Si/GaAs/GaN/InP PA
时间：12-11
整理：3721RD
点击：
今天在EETChina上看到关于Si和GaAs PA的文章，结合自己的一些了解，谈一下这几种材料的PA，希望对大家有用。
无疑，在高频功率器件中，GaAs（包括HBT，MESFET，HEMT等）技术是最成熟的。最在微波大功率应用上，一直就是GaAs的天下，不叙。现在又有了非常强有力的竞争对手：GaN。作为宽禁带半导体的杰出代表，GaN具有更高的饱和电子迁移率和击穿场强，而且还具备非常高的热传导性能，能够使基于GaN的PA能够比其他诸如Si或者GaAs器件高很多的温度下工作。GaN器件的研究，无论是在学术界还是工业界，都达到了空前繁盛的阶段。美国和日本的很多大学及研究机构、商业公司，都投入了非常大的财力物力，希望在GaN市场上抢得先机，譬如UCSB，HRL，TOSHIBA，NEC，Eudyna，Skyworks，RFMD，TriQuint，Anadigics等等。而代表目前GaN PA最高水平的产品，应该是TOSHIBA的14.5GHZ 65.4W GaN HEMT器件，在21.0×12.9mm封装中产生如此高频大功率，无论速调管、行波电子管还是其他固态技术（如GaAs，LDMOS）无法比拟的。GaN PA的主要目标市场包括：（1）无线基站市场；（2）WiMAX市场：WiMAX基站要求功率放大器具备大功率、良好的线性和高效率，这些都是氮化镓技术的优势。美国Nitronex公司和日本Eudyna公司已经能够向市场提供商业化的WiMAX基站器件了，当然这些公司同时也能够提供硅和砷化镓的器件。（3）卫星通讯市场；（4）防务和空间市场：关键的应用包括：相控阵雷达、智能武器、电子对抗系统和军事通讯。对于氮化镓制造商而言，航空及军事市场至关重要，这个市场对性能和可靠性的看重大于成本。这个只要看看美国DARPA和几家军工背景的大公司（如HRL，N-G）的大动作就可见一斑了。另外，GaN在半导体照明应用上也是潜力无限，按下不表。中国大陆对于GaN的研究，据我所知有这么几家：中科院物理所（材料）、中科院半导体所（材料）、中科院微系统所（材料）、中科院微电子所（工艺、器件、电路）、中电55所（工艺、器件、电路）、中电13所（工艺、器件、电路）、西电等。至于达到了什么水平，因为是保密项目，不方便透露，反正与国际水平还有不小的距离。另外说一句，我自己对于GaN最直观的认识是他太经“摔”了，我们几个不同的小组一起在工艺线流片的时候，InP组的同学最郁闷，因为InP材料基本稍微一不小心就碎了；GaAs组的次之，有可能一个清洗步骤中超声波功率稍大，片子就开了；只有GaN组的同学最爽，各个工艺步骤操作都可以“大开大合”，更不不需要担心破碎，甚至故意摔都不会碎，可见GaN材料（蓝宝石或者SiC衬底）的可靠性。以上关于GaN，就这样乱扯一通。
再说一下Si和GaAs PA。GaAs在微波大功率应用的领导地位无需多言了，咱们看看离我们最近的应用：手机PA。“几乎”所有的手机PA（包括RF开关等）都是GaAs工艺，最大的手机PA供应商是RFMD（拆开Nokia看看，^-^），其他还有Skyworks，TriQuint等。之所以用GaAs不用Si的原因，大家应该都知道：高频，高击穿场强，高线性等。正如大家所想，很多人都想通过改进Si工艺来取代GaAs，好处很显然，比如：“低成本”、更高集成度等。大家一直在努力，但是令人沮丧的是，时至今日还没有任何可量产的Si工艺可以和GaAs相媲美。不过，今年陆续有几家公司的成功给Si的坚定支持者注入了强心剂：Jazz Semiconductor, Axiom Microdevices（AX502），SiGe Semiconductor, Acco Semiconductor，Intel，Peregrine Semiconductor（RF开关）等，感兴趣的朋友可以详查。
关于“低成本”：人们总是认为GaAs的成本大于Si，其实是误解。借用Anadigics副总裁兼CTO黄清亮的话：“硅基材料的支持者们一直都在号称有办法让手机PA从GaAs全面转向CMOS工艺，但他们总是遇到或多或少无法预料的问题。直到现在，无论硅还是硅锗的PA在手机上的应用还是少之又少。虽然购买一片6寸GaAs晶圆需要美金500左右，而8英寸硅晶圆的成本还不到50美金。但是我们可以利用一片6英寸GaAs晶圆上生产5000～1万片PA，单个芯片的成本并没有想象的那么高。12英寸的CMOS工艺已经进入大规模量产，但目前最先进的GaAs晶圆厂依然停留在6英寸时代。之所以没有这么做的原因是由于尺寸增加所带来的成本效益对于PA产品来说并不明显。6英寸硅晶圆可以生产的芯片有限(也许只有50片)，8英寸晶圆面积比原来增加1.78倍，除了新增尺寸外，边料利用率的提高也会增加产出。如前所述，6英寸GaAs晶圆的产出大约为5,000～10,000片PA，另外即使转到8英寸生产线，产量也只会提高到8,000～15,000片，两者差别并不是很大。”
关于Si和GaAs的成本争议，再看市场研究公司Strategy Analytics的分析：
One of the oft-repeated arguments from the silicon camp is that GaAs is an expensive, exotic technology that is merely tolerated by end-users as it currently offers the best performance. In targeting the cellular front-end, Jazz and Axiom have focused largely on integration, but cost is also an integral part of their argument. Axiom cites $1000 for a typical 8 inch 0.13 µm CMOS foundry wafer, comparing it with a 6 inch wafer from a GaAs foundry that it claims could cost as much as $2500. Jazz cites a similar sliding scale for silicon wafers, from around $1000 for CMOS, rising to $2500 depending upon the layers of metallization and extra processes required.
