GaN路线之争再起波澜

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本文来自 半导体行业观察
 
凭借高功率、高频工作环境下的优良性能,氮化镓(GaN)正在快速崛起,无论是在功率,还是射频应用领域,GaN都代表着高功率和高性能应用场景的未来,将在很大程度上替代砷化镓(GaAs)和LDMOS。
 
而在GaN外延片方面,主要有两种衬底技术,分别是GaN-on-Si(硅基氮化镓)和GaN-on-SiC(碳化硅基氮化镓)。当然,除了以上这两种主流技术外,还有GaN-on-sapphire,以及GaN-on-GaN技术。
 
虽然GaN-on-SiC性能相对较佳,但价格明显高于GaN-on-Si。另外,GaN-on-Si生长速度较快,也较容易扩展到8英寸晶圆。虽然GaN-on-Si性能略逊于GaN-on-SiC,但目前工艺水平制造的器件已能达到 LDMOS 原始功率密度的5-8 倍,在高于2GHz的频率工作时,成本与同等性能的LDMOS 出入不大。另外,硅基技术也将对CMOS工艺兼容,使GaN器件与CMOS工艺器件集成在一块芯片上。这些使得GaN-on-Si成为市场主流,而且主要应用于电力电子领域,未来有望大量导入5G基站的功率放大器 (PA)。
 
GaN-on-SiC则结合了SiC优异的导热性和GaN的高功率密度和低损耗的能力,与Si相比,SiC是一种非常“耗散”的衬底,此基板上的器件可以在高电压和高漏极电流下运行,结温将随射频功率而缓慢升高,因此射频性能更好,是射频应用的合适材料。在相同的耗散条件下,SiC器件的可靠性和使用寿命更好。但是,受限于SiC衬底,目前仍然限制在4英寸与6英寸晶圆,8英寸的还没有推广。
 
另外,SiC具有高电阻特性:这非常有利于毫米波传输,这在设计带有大型匹配电路的高频MMIC时需要。
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图1:GaN-on-SiC和GaN-on-Si应用的发展趋势(来源:YOLE)
 
在射频应用方面,Cree(Wolfspeed)拥有最强的实力,在射频应用的 GaN HEMT 专利竞争中,尤其在GaN-on-SiC技术方面,该公司处于领先地位,远远领先于其主要竞争对手住友电工和富士通。英特尔和MACOM是目前最活跃的射频GaN专利申请者,主要聚焦在GaN-on-Si技术领域。GaN射频HEMT相关专利领域的新进入者主要是中国厂商,如HiWafer(海威华芯)、三安集成和华进创威。
 
GaN-on-SiC外延片又有突破
 
与GaN-on-Si相比,GaN-on-SiC最大的劣势就是成本,如果解决了这个问题,或使双方的成本接近,则GaN-on-SiC的性能优势就会凸显出来。
 
欧洲在第三代半导体技术研究方面一直处于世界前列,时常会有突破性的技术出现。最近,瑞典的一家公司凭借其GaN-on-SiC技术交付了6英寸晶圆。该公司首席技术官兼联合创始人表示:“在目前的市场上,由于硅衬底价格便宜,且可以实现垂直集成,因此99%的GaN器件是GaN-on-Si。但是,GaN-on-Si的质量仍然存在很多缺陷,最大的问题是可靠性,这方面,GaN-on-SiC做得更好。我们使用了不同的生长方案来开发这项技术。GaN-on-Si必须生长5μm的厚度才能获得良好的质量,但是其硅衬底有缺陷,而SiC层为2μm,现在,我们将其厚度降低到了200至250nm,这样可以提高质量,减少缺陷。”
 
据悉,该公司是与Linköping大学和法国研究小组IEMN合作研究该外延技术的,这也是EU Horizon 2020项目的一部分,使用了具有有序空位的1nm原子中间层来适应第一外延层和衬底之间界面处的晶格失配。这使半绝缘SiC衬底上的300nm GaN层具有约2 MV / cm的横向临界击穿场和超过3 kV的垂直击穿电压。该临界击穿场几乎比传统的厚缓冲法生长的硅上GaN外延晶片的击穿场高三倍。这一突破可以显著降低大功率器件的功耗。
 
如下图所示,可以在沟道下看到一层氮化铝(AlN)层,它具有最高的带隙。这种势垒有助于将电子限制在沟道内,这也是减小厚度的另一种方式。
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图2
 
从实际效果来看,这种薄的外延层显示出了更高的击穿强度,是硅的4倍。
 
良率是一个非常重要的指标,目前,GaN-on-Si的成品率仍约为60%,因此仍然存在问题。采用该GaN-on-SiC方案,其衬底比硅更容易处理,因此,产量会高得多。
 
