憑借高功率、高頻工作環(huán)境下的優(yōu)良性能，氮化鎵（GaN）正在快速崛起，無論是在功率，還是射頻應(yīng)用領(lǐng)域，GaN都代表著高功率和高性能應(yīng)用場景的未來，將在很大程度上替代砷化鎵（GaAs）和LDMOS。
而在GaN外延片方面，主要有兩種襯底技術(shù)，分別是GaN-on-Si（硅基氮化鎵）和GaN-on-SiC（碳化硅基氮化鎵）。當(dāng)然，除了以上這兩種主流技術(shù)外，還有GaN-on-sapphire，以及GaN-on-GaN技術(shù)。
雖然GaN-on-SiC性能相對較佳，但價格明顯高于GaN-on-Si。另外，GaN-on-Si生長速度較快，也較容易擴展到8英寸晶圓。雖然GaN-on-Si性能略遜于GaN-on-SiC，但目前工藝水平制造的器件已能達到 LDMOS 原始功率密度的5-8 倍，在高于2GHz的頻率工作時，成本與同等性能的LDMOS 出入不大。另外，硅基技術(shù)也將對CMOS工藝兼容，使GaN器件與CMOS工藝器件集成在一塊芯片上。這些使得GaN-on-Si成為市場主流，而且主要應(yīng)用于電力電子領(lǐng)域，未來有望大量導(dǎo)入5G基站的功率放大器 （PA）。
GaN-on-SiC則結(jié)合了SiC優(yōu)異的導(dǎo)熱性和GaN的高功率密度和低損耗的能力，與Si相比，SiC是一種非?！昂纳ⅰ钡囊r底，此基板上的器件可以在高電壓和高漏極電流下運行，結(jié)溫將隨射頻功率而緩慢升高，因此射頻性能更好，是射頻應(yīng)用的合適材料。在相同的耗散條件下，SiC器件的可靠性和使用壽命更好。但是，受限于SiC襯底，目前仍然限制在4英寸與6英寸晶圓，8英寸的還沒有推廣。
另外，SiC具有高電阻特性：這非常有利于毫米波傳輸，這在設(shè)計帶有大型匹配電路的高頻MMIC時需要。
圖1：GaN-on-SiC和GaN-on-Si應(yīng)用的發(fā)展趨勢（來源：YOLE）
在射頻應(yīng)用方面，Cree（Wolfspeed）擁有最強的實力，在射頻應(yīng)用的 GaN HEMT 專利競爭中，尤其在GaN-on-SiC技術(shù)方面，該公司處于領(lǐng)先地位，遠遠領(lǐng)先于其主要競爭對手住友電工和富士通。英特爾和MACOM是目前最活躍的射頻GaN專利申請者，主要聚焦在GaN-on-Si技術(shù)領(lǐng)域。GaN射頻HEMT相關(guān)專利領(lǐng)域的新進入者主要是中國廠商，如HiWafer（海威華芯）、三安集成和華進創(chuàng)威。
GaN-on-SiC外延片又有突破
與GaN-on-Si相比，GaN-on-SiC最大的劣勢就是成本，如果解決了這個問題，或使雙方的成本接近，則GaN-on-SiC的性能優(yōu)勢就會凸顯出來。
歐洲在第三代半導(dǎo)體技術(shù)研究方面一直處于世界前列，時常會有突破性的技術(shù)出現(xiàn)。最近，瑞典的一家公司憑借其GaN-on-SiC技術(shù)交付了6英寸晶圓。該公司首席技術(shù)官兼聯(lián)合創(chuàng)始人表示：“在目前的市場上，由于硅襯底價格便宜，且可以實現(xiàn)垂直集成，因此99％的GaN器件是GaN-on-Si。但是，GaN-on-Si的質(zhì)量仍然存在很多缺陷，最大的問題是可靠性，這方面，GaN-on-SiC做得更好。我們使用了不同的生長方案來開發(fā)這項技術(shù)。GaN-on-Si必須生長5μm的厚度才能獲得良好的質(zhì)量，但是其硅襯底有缺陷，而SiC層為2μm，現(xiàn)在，我們將其厚度降低到了200至250nm，這樣可以提高質(zhì)量，減少缺陷。”