SiGe-based PA foundry wafers on an 8 inch platform also cost around $2500, but the larger size offers almost double the potential device yield. So if we simply compare commercial wafer foundry costs, then clearly GaAs is at a
disadvantage to both silicon and SiGe.
But that's not quite the whole story. It must be remembered that more than 95% of GaAs HBT PA and PHEMT switch manufacturing for cellular handsets is done by integrated device manufacturers (IDMs), such as RFMD, Skyworks,
TriQuint or Anadigics, all of whom own in-house manufacturing facilities. We estimate that the real cost of an internally manufactured HBT PA wafer is closer to $800 – raising a serious question mark over silicon's supposed cost advantage.
Backing up this argument is evidence that GaAs technology is competing successfully against silicon CMOS in ultra-low-cost handsets. TriQuint is in volume production to China's ZTE for Vodafone's ultra-low-cost handsets, for example. （中兴通信，呵呵）
Closer analysis reveals that silicon technologies can actually be significantly more expensive than GaAs when considered for low-volume markets like infrastructure, automotive radar or satellite communications. This emerges when the costs of a mask set are taken into account. We estimate that a GaAs mask set typically costs between $25,000 and $50,000 – compared with between $50,000 and $300,000 (and, in extreme cases, more than $1 million) for silicon processes.
We therefore believe that silicon solutions can only be cost-effective for certain niche applications, typically where leading silicon IDMs can run specialized processes on their conventional high-volume manufacturing lines.
These applications include millimeter-wave radios and automotive radar. The latter market is one example where this model is already being applied by M/A-COM and Infineon, and is an area where SiGe-based solutions will potentially displace GaAs in both long and short-range platforms.
Ultimately, however, GaAs technologies remain the most cost-effective solution for high-power, high-frequency applications, with demand from cellular handsets continuing to be the primary growth engine for the GaAs industry as 3G services expand.
