全球首發(fā)8英寸GaN HEMTs

4月10日，在2024武漢九峰山論壇上，西安電子科技大學(xué)郝躍院士、張進(jìn)成教授課題組李祥東團(tuán)隊(duì)與廣東致能科技聯(lián)合攻關(guān)，首次展示了全球首片8英寸藍(lán)寶石基GaN HEMTs晶圓。

據(jù)李祥東教授在會上介紹，通過調(diào)控外延工藝，其GaN外延片不均勻性控制在4%以內(nèi)，所制備的HEMTs器件的cp測試良率超過95%，擊穿電壓輕松突破2000V。

據(jù)行業(yè)人士推測，該8英寸藍(lán)寶石基GaN HEMTs晶圓器件具有標(biāo)志性意義，目前200V以下以及650V左右的GaN功率HEMT已在8英寸晶圓線上實(shí)現(xiàn)了量產(chǎn)，然而在8英寸線上實(shí)現(xiàn)2000V級別的GaN器件的展示尚屬首次。

8英寸晶圓將是GaN成為主流電力電子器件的必由之路，其成本將極具競爭優(yōu)勢：

一方面，由于轉(zhuǎn)向8英寸晶圓，每片GaN HEMTs晶圓的芯片數(shù)將比6英寸晶圓多近2倍，GaN器件成本與6英寸方案相比也將大幅下降。

另一方面，采用藍(lán)寶石襯底可以大幅提升GaN耐壓，市場應(yīng)用從消費(fèi)類轉(zhuǎn)向工業(yè)和汽車等領(lǐng)域，需求進(jìn)一步打開，而隨著8英寸藍(lán)寶石襯底制備工藝的日趨成熟和大批量出貨，氮化鎵器件成本也有望進(jìn)一步下降。

第三，疊加致能自主開發(fā)的超薄緩沖層和簡單場板設(shè)計(jì)等優(yōu)勢，藍(lán)寶石基GaN HEMTs晶圓成本還可降至更低。


5G移動通信的關(guān)鍵技術(shù)

新興的第五代（5G）通信系統(tǒng)有望解鎖無數(shù)新業(yè)務(wù)，并為許多行業(yè)提供增長平臺。5G移動通信的關(guān)鍵技術(shù)要求是實(shí)現(xiàn)數(shù)十億設(shè)備的泛在連接，并支持多Gbps的數(shù)據(jù)速率。目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)比現(xiàn)有移動系統(tǒng)大數(shù)千倍的容量。5G可以提升商用應(yīng)用的性能，在增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)、虛擬現(xiàn)實(shí)、混合現(xiàn)實(shí)應(yīng)用（AR、VR、MR）、視頻會議、工業(yè)自動化、自動駕駛汽車、聯(lián)網(wǎng)醫(yī)療設(shè)備等領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)新的用戶體驗(yàn)和服務(wù)。為了實(shí)現(xiàn)5G，在硬件開發(fā)、系統(tǒng)架構(gòu)和網(wǎng)絡(luò)部署方面面臨無數(shù)挑戰(zhàn)。

在 5G 設(shè)計(jì)中，需要模擬前端 （AFE） 來支持多輸入多輸出 （MIMO） 配置中的多個(gè)發(fā)射和接收路徑。圖2顯示了子陣列有源相控陣天線（APAA）大規(guī)模MIMO的框圖。如圖2所示，RF前端模塊由功率放大器（PA）、低噪聲放大器（LNA）和開關(guān)組成。5G 日益復(fù)雜，限制了在開發(fā)此類復(fù)雜射頻子系統(tǒng)方面具有專業(yè)知識的制造商數(shù)量。然而，隨著5G設(shè)計(jì)的成熟，越來越多的供應(yīng)商正在應(yīng)對AFE的設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)。

眾所周知，RF PA的性能通常主導(dǎo)著整個(gè)發(fā)射機(jī)（TX）的性能，因?yàn)樗墓β矢郊有剩≒AE）決定了整個(gè)TX的功耗和散熱要求。為了在厘米波/毫米波頻率下增強(qiáng)用戶體驗(yàn)和大規(guī)模MIMO天線，5G系統(tǒng)將需要更多的PA集成到射頻前端模塊（FEM）中，這使得5G PA的設(shè)計(jì)比4G PA更為關(guān)鍵。對于任何成功的商用 5G 應(yīng)用，輸出功率 （Pout）、線性度、成本、電路拓?fù)湓O(shè)計(jì)、PA的形狀因素等都非常重要。許多其他公司也在投入大量資源來實(shí)現(xiàn)5G革命，其中將使用sub-6GHz頻段的頻率范圍1（FR1）和毫米波頻段的頻率范圍2（FR2）。

