射频GaN市场机遇及Foundry代工厂巡览

2016-12-04 来源:“电科防务研究”微信公众号 我要评论(0) 字号:

一、前言

氮化镓(GaN、Gallium nitride)是氮和镓的化合物,是一种III和V的直接能隙(direct bandgap)的半导体,自1990年起常用在发光二极管中。此化合物结构类似纤锌矿,硬度很高。氮化镓的能隙很宽,为3.4电子伏特,可以用在高功率、高速的光电元件中,例如氮化镓可以用在紫光的激光二极管,可以在不使用非线性半导体泵浦固体激光(Diode-pumped solid-state laser)的条件下,产生紫光(405 nm)激光。

(图1 GaN晶格结构)

其对电离辐射的敏感性是低的(如同其他III族氮化物),使得它成为用于人造卫星的太阳能电池阵列的合适材料。军事的和空间的应用也可能受益,因为设备显示出在辐射环境中的稳定性。因为氮化镓晶体管可以在高得多的温度和工作在远远超过砷化镓 (GaAs) 晶体管更高的电压,使它们在微波频率成为理想的功率放大器。

(图2 GaN晶圆)

今年的GaN(氮化镓)器件市场异常活跃,GaN逐渐成为主流,开始渗透一些批量需求的商业市场。
GaN已经在大部分高功率军事应用中站稳了脚跟,并且还抓住了有线电视、移动基础设施的部分市场。虽然LDMOS(横向扩散MOS晶体管)目前仍占据基础设施和工业市场的绝大部分份额,但这种情况可能很快就会改变,因为GaN性能与LDMOS基本相当甚至更胜一筹。也许LDMOS现在的唯一优势就是价格了,但这一优势也逐渐不保:Qorvo公司最近宣布将重心转移到6英寸SiC(碳化硅)基GaN上;MACOM公司也宣布将尝试在成本较低的CMOS(Complementary Metal Oxide Silicon 互补型金属氧化物半导体)生产线上生产8英寸Si(硅)基GaN。这些举动都有利于提高GaN的成本竞争优势。

此外,GaN在高功率应用市场上还在挑战GaAs(砷化镓)的地位,并且在大部分面向未来的军事应用中已经取代了GaAs,这些军事应用最重要的性能指标就是功率。
 
二、总体情况

北美有多家GaN的代工厂(包括在加拿大的一家),欧洲有两家,还有被称作是最大的不受管制类化合物半导体制造厂家:台湾的稳懋半导体(WIN Semiconductors)。尽管日本的射频GaN市场份额占有率高,我们也没发现有任何日本的公司提供代工服务,其中包括最大的GaN制造厂商之一的住友商事(Sumitomo)。

中国正在积极的收购及成立半导体公司,打算快速地构建模拟市场和数字化市场。成都的海威华芯(HiWafer)半导体公司和厦门的三安集成电路公司(San’an Integrated Circuit)提供化合物半导体的代工服务,而且这两家公司都对外宣布说他们的6英寸GaN生产线已投产或正在建设。

(图3 三安光电LOGO)

(图4 海威华芯LOGO)

在美国,多数顾客选择Wolfspeed(Cree 旗下公司,被德国英飞凌公司收购),然而很多欧洲的企业,特别是在做航空和防务领域的企业,通常都会选择UMS(United Monolithic Semiconductors)公司或者OMMIC公司

有几家公司跟这些代工厂存在战略合作伙伴关系,说白了就是将渠道独享,不分享给其他的公司。举个例子来说,GCS公司其总部在加利福尼亚州的托伦斯,但这家公司拒不提供关于我们做的这项调查的任何信息,这就是典型的受ITAR(国际武器贸易条例)控制的公司,也就是说,他们确实为一些公司提供射频GaN的制造服务。还有多家受管制类射频GaN制造商,像雷声(Raytheon),MACOM和Qorvo。

对应的还有一些相对独立的制造商:RFMD和TriQuint提供GaN制造代工服务,不过自从他们合并成为了Qorvo,从反馈的结果来看,他们仅仅为一些“战略上”的顾客服务。

(图5 CREE LOGO)