相信大家现在对于这个问题终于有比较透彻的了解了，大家都希望将来Si能取代GaAs，但显然还有比较长的路要走。
另外说到集成度的比较，既然Si无法取代GaAs，那么GaAs能否取代Si呢？--当然，历史不能倒退，用GaAs取代数字Si电路。但是，看看Anadigics和Skyworks正在做些什么：他们的BiFET工艺在单芯片上集成了PAs,LNAs,RF Switches,Filters还有一些偏置控制、逻辑控制功能，比如说全集成的802.11 a/b/g WLAN前端芯片。Well done!说到这里顺便提一下GaAs除了功率应用之外的应用，比如说超高速数模混合电路。Euvis公司有GaAs HBT工艺的4GHz/24bit DDS产品，Rockwell公司有6Gbps/6bit ADC产品，这些产品主要应用在军事中，从技术上来讲，似乎也不一定比Si要好很多，不叙。前面说了很多国外的公司，关于中国大陆做GaAs PA的公司，据我所知只有锐迪科有相关的成熟产品推出。还有两外一家New StartUp的公司在昆山，叫做DAC Semiconductor（德可：www.dacsemi.com），我有师兄今年毕业去了那里。大陆的化合物代工厂也在极速发展之中，55所，13所，中科院微电子所都有标准的化合物工艺线，但目前也仅限于科研应用。真正的代工厂在深圳、昆山、南京。深圳的世纪晶源投资巨大（有政府支持），目前首期已经投产，他的几位核心领导都是我认识的一位前辈在美国的同事，据他说这几个人办事一定能成功，我相信；昆山的就是Anadigics的工厂了；南京的是国芯半导体。也许以后锐迪科，还有别的设计GaAs PA的公司，就可以不去UMS，Win，Knowledge*On等流片了，直接在大陆搞定，期待。这里插播一段八卦：（1）据同学的师兄说，RFMD上海做PA的工资：应届硕士13万起，应届博士17万起，年薪；（2）DAC昆山：应届博士>14K/month。各位做RFIC的同志，可以作为参考。GaAs扯完了。
最后再简单说说InP。InP最突出的优点是超高Ft，UCSB做的InP HBT已经超越600GHz，我们组的InP器件（HEMT，DHBT）目前突破200GHz，代表“国内最高”水平。InP电路主要集中在超高速数模混合电路和光电电路中，比较突出的公司有Inphi、TRW等，其余应
用还有无源毫米波成像，无线光缆等。目前有>19GHz DDS，>20GHz ADC/MUX/DEMUX等成熟产品；N-G公司的300GHz PA做的无源毫米波成像技术几乎可以穿透任何衣物和惰性材料已应用于安全检查，我有幸见到一张成像图片，真的是一览无遗，几近裸体，呵呵；
Giga-beam公司的无线光缆技术也是应用71-76GHz，81-86GHz，92-95GHz的InP PA，实现短距离（1英里）超过10Gbps无线点对点双工保密通信。有兴趣的兄弟可以网上详查。另外，InP在军事上的应用，如跳频通信，相控阵雷达等，也是非常诱人，因此很多国家都投入非常非常非常巨额的经费，我们国家也是如此，呵呵。我们组在做InP DHBT器件，他最要命的地方就是非常脆而外延片又贵得要命，我们为了节省money，通常每次流片都只能用2英寸片子的四分之一，最后好不容易才会得到几个合格的器件，所以做InP工艺真是胆战心惊。
终于彻底扯完了,花费了一个上午的功夫，待会还得去load-pull测试，^-^。因为大多数做微电子的朋友都是和Si打交道，而对于化合物半导体了解较少，所以我早就想结合自己的一些见闻写这么一个东西，希望给大家一个大概的认识，拓宽知识面。当然，我自己也是刚接触不久，所知甚少--有些甚至是错误的认识，仅以此乱七八糟文抛砖引玉，请大家直接批评指正！
参考：
http://www.eetchina.com/ART_8800494023_617687_NT_c2c3b08b.HTM?click_from=RSS
coumpoundsemiconductor.net
http://richard.blogbus.com/logs/11977455.html
rfmd,skyworks,TriQuint,Inphi... web
rfdesign.com
......
