目前，在高功率與高頻應(yīng)用領(lǐng)域，氮化鎵（GaN）越來越受到重視，無論是國(guó)際大廠，如Qorvo、英飛凌、NXP、Cree、日本住友等，還是中國(guó)本土產(chǎn)商，如三安光電、海特高新（海威華芯）、蘇州能訊和英諾賽科等，都在這方面不斷加大投入力度，以求占得市場(chǎng)先機(jī)。

最近，中國(guó)本土廠商在GaN晶圓廠建設(shè)的腳步不斷提速，例如，就在上周，英諾賽科（蘇州）半導(dǎo)體有限公司宣布其8英寸硅基氮化鎵芯片生產(chǎn)線一期第一階段產(chǎn)能擴(kuò)展建設(shè)項(xiàng)目量產(chǎn)。預(yù)計(jì)2021年實(shí)現(xiàn)產(chǎn)能可達(dá)6000片/月。項(xiàng)目全部達(dá)產(chǎn)后預(yù)計(jì)將實(shí)現(xiàn)年產(chǎn)能78萬片8英寸硅基氮化鎵晶圓。據(jù)悉，該項(xiàng)目主要建設(shè)從器件設(shè)計(jì)、驅(qū)動(dòng)IC設(shè)計(jì)開發(fā)、材料制造、器件制備、后段封測(cè)以及模塊加工的全產(chǎn)業(yè)鏈寬禁帶半導(dǎo)體器件制造平臺(tái)。

無獨(dú)有偶，就在不久前的4月份，中國(guó)本土另一家化合物半導(dǎo)體大廠賽微電子發(fā)布了關(guān)于與青州市人民政府簽署《合作協(xié)議》的公告，賽微電子擬在青州經(jīng)濟(jì)開發(fā)區(qū)發(fā)起投資10億元分期建設(shè)聚能國(guó)際6-8英寸硅基氮化鎵功率器件半導(dǎo)體制造項(xiàng)目，一期建成投產(chǎn)后將形成5000片/月的6-8英寸氮化鎵晶圓生產(chǎn)能力，二期建成投產(chǎn)后將形成12000片/月的6-8英寸氮化鎵晶圓生產(chǎn)能力。

可以看出，以上兩家本土企業(yè)都在大力發(fā)展硅基氮化鎵技術(shù)，該技術(shù)也是眾多新興企業(yè)的首選。

硅基氮化鎵是潛力股

目前，在氮化鎵外延片方面，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）。相比較而言，GaN-on-SiC性能相對(duì)較佳，但價(jià)格明顯高于GaN-on-Si。GaN-on-Si的優(yōu)勢(shì)是生長(zhǎng)速度較快，也較容易擴(kuò)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(dá)到 LDMOS 原始功率密度的5-8 倍，在高于2GHz的頻率工作時(shí)，成本與同等性能的LDMOS 出入不大。另外，硅基技術(shù)也將對(duì)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(chǎng)的潛力股，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）。

由于像Qorvo、Wolfspeed（Cree）等傳統(tǒng)大廠都比較傾向于采用GaN-on-SiC方案，使得該技術(shù)成為了目前市場(chǎng)的主流。但是GaN-on-Si憑借其先天優(yōu)勢(shì)，正在被越來越多的廠商采用。

與GaN-on-SiC相比，GaN-on-Si方案最大的優(yōu)勢(shì)就是襯底成本低，也更容易向8英寸大尺寸晶圓轉(zhuǎn)移，以提升成本效益和投入產(chǎn)出比。此外，其與CMOS具有較好的兼容性，可以利用現(xiàn)有硅晶圓代工廠已有的規(guī)模生產(chǎn)優(yōu)勢(shì)，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的規(guī)模量產(chǎn)和快速上市。而從應(yīng)用發(fā)展角度來看，5G通信對(duì)射頻元器件的需求正在快速增加過程中，需要大批量、低成本的GaN射頻芯片，而這也給GaN-on-Si提供了發(fā)展契機(jī)。

具體來看，GaN-on-Si器件工藝能量密度高、可靠性高，晶圓可以做得很大，目前在8英寸，未來可以做到10英寸、12英寸，晶圓的長(zhǎng)度可以拉長(zhǎng)至2米。GaN-on-Si器件具有擊穿電壓高、導(dǎo)通電阻低、開關(guān)速度快、零反向恢復(fù)電荷、體積小和能耗低、抗輻射等優(yōu)勢(shì)。理論上相同擊穿電壓與導(dǎo)通電阻下的芯片面積僅為硅的千分之一，目前能做到十分之一。

與傳統(tǒng)LDMOS工藝相比，GaN-on-Si的性能優(yōu)勢(shì)很明顯，它可提供超過70%的功率效率，將每單位面積的功率提高4到6倍，并且可擴(kuò)展至高頻率。同時(shí)，綜合測(cè)試數(shù)據(jù)已證實(shí)，GaN-on-Si符合嚴(yán)格的可靠性要求，其射頻性能和可靠性可媲美甚至超越GaN-on-SiC。

GaN既可以用于基站，也可以用于手機(jī)當(dāng)中，目前來看，Macom， Ommic、三安光電，英諾賽科等廠商在重點(diǎn)研發(fā)基站用GaN-on-Si射頻和功率芯片（包括Sub-6GHz和毫米波兩大頻段）；而在手機(jī)等終端應(yīng)用方面，臺(tái)積電，英特爾、格芯和意法半導(dǎo)體等晶圓大廠正在重點(diǎn)進(jìn)行這方面的GaN-on-Si芯片工藝研發(fā)。