(图6 OMMIC LOGO)
 
三、衬底相关信息

 

多数射频GaN器件的衬底都是SiC,因为SiC和GaN的晶格匹配度非常不错,而且SiC还有GaN需要的高热导率的性能。
因为GaN器件相对于其他的一些器件来说,其功率密度很高。要把产生的热量快速导出不是一件容易的事情,所以衬底和外面封装的材料同样至关重要。但MACOM公司决定逆潮流而上,他们对抗国际整流器公司(该公司同样被德国英飞凌公司收购)的原始专利,这一专利就是Si衬底上生长GaN(MACOM收购了Nitronex,从Nitronex那儿得到的)。Si衬底,有更低的价格,但同时热导率也比SiC低。不过,MACOM公司有解决方法:其公布了一组数据,数据显示如果设计恰当,在应用上,Si基GaN的性能是可以和SiC基GaN性能一样可靠的。

Si基GaN拥有的优势在于:可以在标准工艺上处理更大的晶圆,并且其CMOS生产线成本低廉。不过MACOM公司并不提供代工服务,他们与GCS公司合作生产Si基GaN器件,但这一工艺并不开放给其他公司。

另一家公司,OMMIC公司是我们发现的除MACON公司外也能够生产Si基GaN的公司,但我们并没有发现OMMIC公司提供类似代工厂的Si基GaN生产服务。

所有的相关制造厂商都在关注3、4英寸的GaN晶圆,但随着需求的不断提升,也有很多打算将重心转移到6英寸的GaN晶圆生产上。一些公司已经宣布会在接下来的一到两年内,计划转到6英寸生产上。这是因为转到6英寸上利用率会更高,成本会稍降。举个例子:据BAE系统公司估计,若从4英寸晶圆生产转到6英寸晶圆生产(见图一),每平方毫米成本将会从3美元降到1.5美元。这是因为其可用面积会增加一倍。

(图7 六英寸Si基GaN)

(图8 OMMIC公司6英寸晶圆)

四、制造工艺概览
总体上,大部分制造厂商提供2到3个标准工艺:
n  0.5微米,高偏置(40到50V),主要瞄准高功率、频率低于约8GHz的器件;
n  0.25微米,中偏置(28到30V),主要瞄准更高频率(大概达到18GHz)的器件
n  更小的栅长(大概0.15微米),主要瞄准毫米波器件(频率达到100GHz)

GaN生产工艺
公司和工艺栅长
(μm)
偏置
(V)
源漏击穿电压(V)功率密度(W/mm)最高频率(GHz)效率场板晶圆尺寸
(英寸)
衬底
BAE系统公司
0.2μm FP0.240>100640(ft)60%@10GHz4SiC
0.18μm NFP0.1830140 typ.357(ft)45%@30GHz4SiC
Fraunhofer(德国)
GaN500.5501506665%@3GHz4SiC
GaN250.252810052055%@10GHz4SiC
GaN100.1153029440%@30GHz4SiC
National Research Council
GaN500v30.540150513(ft)N/A3SiC
GaN150v10.1530120735(ft)33%@18GHz可选3SiC
E-GaN(开发中)0.1530180N/A20(ft)N/A可选3SiC
OMMIC
D01GH0.125V(12V typ.)403.550/110(ft)48%@40GHz3Si,SiC
D006GH(开发中)0.0620V(8V typ.)251100/170(ft)N/A3SiC
United Monolithic Semiconductors
GH500.550>200>5765%@2GHz4SiC
GH250.2530>100>42050%@10GHz4SiC
WIN Semiconductors
NP450.4550>160>6.512(ft)60~75%@2.7GHz4SiC
NP250.25281204.225(ft)50%@6GHz4SiC
Wolfspeed(Cree)
G50v3MMIC0.450>1508665%4SiC
G25v3MMIC0.425>1204.5865%4SiC
G284v4MMIC0.2525>1204.51865%4SiC
G40v4MMIC0.2540>12061865%4SiC

(表一 七家公司提供的RF射频制造工艺的完整列表)
 
五、可靠性

(图9 晶圆目检工序)