无疑，在高频功率器件中，GaAs（包括HBT，MESFET，HEMT等）技术是最成熟的。最在微波大功率应用上，一直就是GaAs的天下，不叙。现在又有了非常强有力的竞争对手：GaN。作为宽禁带半导体的杰出代表，GaN具有更高的饱和电子迁移率和击穿场强，而且还具备非常高的热传导性能，能够使基于GaN的PA能够比其他诸如Si或者GaAs器件高很多的温度下工作。GaN器件的研究，无论是在学术界还是工业界，都达到了空前繁盛的阶段。美国和日本的很多大学及研究机构、商业公司，都投入了非常大的财力物力，希望在GaN市场上抢得先机，譬如UCSB，HRL，TOSHIBA，NEC，Eudyna，Skyworks，RFMD，TriQuint，Anadigics等等。而代表目前GaN PA最高水平的产品，应该是TOSHIBA的14.5GHZ 65.4W GaN HEMT器件，在21.0×12.9mm封装中产生如此高频大功率，无论速调管、行波电子管还是其他固态技术（如GaAs，LDMOS）无法比拟的。GaN PA的主要目标市场包括：（1）无线基站市场；（2）WiMAX市场：WiMAX基站要求功率放大器具备大功率、良好的线性和高效率，这些都是氮化镓技术的优势。美国Nitronex公司和日本Eudyna公司已经能够向市场提供商业化的WiMAX基站器件了，当然这些公司同时也能够提供硅和砷化镓的器件。（3）卫星通讯市场；（4）防务和空间市场：关键的应用包括：相控阵雷达、智能武器、电子对抗系统和军事通讯。对于氮化镓制造商而言，航空及军事市场至关重要，这个市场对性能和可靠性的看重大于成本。这个只要看看美国DARPA和几家军工背景的大公司（如HRL，N-G）的大动作就可见一斑了。另外，GaN在半导体照明应用上也是潜力无限，按下不表。中国大陆对于GaN的研究，据我所知有这么几家：中科院物理所（材料）、中科院半导体所（材料）、中科院微系统所（材料）、中科院微电子所（工艺、器件、电路）、中电55所（工艺、器件、电路）、中电13所（工艺、器件、电路）、西电等。至于达到了什么水平，因为是保密项目，不方便透露，反正与国际水平还有不小的距离。另外说一句，我自己对于GaN最直观的认识是他太经“摔”了，我们几个不同的小组一起在工艺线流片的时候，InP组的同学最郁闷，因为InP材料基本稍微一不小心就碎了；GaAs组的次之，有可能一个清洗步骤中超声波功率稍大，片子就开了；只有GaN组的同学最爽，各个工艺步骤操作都可以“大开大合”，更不不需要担心破碎，甚至故意摔都不会碎，可见GaN材料（蓝宝石或者SiC衬底）的可靠性。以上关于GaN，就这样乱扯一通。
再说一下Si和GaAs PA。GaAs在微波大功率应用的领导地位无需多言了，咱们看看离我们最近的应用：手机PA。“几乎”所有的手机PA（包括RF开关等）都是GaAs工艺，最大的手机PA供应商是RFMD（拆开Nokia看看，^-^），其他还有Skyworks，TriQuint等。之所以用GaAs不用Si的原因，大家应该都知道：高频，高击穿场强，高线性等。正如大家所想，很多人都想通过改进Si工艺来取代GaAs，好处很显然，比如：“低成本”、更高集成度等。大家一直在努力，但是令人沮丧的是，时至今日还没有任何可量产的Si工艺可以和GaAs相媲美。不过，今年陆续有几家公司的成功给Si的坚定支持者注入了强心剂：Jazz Semiconductor, Axiom Microdevices（AX502），SiGe Semiconductor, Acco Semiconductor，Intel，Peregrine Semiconductor（RF开关）等，感兴趣的朋友可以详查。
关于“低成本”：人们总是认为GaAs的成本大于Si，其实是误解。借用Anadigics副总裁兼CTO黄清亮的话：“硅基材料的支持者们一直都在号称有办法让手机PA从GaAs全面转向CMOS工艺，但他们总是遇到或多或少无法预料的问题。直到现在，无论硅还是硅锗的PA在手机上的应用还是少之又少。虽然购买一片6寸GaAs晶圆需要美金500左右，而8英寸硅晶圆的成本还不到50美金。但是我们可以利用一片6英寸GaAs晶圆上生产5000～1万片PA，单个芯片的成本并没有想象的那么高。12英寸的CMOS工艺已经进入大规模量产，但目前最先进的GaAs晶圆厂依然停留在6英寸时代。之所以没有这么做的原因是由于尺寸增加所带来的成本效益对于PA产品来说并不明显。6英寸硅晶圆可以生产的芯片有限(也许只有50片)，8英寸晶圆面积比原来增加1.78倍，除了新增尺寸外，边料利用率的提高也会增加产出。如前所述，6英寸GaAs晶圆的产出大约为5,000～10,000片PA，另外即使转到8英寸生产线，产量也只会提高到8,000～15,000片，两者差别并不是很大。”
关于Si和GaAs的成本争议，再看市场研究公司Strategy Analytics的分析：
One of the oft-repeated arguments from the silicon camp is that GaAs is an expensive, exotic technology that is merely tolerated by end-users as it currently offers the best performance. In targeting the cellular front-end, Jazz and Axiom have focused largely on integration, but cost is also an integral part of their argument. Axiom cites $1000 for a typical 8 inch 0.13 µm CMOS foundry wafer, comparing it with a 6 inch wafer from a GaAs foundry that it claims could cost as much as $2500. Jazz cites a similar sliding scale for silicon wafers, from around $1000 for CMOS, rising to $2500 depending upon the layers of metallization and extra processes required.