硅基氮化鎵技術(shù)革新

GaN，特別是本文重點(diǎn)關(guān)注的GaN-on-Si技術(shù)，在高頻、高功率的應(yīng)用場(chǎng)合才能充分發(fā)揮其效能，而從5G的發(fā)展情況來看，目前處于Sub-6GHz階段，正在向毫米波進(jìn)發(fā)，因此，未來不斷壯大的毫米波市場(chǎng)，才是GaN-on-Si大施拳腳的地方。

從器件類型來看，毫米波GaN-on-Si晶體管大部分是HEMT（高電子遷移率晶體管），其在器件異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)、柵電極、源漏歐姆接觸：、表面鈍化等方面，較之于傳統(tǒng)的硅技術(shù)，都有更高的要求。目前，業(yè)界在這方面都取得了進(jìn)展，如采用CMOS兼容工藝制造80nm的GaN-on-Si HEMT等。

然而，GaN-on-Si技術(shù)存在著多種不足和技術(shù)挑戰(zhàn)，如熱阻、射頻損耗、應(yīng)力、位錯(cuò)密度和可靠性、大尺寸材料生長(zhǎng)和CMOS兼容工藝制造等，業(yè)界正在努力解決這些問題。

像其他橫向功率器件一樣，硅基氮化鎵HEMT的擊穿電壓隨其柵極到漏極距離的增加而增加，松下公司則利用125μm的柵極到漏極的距離，實(shí)現(xiàn)了超過10kV的擊穿電壓。但是，其襯底不是硅，而是藍(lán)寶石。

此外，麻省理工學(xué)院團(tuán)隊(duì)將GaN HEMT外延層從硅襯底轉(zhuǎn)移到玻璃上，以試圖提高橫向器件的擊穿電壓，從大約600V增加到了1.5kV，實(shí)驗(yàn)證明硅襯底是導(dǎo)致柵極到漏極距離超過一定值的HEMT擊穿電壓飽和的根本原因。但是，改用玻璃不是一個(gè)很好的解決方案，玻璃的導(dǎo)熱系數(shù)很低，并且與硅CMOS代工廠不兼容。Imec的一個(gè)研究小組則通過局部去除硅襯底獲得了成功，實(shí)現(xiàn)了3kV的擊穿電壓。

另外，為了避免與使用玻璃或去除襯底相關(guān)的問題，新加坡-麻省理工學(xué)院研究與技術(shù)聯(lián)盟，南洋理工大學(xué)和麻省理工學(xué)院的團(tuán)隊(duì)使用硅上絕緣體上氮化鎵（GaN-on-insulator （GNOI）-onsilicon），通過使用晶圓鍵合在硅襯底和器件層之間插入附加的絕緣體，避免了對(duì)厚GaN外延層的需求。這種方法具有許多優(yōu)勢(shì)，例如：可以去除因?yàn)樵S多位錯(cuò)和較差的導(dǎo)熱性而使性能受限的原始過渡層，從而提高器件的可靠性和散熱能力；在高溫GaN生長(zhǎng)之后，可以用一種具有良好硬度的新襯底替換原來的易碎硅襯底，這樣可以降低晶圓通過產(chǎn)線時(shí)破裂的可能性，提高了良率。

下面看一下異構(gòu)集成。在與CMOS工藝集成方面，GaN-on-Si具備先天優(yōu)勢(shì)。原因自然是因?yàn)橐r底都是硅，具體不在此贅述。

然而，在異構(gòu)集成方面，GaN-on-Si同樣存在著技術(shù)挑戰(zhàn)，如熱兼容性問題（GaN微波、毫米波電路發(fā)熱量高，會(huì)引起周圍Si-CMOS器件的閾值電壓漂移、漏電增大等問題），電磁兼容性問題（GaN電路工作時(shí)的偏壓比較大，電場(chǎng)耦合到CMOS區(qū)域，以及射頻電路工作時(shí)的電磁場(chǎng)分布效應(yīng)、電磁波輻射等），以及工藝兼容性問題和可靠性問題。

目前，業(yè)界正在進(jìn)行著GaN-on-Si與CMOS集成工藝流程開發(fā)工作，以解決以上難題。如開發(fā)8英寸GaN與硅CMOS晶圓鍵合技術(shù)；解決GaN和硅CMOS器件和電路制造流程中的工藝兼容問題，包括GaN大晶圓翹曲、易碎、金屬污染、高溫退火退化等挑戰(zhàn)；開發(fā)出了GaN-on-Si CMOS單片集成工藝流程，以及GaN器件的模型和PDK等。

結(jié)語

GaN在高頻（毫米波）射頻和功率應(yīng)用中的前景廣闊，而GaN-on-Si憑借其低成本，易于集成等優(yōu)點(diǎn)，具有很大的發(fā)展?jié)摿Α６谥袊?guó)本土，GaN-on-Si則更受歡迎，依托這一巨大市場(chǎng)，相信該技術(shù)在不久的將來必定會(huì)結(jié)出豐碩的果實(shí)。

責(zé)任編輯：haq