自 1990 年代該技術(shù)進(jìn)入市場以來，射頻功率放大器一直以橫向擴(kuò)散金屬氧化物半導(dǎo)體 （LDMOS） 器件為主，尤其是在頻率低于 2 GHz頻率范圍的應(yīng)用時(shí)，因?yàn)樗鼈兂杀镜土?。他們最大的競爭對手是基于砷化鎵（GaAs）的放大器，它更適合更高的頻率，但其功率傳輸水平較低，成本較高。與硅和砷化鎵（GaAs）半導(dǎo)體材料相比，氮化鎵（GaN）是一種寬帶化合物半導(dǎo)體，具有高擊穿電場強(qiáng)度、高電子飽和速度、高導(dǎo)熱性和低介電常數(shù)。氮化鎵（GaN）將取代傳統(tǒng)的半導(dǎo)體材料用于5G網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用，例如小型基站（Small Cell），這些應(yīng)用需要更高的頻率、緊密的集成度和最低的實(shí)施成本。低壓氮化鎵（GaN）提供的效率性能將不可避免地進(jìn)入手機(jī)應(yīng)用中。同時(shí)氮化鎵（GaN）能夠在高溫環(huán)境下工作，非常適合被動冷卻、所有戶外塔頂基站電子設(shè)備和汽車應(yīng)用中。


在不斷擴(kuò)大的市場中騰出空間

電信基礎(chǔ)設(shè)施仍然是射頻 GaN 器件的最大單一市場。 根據(jù) Yole Intelligence 的《RF GaN 化合物半導(dǎo)體 Q2-23》報(bào)告，該細(xì)分市場的收入預(yù)計(jì)將從 2022 年的近 7.77 億美元增加到 2028 年的約 14 億美元，復(fù)合年增長率為 10%。 然而，不斷擴(kuò)大的硅基氮化鎵電信基礎(chǔ)設(shè)施市場并不意味著碳化硅基氮化鎵將完全黯然失色。 相反，不斷增長的電信市場將為碳化硅基氮化鎵和硅基氮化鎵領(lǐng)域帶來增長空間。 預(yù)計(jì)到 2028 年，GaN 將占電信基礎(chǔ)設(shè)施設(shè)備出貨量的 75% 以上。其中，70% 以上將是 GaN-on-SiC，5% 將是 GaN-on-Si，其余部分將是 GaN-on-Si LDMOS的市場份額將繼續(xù)下降。

如今，作為主要平臺，碳化硅基氮化鎵擁有完善的供應(yīng)鏈。SEDI、Qorvo、Wolfspeed 和 NXP 等器件供應(yīng)商以及國防相關(guān)公司 Raytheon、BAE Systems 和 Northrop Grumman 均提供 GaN-on-SiC 技術(shù)。2022 年，SEDI、Qorvo 和 Wolfspeed 是 RF GaN 領(lǐng)域的領(lǐng)先廠商。GaN 領(lǐng)域的新來者 NXP 于 2020 年在美國開設(shè) 6 英寸 GaN-on-SiC 晶圓廠，進(jìn)入電信市場供應(yīng)鏈，實(shí)現(xiàn)了顯著增長。擁有 LDMOS 產(chǎn)品，已成為基于 GaN 的電信基礎(chǔ)設(shè)施領(lǐng)域的領(lǐng)先企業(yè)?，F(xiàn)在，這個(gè)不斷擴(kuò)大的行業(yè)為 GaN-on-Si 技術(shù)提供了更多空間，其中低功率 GaN 解決方案有望用于 10 W 以下的 32T32R 和 64T64R mMIMO 基站，今年會有越來越多的產(chǎn)品上市。

但這還不是硅基氮化鎵技術(shù)的全部！ 新頻率范圍 3 (FR3) 頻段中的 5G 手機(jī) PA 也出現(xiàn)了一個(gè)充滿希望的機(jī)會。 盡管硅基氮化鎵在手機(jī) PA 的 7 GHz 以下和 5G 毫米波頻率中具有潛力，但值得注意的是，7 GHz 以下的完善的 GaAs 解決方案已經(jīng)存在，并且基于硅的解決方案已獲得關(guān)注 適用于毫米波應(yīng)用。 這些現(xiàn)有技術(shù)在技術(shù)和供應(yīng)鏈方面都已經(jīng)成熟，構(gòu)成了重要的競爭對手。 就 FR3 而言，競爭仍然開放，硅基氮化鎵有可能滿足要求并找到實(shí)施機(jī)會。 然而，必須考慮到將 GaN-on-Si 集成到手機(jī)系統(tǒng)中需要復(fù)雜的設(shè)計(jì)更改，這使得在 FR3 頻段采用該技術(shù)成為一個(gè)長期目標(biāo)。 最后的決定總是由蘋果、三星和小米等智能手機(jī)原始設(shè)備制造商說了算，這可能是硅基氮化鎵行業(yè)的拐點(diǎn)。

在過去幾年的硅基氮化鎵生態(tài)系統(tǒng)中，意法半導(dǎo)體、MACOM、英飛凌科技等公司以及格羅方德、聯(lián)電等晶圓代工廠都積極參與射頻硅基氮化鎵技術(shù)的開發(fā)和引進(jìn)。 這些參與者正在努力將這項(xiàng)技術(shù)推向市場。 此外，還有像 Finwave 這樣的創(chuàng)新公司，該公司專注于在 8 英寸 GaN-on-Si 晶圓上開發(fā) 3D GaN FinFET 技術(shù)。 他們在開發(fā)過程中使用標(biāo)準(zhǔn)硅鑄造工具。 除了這些創(chuàng)新公司之外，GCS、UMC 和 Global Foundries 等老牌公司也有潛力快速適應(yīng)并進(jìn)入市場。 參與者正在為這些殺手級應(yīng)用做好準(zhǔn)備，以運(yùn)行他們的技術(shù)，并開啟射頻行業(yè)大批量硅基氮化鎵制造的新時(shí)代。