SiGe-based PA foundry wafers on an 8 inch platform also cost around $2500, but the larger size offers almost double the potential device yield. So if we simply compare commercial wafer foundry costs, then clearly GaAs is at a
disadvantage to both silicon and SiGe.
But that's not quite the whole story. It must be remembered that more than 95% of GaAs HBT PA and PHEMT switch manufacturing for cellular handsets is done by integrated device manufacturers (IDMs), such as RFMD, Skyworks,
TriQuint or Anadigics, all of whom own in-house manufacturing facilities. We estimate that the real cost of an internally manufactured HBT PA wafer is closer to $800 – raising a serious question mark over silicon's supposed cost advantage.
Backing up this argument is evidence that GaAs technology is competing successfully against silicon CMOS in ultra-low-cost handsets. TriQuint is in volume production to China's ZTE for Vodafone's ultra-low-cost handsets, for example. （中兴通信，呵呵）
Closer analysis reveals that silicon technologies can actually be significantly more expensive than GaAs when considered for low-volume markets like infrastructure, automotive radar or satellite communications. This emerges when the costs of a mask set are taken into account. We estimate that a GaAs mask set typically costs between $25,000 and $50,000 – compared with between $50,000 and $300,000 (and, in extreme cases, more than $1 million) for silicon processes.
We therefore believe that silicon solutions can only be cost-effective for certain niche applications, typically where leading silicon IDMs can run specialized processes on their conventional high-volume manufacturing lines.
These applications include millimeter-wave radios and automotive radar. The latter market is one example where this model is already being applied by M/A-COM and Infineon, and is an area where SiGe-based solutions will potentially displace GaAs in both long and short-range platforms.
Ultimately, however, GaAs technologies remain the most cost-effective solution for high-power, high-frequency applications, with demand from cellular handsets continuing to be the primary growth engine for the GaAs industry as 3G services expand.
