全球首發8英寸GaN HEMTs

4月10日，在2024武漢九峰山論壇上，西安電子科技大學郝躍院士、張進成教授課題組李祥東團隊與廣東致能科技聯合攻關，首次展示了全球首片8英寸藍寶石基GaN HEMTs晶圓。

據李祥東教授在會上介紹，通過調控外延工藝，其GaN外延片不均勻性控制在4%以內，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。

據行業人士推測，該8英寸藍寶石基GaN HEMTs晶圓器件具有標志性意義，目前200V以下以及650V左右的GaN功率HEMT已在8英寸晶圓線上實現了量產，然而在8英寸線上實現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勢：

一方面，由于轉向8英寸晶圓，每片GaN HEMTs晶圓的芯片數將比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，采用藍寶石襯底可以大幅提升GaN耐壓，市場應用從消費類轉向工業和汽車等領域，需求進一步打開，而隨著8英寸藍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一步下降。

第三，疊加致能自主開發的超薄緩沖層和簡單場板設計等優勢，藍寶石基GaN HEMTs晶圓成本還可降至更低。


5G移動通信的關鍵技術

新興的第五代（5G）通信系統有望解鎖無數新業務，并為許多行業提供增長平臺。5G移動通信的關鍵技術要求是實現數十億設備的泛在連接，并支持多Gbps的數據速率。目標是實現比現有移動系統大數千倍的容量。5G可以提升商用應用的性能，在增強現實、虛擬現實、混合現實應用（AR、VR、MR）、視頻會議、工業自動化、自動駕駛汽車、聯網醫療設備等領域實現新的用戶體驗和服務。為了實現5G，在硬件開發、系統架構和網絡部署方面面臨無數挑戰。

在 5G 設計中，需要模擬前端 （AFE） 來支持多輸入多輸出 （MIMO） 配置中的多個發射和接收路徑。圖2顯示了子陣列有源相控陣天線（APAA）大規模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）和開關組成。5G 日益復雜，限制了在開發此類復雜射頻子系統方面具有專業知識的制造商數量。然而，隨著5G設計的成熟，越來越多的供應商正在應對AFE的設計挑戰。

眾所周知，RF PA的性能通常主導著整個發射機（TX）的性能，因為它的功率附加效率（PAE）決定了整個TX的功耗和散熱要求。為了在厘米波/毫米波頻率下增強用戶體驗和大規模MIMO天線，5G系統將需要更多的PA集成到射頻前端模塊（FEM）中，這使得5G PA的設計比4G PA更為關鍵。對于任何成功的商用 5G 應用，輸出功率 （Pout）、線性度、成本、電路拓撲設計、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現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 年代該技術進入市場以來，射頻功率放大器一直以橫向擴散金屬氧化物半導體 （LDMOS） 器件為主，尤其是在頻率低于 2 GHz頻率范圍的應用時，因為它們成本低廉。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）半導體材料相比，氮化鎵（GaN）是一種寬帶化合物半導體，具有高擊穿電場強度、高電子飽和速度、高導熱性和低介電常數。氮化鎵（GaN）將取代傳統的半導體材料用于5G網絡應用，例如小型基站（Small Cell），這些應用需要更高的頻率、緊密的集成度和最低的實施成本。低壓氮化鎵（GaN）提供的效率性能將不可避免地進入手機應用中。同時氮化鎵（GaN）能夠在高溫環境下工作，非常適合被動冷卻、所有戶外塔頂基站電子設備和汽車應用中。


在不斷擴大的市場中騰出空間

電信基礎設施仍然是射頻 GaN 器件的最大單一市場。 根據 Yole Intelligence 的《RF GaN 化合物半導體 Q2-23》報告，該細分市場的收入預計將從 2022 年的近 7.77 億美元增加到 2028 年的約 14 億美元，復合年增長率為 10%。 然而，不斷擴大的硅基氮化鎵電信基礎設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域帶來增長空間。 預計到 2028 年，GaN 將占電信基礎設施設備出貨量的 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的市場份額將繼續下降。

如今，作為主要平臺，碳化硅基氮化鎵擁有完善的供應鏈。SEDI、Qorvo、Wolfspeed 和 NXP 等器件供應商以及國防相關公司 Raytheon、BAE Systems 和 Northrop Grumman 均提供 GaN-on-SiC 技術。2022 年，SEDI、Qorvo 和 Wolfspeed 是 RF GaN 領域的領先廠商。GaN 領域的新來者 NXP 于 2020 年在美國開設 6 英寸 GaN-on-SiC 晶圓廠，進入電信市場供應鏈，實現了顯著增長。擁有 LDMOS 產品，已成為基于 GaN 的電信基礎設施領域的領先企業。現在，這個不斷擴大的行業為 GaN-on-Si 技術提供了更多空間，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品上市。

但這還不是硅基氮化鎵技術的全部！ 新頻率范圍 3 (FR3) 頻段中的 5G 手機 PA 也出現了一個充滿希望的機會。 盡管硅基氮化鎵在手機 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 解決方案已經存在，并且基于硅的解決方案已獲得關注 適用于毫米波應用。 這些現有技術在技術和供應鏈方面都已經成熟，構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施機會。 然而，必須考慮到將 GaN-on-Si 集成到手機系統中需要復雜的設計更改，這使得在 FR3 頻段采用該技術成為一個長期目標。 最后的決定總是由蘋果、三星和小米等智能手機原始設備制造商說了算，這可能是硅基氮化鎵行業的拐點。

在過去幾年的硅基氮化鎵生態系統中，意法半導體、MACOM、英飛凌科技等公司以及格羅方德、聯電等晶圓代工廠都積極參與射頻硅基氮化鎵技術的開發和引進。 這些參與者正在努力將這項技術推向市場。 此外，還有像 Finwave 這樣的創新公司，該公司專注于在 8 英寸 GaN-on-Si 晶圓上開發 3D GaN FinFET 技術。 他們在開發過程中使用標準硅鑄造工具。 除了這些創新公司之外，GCS、UMC 和 Global Foundries 等老牌公司也有潛力快速適應并進入市場。 參與者正在為這些殺手級應用做好準備，以運行他們的技術，并開啟射頻行業大批量硅基氮化鎵制造的新時代。