目前,这种轻薄的GaN-on-SiC方案主要用于射频,今后还会向功率应用方向迈进。因为它可以实现更高的功率,与GaN-on-Si相比,具有更强的不可替代性,特别是在电动汽车应用中,目标电压一般为900至1200V,这方面,GaN-on-SiC更具优势,而且,衬底的成本会降低。在过去三年中,GaN-on-SiC晶圆的成本已大大降低。
 
GaN-on-SiC也在朝着8英寸晶圆进军,因为这是晶圆代工厂的主流,但就目前来看,8英寸的 SiC晶圆尚未广泛使用。业界有一种说法,8英寸SiC将在两年内成为标准的晶圆产品。
 
总之,对于射频应用来说,GaN-on-SiC必须更薄,并为甚高频设备提供更好的限制。而对于功率应用来说,瑞典这家公司给出的结构就足够了,但依然需要在成本上努力,射频的批量订单将有助于降低基板成本。
 
中国厂商也在积极发展GaN技术,近些年,陆续有相关的外延片项目投产,如2019下半年,北京耐威科技控股子公司聚能晶源投资建设的第三代半导体材料制造项目(一期)于9月正式投产。本项目设计产能为年产1万片GaN外延晶圆,既可生产提供标准结构的 GaN 外延晶圆,也可根据客户需求开发、量产定制化外延晶圆。
 
与此同时,西部地区首个GaN外延片工厂聚力成成功试产GaN外延片。在电力电子领域,聚力成具备开发6英寸650V/100V硅基氮化镓(GaN-on-Si)外延片技术能力,实现650V/15A硅基氮化镓功率器件的生产工艺。在微波射频领域,该公司同样具有研发GaN-on-SiC外延材料的技术能力,产品主要定位在射频通讯和射频能量市场。
 
目前,国内已有多家企业布局GaN外延片产业,除了聚力成以外,还有江苏能华、英诺赛科、三安集成、江苏华功、大连芯冠和海威华芯等,其中英诺赛科的8英寸Si基GaN生产线已经相继开始启用。
 
晶圆厂
 
目前,无论是生产GaN-on-Si,还是GaN-on-SiC,多家晶圆代工厂和IDM都有涉猎,且都是它们重点发展的对象。
 
晶圆代工方面,中国台湾地区的企业一马当先,GaN-on-S方面,台积电已经开始提供6英寸的晶圆代工服务。嘉晶6英寸GaN-on-Si外延片,已进入国际IDM厂认证阶段,并争取新订单中,汉磊科则已量产6英寸GaN on Si产品,瞄准车用需求。
 
化合物半导体晶圆代工厂稳懋已开始提供6英寸的GaN-on-SiC代工服务,应用瞄准高功率 PA及天线;而环宇也拥有4英寸GaN-on-SiC高功率PA产能,且6英寸GaN-on-SiC晶圆代工产能已通过认证。
 
世界先进也在GaN材料上投资超过 4 年时间,持续与设备材料厂Kyma、及转投资GaN硅基板厂Qromis 携手合作,开发可做到8英寸的新基底高功率氮化镓技术 GaN-on-QST,今年可望有小量送样,初期主要瞄准电源应用。
 
上周,中美晶宣布入股宏捷科,双方将合作加速开发GaN产品进程。宏捷科在砷化镓晶圆代工领域拥有自主技术,近年来也积极开发GaN产品,且从砷化镓到GaN-on-SiC制程转换相对较快。
 
IDM方面,目前,国内外设计和生产GaN,特别是基站射频器件的厂商大概有20几家,并不算很多,有代表性的包括Qorvo、英飞凌、NXP、Cree、日本住友、ADI、MACOM,以及我国大陆地区的三安光电、海特高新(海威华芯)、苏州能讯和英诺赛科等。
 
其中,Cree主要由其子公司Wolfspeed经营 RF 业务。2018 年,Cree收购了英飞凌的RF部门, 该部门主要设计制造LDMOS放大器,同时拥有GaN-SiC/Si器件生产能力。收购完成后,Cree成为了全球最大的GaN射频器件供应商。Cree除为自家生产GaN射频器件外,还向外提供GaN代工生产服务。
 
而Qorvo在GaAs的基础上,进一步发展了GaN-on-SiC;MACOM则在早期看好GaN-ON-Si工艺,近两年也开始发展GaN-on-SiC,如上周发布了其新型GaN-on-SiC功率放大器产品线,名为MACOM PURE CARBIDE。该公司还推出了该产品线的前两个新产品MAPC-A1000和MAPC-A1100。
 
结语
 
以上主要介绍了GaN-on-Si和GaN-on-SiC这两种技术的优缺点,以及各自的发展形势,并从外延片、晶圆代工和IDM这几个方面分析了眼下该领域厂商的发展情况。
 
与几年前相比,有越来越多的厂商重视GaN-on-SiC,并投入了研发力量,相应的产品也越来越多。随着成本等问题的逐步解决,未来,GaN-on-SiC的性能等优势有望凸显出来,特别是在射频应用领域,GaN-on-SiC比GaN-on-Si具有更好的发展前景。
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