本文來自 半導體行業觀察
憑借高功率、高頻工作環境下的優良性能，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，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外，還有GaN-on-sapphire，以及GaN-on-GaN技術。
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域，未來有望大量導入5G基站的功率放大器 (PA)。
GaN-on-SiC則結合了SiC優異的導熱性和GaN的高功率密度和低損耗的能力，與Si相比，SiC是一種非常“耗散”的襯底，此基板上的器件可以在高電壓和高漏極電流下運行，結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技術方面，該公司處于領先地位，遠遠領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技術領域。GaN射頻HEMT相關專利領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的性能優勢就會凸顯出來。
歐洲在第三代半導體技術研究方面一直處于世界前列，時常會有突破性的技術出現。最近，瑞典的一家公司憑借其GaN-on-SiC技術交付了6英寸晶圓。該公司首席技術官兼聯合創始人表示：“在目前的市場上，由于硅襯底價格便宜，且可以實現垂直集成，因此99％的GaN器件是GaN-on-Si。但是，GaN-on-Si的質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這項技術。GaN-on-Si必須生長5μm的厚度才能獲得良好的質量，但是其硅襯底有缺陷，而SiC層為2μm，現在，我們將其厚度降低到了200至250nm，這樣可以提高質量，減少缺陷。”
據悉，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，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。業界有一種說法，8英寸SiC將在兩年內成為標準的晶圓產品。
總之，對于射頻應用來說，GaN-on-SiC必須更薄，并為甚高頻設備提供更好的限制。而對于功率應用來說，瑞典這家公司給出的結構就足夠了，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展GaN技術，近些年，陸續有相關的外延片項目投產，如2019下半年，北京耐威科技控股子公司聚能晶源投資建設的第三代半導體材料制造項目(一期)于9月正式投產。本項目設計產能為年產1萬片GaN外延晶圓，既可生產提供標準結構的 GaN 外延晶圓，也可根據客戶需求開發、量產定制化外延晶圓。
與此同時，西部地區首個GaN外延片工廠聚力成成功試產GaN外延片。在電力電子領域，聚力成具備開發6英寸650V/100V硅基氮化鎵(GaN-on-Si)外延片技術能力，實現650V/15A硅基氮化鎵功率器件的生產工藝。在微波射頻領域，該公司同樣具有研發GaN-on-SiC外延材料的技術能力，產品主要定位在射頻通訊和射頻能量市場。
目前，國內已有多家企業布局GaN外延片產業，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生產線已經相繼開始啟用。
晶圓廠
目前，無論是生產GaN-on-Si，還是GaN-on-SiC，多家晶圓代工廠和IDM都有涉獵，且都是它們重點發展的對象。
晶圓代工方面，中國臺灣地區的企業一馬當先，GaN-on-S方面，臺積電已經開始提供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6英寸GaN on Si產品，瞄準車用需求。
化合物半導體晶圓代工廠穩懋已開始提供6英寸的GaN-on-SiC代工服務，應用瞄準高功率 PA及天線；而環宇也擁有4英寸GaN-on-SiC高功率PA產能，且6英寸GaN-on-SiC晶圓代工產能已通過認證。
世界先進也在GaN材料上投資超過 4 年時間，持續與設備材料廠Kyma、及轉投資GaN硅基板廠Qromis 攜手合作，開發可做到8英寸的新基底高功率氮化鎵技術 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GaN產品進程。宏捷科在砷化鎵晶圓代工領域擁有自主技術，近年來也積極開發GaN產品，且從砷化鎵到GaN-on-SiC制程轉換相對較快。
IDM方面，目前，國內外設計和生產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Wolfspeed經營 RF 業務。2018 年，Cree收購了英飛凌的RF部門， 該部門主要設計制造LDMOS放大器，同時擁有GaN-SiC/Si器件生產能力。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GaN射頻器件外，還向外提供GaN代工生產服務。
而Qorvo在GaAs的基礎上，進一步發展了GaN-on-SiC；MACOM則在早期看好GaN-ON-Si工藝，近兩年也開始發展GaN-on-SiC，如上周發布了其新型GaN-on-SiC功率放大器產品線，名為MACOM PURE CARBIDE。該公司還推出了該產品線的前兩個新產品MAPC-A1000和MAPC-A1100。
結語
以上主要介紹了GaN-on-Si和GaN-on-SiC這兩種技術的優缺點，以及各自的發展形勢，并從外延片、晶圓代工和IDM這幾個方面分析了眼下該領域廠商的發展情況。
與幾年前相比，有越來越多的廠商重視GaN-on-SiC，并投入了研發力量，相應的產品也越來越多。隨著成本等問題的逐步解決，未來，GaN-on-SiC的性能等優勢有望凸顯出來，特別是在射頻應用領域，GaN-on-SiC比GaN-on-Si具有更好的發展前景。
