平無引腳封裝）（達到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。

5.UMS提供的售后服務范圍很廣而且比較靈活，包括晶圓片上噪聲和功率測試。并且幫忙進行外表檢測、挑選和封裝。

6.穩懋半導體為GaN客戶提供高電壓直流產品測試，切割和檢查服務。

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

（圖11 BAE & WIN公司LOGO）

七、電子設計自動化（EDA）軟件支持

1.BAE系統公司的軟件系統服務是一家一家做的。他們為客戶提供專屬軟件設計服務。這家公司擁有一個自主研發的Angelov非線性模型，在設計時提供所有需要的器件模型，并且為這些制造廠商提供信息?？杉嫒軦DS系統的PDK套件們預計在2016年年底能開發出來。

2.弗勞恩霍夫有安捷倫（Keysight）PDK系統，為微帶線服務；有接地共面傳輸線，為ADS系統（ADS數據記錄）服務，還包括所有自動陳列的功能。

3.對GaN500工藝，NRC既提供Root模型，也提供在ADS系統上的Angelov模型。對GaN150工藝，只提供Root模型。而對于0.15μm的E-GaN工藝則沒有模型提供。

4.OMMIC的PDK可聯網使用，其ADS版本是最新的32位和64位，可滿足NI/AWR微波辦公室設計系統。64位NI/AWR設計正在研發中。所有的套件設計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。他們雇傭了一個團隊，跟蹤用戶需求，并提供多層圓片設計（多層掩膜）服務，每一過程每年要啟動4次，因為其原型數量很少。

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、面向功率生成而設計的量化熱-電模型。為LNA設計的線性模型，為開關和二極管設計的冷FET模型、還有為MMIC設計的無源元件。他們的PDK套件包括增加的DRC（數字版圖糾正）和為三維電磁仿真設計的3D視圖。

6.穩懋半導體設計套件是能夠用在ADS和NI/AWR平臺上的，包括自適應和最優非線性模型，微信號和噪聲、負載牽引數據模型。穩懋半導體運用基于互聯網的工具——WebDRC，提供24小時設計檢查工作，他們既通過Cadence也通過ADS 和AWR的平臺來進行設計的確認。

7.Wolfspeed提供基于ADS系統和NI/AWR的微波辦公室PDK。

八、市場機遇

GaN現在和GaAs器件的發展類似，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。隨著技術的更新換代和成本的降低，預測GaN將會為功率放大器提供最好的價值功能，找到最優的平衡。現在在軍民融合的大潮下，性能的要求更加凸顯：

• 發射功率
• 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），并且將繼續融入這些系統中。

多數GaN供應商將基站和衛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、相控陣雷達和廣泛的毫米波應用。

（圖12 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提高性能，所以這些市場上兩者將會繼續競爭下去，在未來，GaN必將出現亮眼的表現。

BAE系統公司認為在一段很長的時間內，GaN的微波應用將持續繁榮。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生存。GaN的爆發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后續的技術發展，像節約成本的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。

未來器件的戰爭將會在GaN/SiC或者是GaN/Si之間打響。工業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。如果表現出的特性非常接近GaN/SiC的表現，那么，硅基氮化鎵成本優勢將會變成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存活留下空間。

出處：“電科防務研究”微信公眾號（CETC-ETDR）

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