1.BAE系统公司其可靠性测试比较严格,军用GaN单片微波集成电路(MMIC)均强制性实施了可靠性评价。所有工艺流程均被测试,来满足苛刻的要求。而且其测试是在不同工作温度下进行的,其激活能的估计和平均无故障时间的计算都是在实际工作的温度下进行计算的。0.18μmNFP工艺测试数据:MTTF(平均无故障工作时间):107小时(200℃、30V)。

2.Fraunhofer公司的测试:对GaN50、GaN25工艺采取直流、高温反偏(high temperature reverse bias HTRB)和在2、10GHz工作下的测试。对GaN10工艺只测试了10GHz工作模式。

3.NRC报道称GaN150的可靠性测试还在进展中。GaN800工艺过程的MTTF:2.5×107小时(200℃)。

4.OMMIC的测试:外壳80℃、直流电下工作2000小时无明显变化,其源漏电压12V,电流200mA/mm,和在200℃下工作的结果相同。其他的可靠性测试还在进行中。

5.UMS进行测试的科目有:存储、高温反向偏压、高温寿命和直流寿命,以及射频递进应力和射频寿命测试。以上的测试确保产品能够达到200℃下至少工作20年。这类质量鉴定测试是在单位基元上进行测试的,特别是那些有分离器件和有更大栅长的MMIC上。

6.稳懋半导体则为客户提供了全套的测试鉴定报告,包括四个温度的平均无故障工作时间结果。

7.Wolfspeed已经完成了超过1000亿小时的外场工作测试,在测试时间内,其FIT(Failure in time 工作时间失效率)失效率低于每十亿器件小时5个失效(包括分立GaN晶体管和集成电路)。这一公司在近期宣布,他们的GaN射频功率晶体管通过了NASA的卫星和太空系统可靠性标准。其器件还符合NASA的EEE-INST-0021级可靠性测试。

六、后道服务

(图10 DIE SAW工序)

1.BAE系统公司提供晶圆片上测试和晶圆切割、芯片的挑选和检查。还有些客户给提供初级封装。例如,他们提供在热膨胀系数匹配垫片上烧结芯片,或者再封装到封装壳体中。

2.Fraunhofer的所有SiC工艺包括所有的背面加工处理,包括客户要求的金属通孔。他们提供全面的检测(直流、小信号和负载牵引圆片数据图),以及全套的MMIC的检测。他们为大功率特性提供快速条状功率封装。

3.NRC提供晶圆测试,但其他检测还有之后的封装服务不提供。

4.OMMIC提供晶圆测试服务,外观检验(商用和太空级)、还有为太空项目所作的大量验收测试(LAT)和晶圆验收测试(WAT)。所有的设计都能够进行QFN(塑料方形扁平无引脚封装)(达到30GHz工作)或者是直接封装。他们也为太空器件提供气密外封装服务。

5.UMS提供的售后服务范围很广而且比较灵活,包括晶圆片上噪声和功率测试。并且帮忙进行外表检测、挑选和封装。

6.稳懋半导体为GaN客户提供高电压直流产品测试,切割和检查服务。

7.Wolfspeed提供切割、晶圆上直流、交流探针测试和固定的直流/交流特征化测试。

(图11 BAE & WIN公司LOGO)

七、电子设计自动化(EDA)软件支持

1.BAE系统公司的软件系统服务是一家一家做的。他们为客户提供专属软件设计服务。这家公司拥有一个自主研发的Angelov非线性模型,在设计时提供所有需要的器件模型,并且为这些制造厂商提供信息。可兼容ADS系统的PDK套件们预计在2016年年底能开发出来。

2.弗劳恩霍夫有安捷伦(Keysight)PDK系统,为微带线服务;有接地共面传输线,为ADS系统(ADS数据记录)服务,还包括所有自动陈列的功能。

3.对GaN500工艺,NRC既提供Root模型,也提供在ADS系统上的Angelov模型。对GaN150工艺,只提供Root模型。而对于0.15μm的E-GaN工艺则没有模型提供。

