解读射频GaN市场的机遇及未来发展

4英寸的GaN晶圆，但随着需求的不断提升，也有很多打算将重心转移到6英寸的GaN晶圆生产上。一些公司已经宣布会在接下来的一到两年内，计划转到6英寸生产上。这是因为转到6英寸上利用率会更高，成本会稍降。举个例子：据BAE系统公司估计，若从4英寸晶圆生产转到6英寸晶圆生产(见图一)，每平方毫米成本将会从3美元降到1.5美元。这是因为其可用面积会增加一倍。

图4 六英寸Si基GaN

图5 OMMIC公司6英寸晶圆

四、制造工艺概览

总体上，大部分制造厂商提供2到3个标准工艺：

0.5微米，高偏置(40到50V)，主要瞄准高功率、频率低于约8GHz的器件;

0.25微米，中偏置(28到30V)，主要瞄准更高频率(大概达到18GHz)的器件;

更小的栅长(大概0.15微米)，主要瞄准毫米波器件(频率达到100GHz);

表一 七家公司提供的RF射频制造工艺的完整列表

五、可靠性测试

图6 晶圆目检工序

1. BAE系统公司其可靠性测试比较严格，军用GaN单片微波集成电路(MMIC)均强制性实施了可靠性评价。所有工艺流程均被测试，来满足苛刻的要求。而且其测试是在不同工作温度下进行的，其激活能的估计和平均无故障时间的计算都是在实际工作的温度下进行计算的。0.18μmNFP工艺测试数据：MTTF(平均无故障工作时间)：107小时(200℃、30V)。

2. Fraunhofer公司的测试：对GaN50、GaN25工艺采取直流、高温反偏(high temperature reverse bias HTRB)和在2、10GHz工作下的测试。对GaN10工艺只测试了10GHz工作模式。

3. NRC报道称GaN150的可靠性测试还在进展中。GaN800工艺过程的MTTF：2.5&TImes;107小时(200℃)。

4. OMMIC的测试：外壳80℃、直流电下工作2000小时无明显变化，其源漏电压12V，电流200mA/mm，和在200℃下工作的结果相同。其他的可靠性测试还在进行中。

5. UMS进行测试的科目有：存储、高温反向偏压、高温寿命和直流寿命，以及射频递进应力和射频寿命测试。以上的测试确保产品能够达到200℃下至少工作20年。这类质量鉴定测试是在单位基元上进行测试的，特别是那些有分离器件和有更大栅长的MMIC上。

6. 稳懋半导体则为客户提供了全套的测试鉴定报告，包括四个温度的平均无故障工作时间结果。

7. Wolfspeed已经完成了超过1000亿小时的外场工作测试，在测试时间内，其FIT(Failure in TIme 工作时间失效率)失效率低于每十亿器件小时5个失效(包括分立GaN晶体管和集成电路)。这一公司在近期宣布，他们的GaN射频功率晶体管通过了NASA的卫星和太空系统可靠性标准。其器件还符合NASA的EEE-INST-0021级可靠性测试。

六、GaN未来发展

图7 GaN的未来

GaN的主要竞争对手是在射频领域的LDMOS，在高频领域是GaAs。LDMOS依然主宰着高功率器件市场。目前GaN不会完全的取代任何一项技术，但它也会继续的渗透进这些市场，使自己更具价格竞争力。LDMOS每年也会进一步研发提高性能，所以这些市场上两者将会继续竞争下去，在未来，GaN必将出现亮眼的表现。

BAE系统公司认为在一段很长的时间内，GaN的微波应用将持续繁荣。主要在高功率领域，频率从1到100GHz。尽管如此，GaN也不会完全的替代GaAs和Si，毕竟GaAs和Si都有独特的性能，而且其相关的经济体也会确保这些材料的持续生存。GaN的爆发是要在其高产技术成熟而且晶圆尺寸扩大，成本降低的时候。现在来看，GaN显然是一个市场的颠覆性技术，至少在下个十年内，没有什么半导体技术能够撼动它的地位。

期待GaN后续的技术发展，像节约成本的Si基GaN、增强热导性能的金刚石基GaN。GaN也将会更广泛的应用，不仅仅在功率放大器上，还要应用到其它像是低噪声放大器啦，开关啦，还有多功能集成电路啦等等。GaN十分适合应用在低噪声放大器/限幅器上，因为它结合了低噪特性和高击穿电压，后者对限幅比较有利。

未来器件的战争将会在GaN/SiC或者是GaN/Si之间打响。工业上会有哪项技术出局么?

Si基GaN有着低成本的良好前景——提供了更大的晶圆直径和更低成本衬底以及加工成本。如果表现出的特性非常接近GaN/SiC的表现，那么，硅基氮化镓成本优势将会变成SiC基氮化镓制造的首要难题。

但从另一方面来说，SiC拥有导热性能是一些器件所需要的，也会为这两种技术继续存活留下空间。