相信大家现在对于这个问题终于有比较透彻的了解了，大家都希望将来Si能取代GaAs，但显然还有比较长的路要走。
另外说到集成度的比较，既然Si无法取代GaAs，那么GaAs能否取代Si呢？--当然，历史不能倒退，用GaAs取代数字Si电路。但是，看看Anadigics和Skyworks正在做些什么：他们的BiFET工艺在单芯片上集成了PAs,LNAs,RF Switches,Filters还有一些偏置控制、逻辑控制功能，比如说全集成的802.11 a/b/g WLAN前端芯片。Well done!说到这里顺便提一下GaAs除了功率应用之外的应用，比如说超高速数模混合电路。Euvis公司有GaAs HBT工艺的4GHz/24bit DDS产品，Rockwell公司有6Gbps/6bit ADC产品，这些产品主要应用在军事中，从技术上来讲，似乎也不一定比Si要好很多，不叙。前面说了很多国外的公司，关于中国大陆做GaAs PA的公司，据我所知只有锐迪科有相关的成熟产品推出。还有两外一家New StartUp的公司在昆山，叫做DAC Semiconductor（德可：www.dacsemi.com），我有师兄今年毕业去了那里。大陆的化合物代工厂也在极速发展之中，55所，13所，中科院微电子所都有标准的化合物工艺线，但目前也仅限于科研应用。真正的代工厂在深圳、昆山、南京。深圳的世纪晶源投资巨大（有政府支持），目前首期已经投产，他的几位核心领导都是我认识的一位前辈在美国的同事，据他说这几个人办事一定能成功，我相信；昆山的就是Anadigics的工厂了；南京的是国芯半导体。也许以后锐迪科，还有别的设计GaAs PA的公司，就可以不去UMS，Win，Knowledge*On等流片了，直接在大陆搞定，期待。这里插播一段八卦：（1）据同学的师兄说，RFMD上海做PA的工资：应届硕士13万起，应届博士17万起，年薪；（2）DAC昆山：应届博士>14K/month。各位做RFIC的同志，可以作为参考。GaAs扯完了。
最后再简单说说InP。InP最突出的优点是超高Ft，UCSB做的InP HBT已经超越600GHz，我们组的InP器件（HEMT，DHBT）目前突破200GHz，代表“国内最高”水平。InP电路主要集中在超高速数模混合电路和光电电路中，比较突出的公司有Inphi、TRW等，其余应
用还有无源毫米波成像，无线光缆等。目前有>19GHz DDS，>20GHz ADC/MUX/DEMUX等成熟产品；N-G公司的300GHz PA做的无源毫米波成像技术几乎可以穿透任何衣物和惰性材料已应用于安全检查，我有幸见到一张成像图片，真的是一览无遗，几近裸体，呵呵；
Giga-beam公司的无线光缆技术也是应用71-76GHz，81-86GHz，92-95GHz的InP PA，实现短距离（1英里）超过10Gbps无线点对点双工保密通信。有兴趣的兄弟可以网上详查。另外，InP在军事上的应用，如跳频通信，相控阵雷达等，也是非常诱人，因此很多国家都投入非常非常非常巨额的经费，我们国家也是如此，呵呵。我们组在做InP DHBT器件，他最要命的地方就是非常脆而外延片又贵得要命，我们为了节省money，通常每次流片都只能用2英寸片子的四分之一，最后好不容易才会得到几个合格的器件，所以做InP工艺真是胆战心惊。
终于彻底扯完了,花费了一个上午的功夫，待会还得去load-pull测试，^-^。因为大多数做微电子的朋友都是和Si打交道，而对于化合物半导体了解较少，所以我早就想结合自己的一些见闻写这么一个东西，希望给大家一个大概的认识，拓宽知识面。当然，我自己也是刚接触不久，所知甚少--有些甚至是错误的认识，仅以此乱七八糟文抛砖引玉，请大家直接批评指正！
参考：
http://www.eetchina.com/ART_8800494023_617687_NT_c2c3b08b.HTM?click_from=RSS
coumpoundsemiconductor.net
http://richard.blogbus.com/logs/11977455.html
rfmd,skyworks,TriQuint,Inphi... web
rfdesign.com
......