4.OMMIC的PDK可联网使用,其ADS版本是最新的32位和64位,可满足NI/AWR微波办公室设计系统。64位NI/AWR设计正在研发中。所有的套件设计都在全温度下提供非线性模型和噪声模型。这家公司也提供DRC和LVS的查询服务。他们雇佣了一个团队,跟踪用户需求,并提供多层圆片设计(多层掩膜)服务,每一过程每年要启动4次,因为其原型数量很少。

5.UMS的GH25工艺的PDK套件是可以与微波办公室和ADS兼容的。他们包括非线性、面向功率生成而设计的量化热-电模型。为LNA设计的线性模型,为开关和二极管设计的冷FET模型、还有为MMIC设计的无源元件。他们的PDK套件包括增加的DRC(数字版图纠正)和为三维电磁仿真设计的3D视图。

6.稳懋半导体设计套件是能够用在ADS和NI/AWR平台上的,包括自适应和最优非线性模型,微信号和噪声、负载牵引数据模型。稳懋半导体运用基于互联网的工具——WebDRC,提供24小时设计检查工作,他们既通过Cadence也通过ADS 和AWR的平台来进行设计的确认。

7.Wolfspeed提供基于ADS系统和NI/AWR的微波办公室PDK。

八、市场机遇

GaN现在和GaAs器件的发展类似,期望GaN的市场能够成熟起来,让其可做的器件变得多起来,特别是在高功率市场方面。随着技术的更新换代和成本的降低,预测GaN将会为功率放大器提供最好的价值功能,找到最优的平衡。现在在军民融合的大潮下,性能的要求更加凸显:

  • 发射功率
  • 效率
  • 线性度
  • 频率
  • 带宽
  • 工作温度
  • ……

GaN在这些性能上表现得比GaAs和Si更好。例如,在军事器件中,GaN改善了尺寸、重量和功率(SWaP),并且将继续融入这些系统中。

多数GaN供应商将基站和卫星市场视为短期内的主要的增长方向。至于毫米波,5G也是一个巨大的机遇,目前GaN在宽频带、高频器件上表现良好。在射频能源市场GaN也适应得较好,制造厂商关注的航天以及防务市场在快速增长,这包括宽禁带,高功率放大器电子战、相控阵雷达和广泛的毫米波应用。

(图12 GaN的未来)

GaN的主要竞争对手是在射频领域的LDMOS,在高频领域是GaAs。LDMOS依然主宰着高功率器件市场。目前GaN不会完全的取代任何一项技术,但它也会继续的渗透进这些市场,使自己更具价格竞争力。LDMOS每年也会进一步研发提高性能,所以这些市场上两者将会继续竞争下去,在未来,GaN必将出现亮眼的表现。

BAE系统公司认为在一段很长的时间内,GaN的微波应用将持续繁荣。主要在高功率领域,频率从1到100GHz。尽管如此,GaN也不会完全的替代GaAs和Si,毕竟GaAs和Si都有独特的性能,而且其相关的经济体也会确保这些材料的持续生存。GaN的爆发是要在其高产技术成熟而且晶圆尺寸扩大,成本降低的时候。现在来看,GaN显然是一个市场的颠覆性技术,至少在下个十年内,没有什么半导体技术能够撼动它的地位。

期待GaN后续的技术发展,像节约成本的Si基GaN、增强热导性能的金刚石基GaN。GaN也将会更广泛的应用,不仅仅在功率放大器上,还要应用到其它像是低噪声放大器啦,开关啦,还有多功能集成电路啦等等。GaN十分适合应用在低噪声放大器/限幅器上,因为它结合了低噪特性和高击穿电压,后者对限幅比较有利。

未来器件的战争将会在GaN/SiC或者是GaN/Si之间打响。工业上会有哪项技术出局么?

Si基GaN有着低成本的良好前景——提供了更大的晶圆直径和更低成本衬底以及加工成本。如果表现出的特性非常接近GaN/SiC的表现,那么,硅基氮化镓成本优势将会变成SiC基氮化镓制造的首要难题。

但从另一方面来说,SiC拥有导热性能是一些器件所需要的,也会为这两种技术继续存活留下空间。

出处:“电科防务研究”微信公众号(CETC-ETDR)

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