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,,還是射頻應用領(lǐng)域,,GaN都代表著高功率和高性能應用場景的未來,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,而且主要應用于電力電子領(lǐng)域,,未來有望大量導入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應用的發(fā)展趨勢(來源:YOLE)
在射頻應用方面,,Cree(Wolfspeed)擁有最強的實力,,在射頻應用的 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,?!?/p>
據(jù)悉,該公司是與Link?ping大學和法國研究小組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。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,應用瞄準高功率 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,。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,。收購完成后,Cree成為了全球最大的GaN射頻器件供應商,。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。
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,特別是在射頻應用領(lǐng)域,,GaN-on-SiC比GaN-on-Si具有更好的發(fā)展前景,。