2017年射频GaN市场硝烟弥漫，谁会出局？

今年的GaN（氮化镓）器件市场异常活跃，GaN逐渐成为主流，开始渗透一些批量需求的商业市场。

GaN已经在大部分高功率军事应用中站稳了脚跟，并且还抓住了有线电视、移动基础设施的部分市场。虽然LDMOS（横向扩散MOS晶体管）目前仍占据基础设施和工业市场的绝大部分份额，但这种情况可能很快就会改变，因为GaN性能与LDMOS基本相当甚至更胜一筹。也许LDMOS现在的唯一优势就是价格了，但这一优势也逐渐不保：Qorvo公司最近宣布将重心转移到6英寸SiC（碳化硅）基GaN上；MACOM公司也宣布将尝试在成本较低的CMOS（Complementary Metal Oxide Silicon 互补型金属氧化物半导体）生产线上生产8英寸Si（硅）基GaN。这些举动都有利于提高GaN的成本竞争优势。

此外，GaN在高功率应用市场上还在挑战GaAs（砷化镓）的地位，并且在大部分面向未来的军事应用中已经取代了GaAs，这些军事应用最重要的性能指标就是功率。

市场机遇

GaN现在和GaAs器件的发展类似，期望GaN的市场能够成熟起来，让其可做的器件变得多起来，特别是在高功率市场方面。随着技术的更新换代和成本的降低，预测GaN将会为功率放大器提供最好的价值功能，找到最优的平衡。现在在军民融合的大潮下，性能的要求更加凸显：

发射功率

效率

线性度

频率

带宽

工作温度

……

GaN在这些性能上表现得比GaAs和Si更好。例如，在军事器件中，GaN改善了尺寸、重量和功率（SWaP），并且将继续融入这些系统中。

多数GaN供应商将基站和卫星市场视为短期内的主要的增长方向。至于毫米波，5G也是一个巨大的机遇，目前GaN在宽频带、高频器件上表现良好。在射频能源市场GaN也适应得较好，制造厂商关注的航天以及防务市场在快速增长，这包括宽禁带，高功率放大器电子战、相控阵雷达和广泛的毫米波应用。

衬底相关信息

多数射频GaN器件的衬底都是SiC，因为SiC和GaN的晶格匹配度非常不错，而且SiC还有GaN需要的高热导率的性能。

因为GaN器件相对于其他的一些器件来说，其功率密度很高。要把产生的热量快速导出不是一件容易的事情，所以衬底和外面封装的材料同样至关重要。但MACOM公司决定逆潮流而上，他们对抗国际整流器公司（该公司同样被德国英飞凌公司收购）的原始专利，这一专利就是Si衬底上生长GaN（MACOM收购了Nitronex，从Nitronex那儿得到的）。Si衬底，有更低的价格，但同时热导率也比SiC低。不过，MACOM公司有解决方法：其公布了一组数据，数据显示如果设计恰当，在应用上，Si基GaN的性能是可以和SiC基GaN性能一样可靠的。

Si基GaN拥有的优势在于：可以在标准工艺上处理更大的晶圆，并且其CMOS生产线成本低廉。不过MACOM公司并不提供代工服务，他们与GCS公司合作生产Si基GaN器件，但这一工艺并不开放给其他公司。

另一家公司，OMMIC公司是我们发现的除MACON公司外也能够生产Si基GaN的公司，但我们并没有发现OMMIC公司提供类似代工厂的Si基GaN生产服务。

所有的相关制造厂商都在关注3、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，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 六英寸Si基GaN

图 OMMIC公司6英寸晶圆

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

可靠性测试

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