據(jù)悉，該公司是與Link?ping大學(xué)和法國研究小組IEMN合作研究該外延技術(shù)的，這也是EU Horizon 2020項目的一部分，使用了具有有序空位的1nm原子中間層來適應(yīng)第一外延層和襯底之間界面處的晶格失配。這使半絕緣SiC襯底上的300nm GaN層具有約2 MV / cm的橫向臨界擊穿場和超過3 kV的垂直擊穿電壓。該臨界擊穿場幾乎比傳統(tǒng)的厚緩沖法生長的硅上GaN外延晶片的擊穿場高三倍。這一突破可以顯著降低大功率器件的功耗。
如下圖所示，可以在溝道下看到一層氮化鋁（AlN）層，它具有最高的帶隙。這種勢壘有助于將電子限制在溝道內(nèi)，這也是減小厚度的另一種方式。
圖2
從實際效果來看，這種薄的外延層顯示出了更高的擊穿強度，是硅的4倍。
良率是一個非常重要的指標，目前，GaN-on-Si的成品率仍約為60％，因此仍然存在問題。采用該GaN-on-SiC方案，其襯底比硅更容易處理，因此，產(chǎn)量會高得多。
目前，這種輕薄的GaN-on-SiC方案主要用于射頻，今后還會向功率應(yīng)用方向邁進。因為它可以實現(xiàn)更高的功率，與GaN-on-Si相比，具有更強的不可替代性，特別是在電動汽車應(yīng)用中，目標電壓一般為900至1200V，這方面，GaN-on-SiC更具優(yōu)勢，而且，襯底的成本會降低。在過去三年中，GaN-on-SiC晶圓的成本已大大降低。
GaN-on-SiC也在朝著8英寸晶圓進軍，因為這是晶圓代工廠的主流，但就目前來看，8英寸的 SiC晶圓尚未廣泛使用。業(yè)界有一種說法，8英寸SiC將在兩年內(nèi)成為標準的晶圓產(chǎn)品。
總之，對于射頻應(yīng)用來說，GaN-on-SiC必須更薄，并為甚高頻設(shè)備提供更好的限制。而對于功率應(yīng)用來說，瑞典這家公司給出的結(jié)構(gòu)就足夠了，但依然需要在成本上努力，射頻的批量訂單將有助于降低基板成本。
中國廠商也在積極發(fā)展GaN技術(shù)，近些年，陸續(xù)有相關(guān)的外延片項目投產(chǎn)，如2019下半年，北京耐威科技控股子公司聚能晶源投資建設(shè)的第三代半導(dǎo)體材料制造項目（一期）于9月正式投產(chǎn)。本項目設(shè)計產(chǎn)能為年產(chǎn)1萬片GaN外延晶圓，既可生產(chǎn)提供標準結(jié)構(gòu)的 GaN 外延晶圓，也可根據(jù)客戶需求開發(fā)、量產(chǎn)定制化外延晶圓。
與此同時，西部地區(qū)首個GaN外延片工廠聚力成成功試產(chǎn)GaN外延片。在電力電子領(lǐng)域，聚力成具備開發(fā)6英寸650V/100V硅基氮化鎵（GaN-on-Si）外延片技術(shù)能力，實現(xiàn)650V/15A硅基氮化鎵功率器件的生產(chǎn)工藝。在微波射頻領(lǐng)域，該公司同樣具有研發(fā)GaN-on-SiC外延材料的技術(shù)能力，產(chǎn)品主要定位在射頻通訊和射頻能量市場。
目前，國內(nèi)已有多家企業(yè)布局GaN外延片產(chǎn)業(yè)，除了聚力成以外，還有江蘇能華、英諾賽科、三安集成、江蘇華功、大連芯冠和海威華芯等，其中英諾賽科的8英寸Si基GaN生產(chǎn)線已經(jīng)相繼開始啟用。
