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半导体行业观察|GaN路线之争再起波澜


半导体行业观察|GaN路线之争再起波澜
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来源：内容由半导体行业观察（ID：icbank）原创 ， 作者：张健 ， 谢谢 。
凭借高功率、高频工作环境下的优良性能 ， 氮化镓（GaN）正在快速崛起 ， 无论是在功率 ， 还是射频应用领域 ， GaN都代表着高功率和高性能应用场景的未来 ， 将在很大程度上替代砷化镓（GaAs）和LDMOS 。
而在GaN外延片方面 ， 主要有两种衬底技术 ， 分别是GaN-on-Si（硅基氮化镓）和GaN-on-SiC（碳化硅基氮化镓） 。 当然 ， 除了以上这两种主流技术外 ， 还有GaN-on-sapphire ， 以及GaN-on-GaN技术 。
虽然GaN-on-SiC性能相对较佳 ， 但价格明显高于GaN-on-Si 。 另外 ， GaN-on-Si生长速度较快 ， 也较容易扩展到8英寸晶圆 。 虽然GaN-on-Si性能略逊于GaN-on-SiC ， 但目前工艺水平制造的器件已能达到LDMOS原始功率密度的5-8倍 ， 在高于2GHz的频率工作时 ， 成本与同等性能的LDMOS出入不大 。 另外 ， 硅基技术也将对CMOS工艺兼容 ， 使GaN器件与CMOS工艺器件集成在一块芯片上 。 这些使得GaN-on-Si成为市场主流 ， 而且主要应用于电力电子领域 ， 未来有望大量导入5G基站的功率放大器(PA) 。
GaN-on-SiC则结合了SiC优异的导热性和GaN的高功率密度和低损耗的能力 ， 与Si相比 ， SiC是一种非常“耗散”的衬底 ， 此基板上的器件可以在高电压和高漏极电流下运行 ， 结温将随射频功率而缓慢升高 ， 因此射频性能更好 ， 是射频应用的合适材料 。 在相同的耗散条件下 ， SiC器件的可靠性和使用寿命更好 。 但是 ， 受限于SiC衬底 ， 目前仍然限制在4英寸与6英寸晶圆 ， 8英寸的还没有推广 。
另外 ， SiC具有高电阻特性：这非常有利于毫米波传输 ， 这在设计带有大型匹配电路的高频MMIC时需要 。
半导体行业观察|GaN路线之争再起波澜
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图1：GaN-on-SiC和GaN-on-Si应用的发展趋势（来源：YOLE）
在射频应用方面 ， Cree（Wolfspeed）拥有最强的实力 ， 在射频应用的GaNHEMT专利竞争中 ， 尤其在GaN-on-SiC技术方面 ， 该公司处于领先地位 ， 远远领先于其主要竞争对手住友电工和富士通 。 英特尔和MACOM是目前最活跃的射频GaN专利申请者 ， 主要聚焦在GaN-on-Si技术领域 。 GaN射频HEMT相关专利领域的新进入者主要是中国厂商 ， 如HiWafer（海威华芯）、三安集成和华进创威 。
GaN-on-SiC外延片又有突破
与GaN-on-Si相比 ， GaN-on-SiC最大的劣势就是成本 ， 如果解决了这个问题 ， 或使双方的成本接近 ， 则GaN-on-SiC的性能优势就会凸显出来 。
欧洲在第三代半导体技术研究方面一直处于世界前列 ， 时常会有突破性的技术出现 。 最近 ， 瑞典的一家公司凭借其GaN-on-SiC技术交付了6英寸晶圆 。 该公司首席技术官兼联合创始人表示：“在目前的市场上 ， 由于硅衬底价格便宜 ， 且可以实现垂直集成 ， 因此99％的GaN器件是GaN-on-Si 。 但是 ， GaN-on-Si的质量仍然存在很多缺陷 ， 最大的问题是可靠性 ， 这方面 ， GaN-on-SiC做得更好 。 我们使用了不同的生长方案来开发这项技术 。 GaN-on-Si必须生长5μm的厚度才能获得良好的质量 ， 但是其硅衬底有缺陷 ， 而SiC层为2μm ， 现在 ， 我们将其厚度降低到了200至250nm ， 这样可以提高质量 ， 减少缺陷 。 ”
据悉 ， 该公司是与Link?ping大学和法国研究小组IEMN合作研究该外延技术的 ， 这也是EUHorizon2020项目的一部分 ， 使用了具有有序空位的1nm原子中间层来适应第一外延层和衬底之间界面处的晶格失配 。 这使半绝缘SiC衬底上的300nmGaN层具有约2MV/cm的横向临界击穿场和超过3kV的垂直击穿电压 。 该临界击穿场几乎比传统的厚缓冲法生长的硅上GaN外延晶片的击穿场高三倍 。 这一突破可以显著降低大功率器件的功耗 。


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