晶圓廠
目前，無論是生產(chǎn)GaN-on-Si，還是GaN-on-SiC，多家晶圓代工廠和IDM都有涉獵，且都是它們重點發(fā)展的對象。
晶圓代工方面，中國臺灣地區(qū)的企業(yè)一馬當(dāng)先，GaN-on-S方面，臺積電已經(jīng)開始提供6英寸的晶圓代工服務(wù)。嘉晶6英寸GaN-on-Si外延片，已進入國際IDM廠認證階段，并爭取新訂單中，漢磊科則已量產(chǎn)6英寸GaN on Si產(chǎn)品，瞄準車用需求。
化合物半導(dǎo)體晶圓代工廠穩(wěn)懋已開始提供6英寸的GaN-on-SiC代工服務(wù)，應(yīng)用瞄準高功率 PA及天線；而環(huán)宇也擁有4英寸GaN-on-SiC高功率PA產(chǎn)能，且6英寸GaN-on-SiC晶圓代工產(chǎn)能已通過認證。
世界先進也在GaN材料上投資超過 4 年時間，持續(xù)與設(shè)備材料廠Kyma、及轉(zhuǎn)投資GaN硅基板廠Qromis 攜手合作，開發(fā)可做到8英寸的新基底高功率氮化鎵技術(shù) GaN-on-QST，今年可望有小量送樣，初期主要瞄準電源應(yīng)用。
上周，中美晶宣布入股宏捷科，雙方將合作加速開發(fā)GaN產(chǎn)品進程。宏捷科在砷化鎵晶圓代工領(lǐng)域擁有自主技術(shù)，近年來也積極開發(fā)GaN產(chǎn)品，且從砷化鎵到GaN-on-SiC制程轉(zhuǎn)換相對較快。
IDM方面，目前，國內(nèi)外設(shè)計和生產(chǎn)GaN，特別是基站射頻器件的廠商大概有20幾家，并不算很多，有代表性的包括Qorvo、英飛凌、NXP、Cree、日本住友、ADI、MACOM，以及我國大陸地區(qū)的三安光電、海特高新（海威華芯）、蘇州能訊和英諾賽科等。
其中，Cree主要由其子公司W(wǎng)olfspeed經(jīng)營 RF 業(yè)務(wù)。2018 年，Cree收購了英飛凌的RF部門， 該部門主要設(shè)計制造LDMOS放大器，同時擁有GaN-SiC/Si器件生產(chǎn)能力。收購?fù)瓿珊?，Cree成為了全球最大的GaN射頻器件供應(yīng)商。Cree除為自家生產(chǎn)GaN射頻器件外，還向外提供GaN代工生產(chǎn)服務(wù)。
而Qorvo在GaAs的基礎(chǔ)上，進一步發(fā)展了GaN-on-SiC；MACOM則在早期看好GaN-ON-Si工藝，近兩年也開始發(fā)展GaN-on-SiC，如上周發(fā)布了其新型GaN-on-SiC功率放大器產(chǎn)品線，名為MACOM PURE CARBIDE。該公司還推出了該產(chǎn)品線的前兩個新產(chǎn)品MAPC-A1000和MAPC-A1100。
結(jié)語
以上主要介紹了GaN-on-Si和GaN-on-SiC這兩種技術(shù)的優(yōu)缺點，以及各自的發(fā)展形勢，并從外延片、晶圓代工和IDM這幾個方面分析了眼下該領(lǐng)域廠商的發(fā)展情況。
與幾年前相比，有越來越多的廠商重視GaN-on-SiC，并投入了研發(fā)力量，相應(yīng)的產(chǎn)品也越來越多。隨著成本等問題的逐步解決，未來，GaN-on-SiC的性能等優(yōu)勢有望凸顯出來，特別是在射頻應(yīng)用領(lǐng)域，GaN-on-SiC比GaN-on-Si具有更好的發(fā)展前景。