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芯思想 | 全球射频GaN器件代工厂巡览

2017-01-03   来源:互联网   点击:
前言2016年的氮化镓器件市场异常活跃,因为氮化镓逐渐成为主流并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占据强有力的稳固地位,,并已占领一些有线电视和蜂窝基础设施市场,但是LDMOS...

前言

2016年的氮化镓器件市场异常活跃,因为氮化镓逐渐成为主流并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占据强有力的稳固地位,,并已占领一些有线电视和蜂窝基础设施市场,但是LDMOS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英寸碳化硅基GaN上;MACOM公司也宣布将尝试在成本较低的CMOS生产线上生产8英寸硅基GaN;(法国OMMIC已实现6寸线的硅基GaN,且2017年将量产)。这些举动都有利于提高GaN的成本竞争优势,有可能使其具有与LDMOS相竞争的能力。在许多高频电力市场。

此外,GaN在高功率应用市场上还在挑战GaAs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。

您的公司如果没有RF GaN器件的制造能力,那么你就需要找到一个可靠的GaN制造服务商。尽管世界各地有许多RF GaN晶片制造设施, 但是其中许多是专用的,需要将其产品委托制造的设计公司则无法使用。有关RF GaN代工服务的一般适用信息似乎不多,所以 Microwave Journal调查了尽可能多的GaN代工服务商,并总结了相关调查结果。

总体情况

北美有几家GaN的代工厂(其中一家在加拿大),欧洲有两家,还有被称作是最大的不受管制类化合物半导体制造厂家:台湾的稳懋半导体(WIN Semiconductors)。尽管日本的射频GaN市场份额占有率高,但我们也没发现有任何日本的公司提供代工服务,其中包括最大的GaN制造厂商之一的Sumitomo。

中国正在积极的收购及成立半导体公司,打算快速地构建模拟市场和数字化市场。成都的海威华芯(HiWafer)半导体公司和厦门的三安集成电路公司(San’an Integrated Circuit)提供化合物半导体的代工服务,而且这两家公司都对外宣布说他们的6英寸GaN生产线已投产或正在建设。

美国的大多数客户选择Wolfspeed(原Cree 旗下公司,2016年7月被英飞凌收购),而很多欧洲的企业,特别是在做航天航空和防务领域的企业,通常都会选择UMS(United Monolithic Semiconductors)公司或者OMMIC公司。

一些公司与特定的制造厂有战略合作关系,其专有的工艺不向其它公司开放,说白了就是将渠道独享,不分享给其他的公司。举例来说,总部位于加利福尼亚州的托伦斯Torrance的GCS公司拒绝提为本项调查提供工艺信息,因为GCS是典型的受ITAR(国际武器贸易条例)控制的公司,他们确实为一些公司提供射频GaN的制造服务。

还有几个专用的RF GaN制造商,像雷声(Raytheon),MACOM和Qorvo。根据我们收到的反馈,之前作为独立的公司,RFMD和TriQuint都提供GaN制造服务,但自从合并为Qorvo以来,它们则只与"战略"客户合作。

衬底

大多数射频GaN器件的衬底都是SiC,因为SiC和GaN具有良好的晶格匹配,,而且SiC还具有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。将热量从器件中散出是一个巨大的挑 战,所以衬底和外面封装材料同样至关重要。

但MACOM公司决定逆潮流而上,它们的知识产权中包括IR公司(2015年被德国英飞凌公司收购)有关硅基GaN(MACOM收购Nitronex获得的)的原始专利。相比于碳化硅衬底,硅衬底的成本低得多, 但热导率较低。可以说,较低的热导率使硅相比于碳化硅处于劣势。然而, MACOM已公布的数据显示,通过合理设计,硅基GaN与碳化硅基GaN在许多应用上同样可靠。硅基GaN的优势或在于其可在标准低成本CMOS生产线上的更大晶圆上进行处理。但MACOM并不提供制造服务,它们与GCS合作生产硅基GaN器件的工艺是一个不可用于其他公司的排他性工艺。我们确实发现OMMIC 提供硅基GaN的制造服务。

OMMIC是我们发现的除MACOM外唯一提供硅基 GaN器件的公司,但我们并没有发现OMMIC公司提供硅基GaN代工服务。

所有的相关制造厂商都在关注3英或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1 6 inch GaN on SiC wafer (courtesy BAE Systems)

 

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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,高压(40到50V),主要主要处理频率低于约8GHz 的高功率器件;

0.25微米,中压(28到30V),主要瞄准高频率(高达18GHz)的器件;

有的制造厂提供第三个选项,即更小的栅极长度更小的栅长(大概0.15微米),主要瞄准毫米波器件(频率高达100GHz)。


表一:七家公司提供的RF射频制造工艺的完整列表。

最大功率密度范围为6至8W/mm,其中Wolfspeed公司提供的50V 0.4μm G50V3工艺可高达8W/mm。6W/mm或更大的其它高功率密度工艺可从BAE Systems、Fraunhofer,National Research Council、WIN和Wolfspeed获得。运行频率最高的工艺是Fraunhofer的GaN10,其0.1μm器件工作在94GHz,以及OMMIC的D006GH(开发中),其60 nm器件工作到100 GHz。

几家代工厂的效率超过60%,包括BAE、Fraunhofer、Wolfspeed、UMS和WIN。大多数工艺都包含砀板或作为一个选项提供。所有调查的铸造厂使用3或4英寸晶圆,有两家计划很快改为6英寸晶圆。

BAE Systems

BAE Systems在2000年收购了 Lockheed Martin Sanders公司的设施。它们基于碳化硅衬底的GaN工艺可获得最佳热性能,被用于要求高性能的军事应用(以及某些双用途的商业市场,当它 们的工艺和/或设计专长正好适合时)。 2005年,这个应用于军事应用的方法由 DARPA在宽能隙半导体-射频项目中首次确定为可用的初始版本的工艺。当前的晶片尺寸为4英寸。到2014年,它们发布了基于6英寸晶圆的MMIC功率放大器(PA)高产量工艺流程,使用其场板 (FP)GaN工艺2,目前正筹划到2017 年发布一个6英寸晶圆基的"无场板" (NFP)产品。

BAE公司的0.2µm场板工艺,最初开发时间为2005到2008年,现在成为了一个行业标准工艺,市场上已经有很多公司都能提供。它们更新的NFP工艺性能高且价格低廉。这包括高达50GHz时的高功率、高增益和高效率。采用2mil 厚的晶片,可以在每个源下放置小过孔 实现低电感接地。这与输出电容(Cds)减少了的元件相结合,使宽带放大器可 提高增益和功率附加效率(PAE)。NFP工艺的140V典型BVgd具有PA设计中 对瞬时高电压的高度耐受性,以及低噪声放大器(LNA)的高Pin生存能力。6 英寸的NFP GaN工艺成本将更低,并可利用BAE运行6英寸PHEMT工艺达10年以上的经验。

Fraunhofer IAF (Freiburg, Germany)

Fraunhofer的工艺效率和性能都高。该公司生产的产品用于研究、基站、电子战、点对点的无线电链路和雷达。对于4英寸晶片碳化硅基GaN, Fraunhofer拥有涵盖从DC到100GHz范 围的三种工艺:1)栅极长度0.5µm, 工作电压50V,频率范围高达6GHz; 2)0.25µm,28V,频率达20GHz;3) 0.1µm,15V,频率达94GHz。0.5µm工 艺的效率为65%,功率密度为6W/mm。 0.5µm和0.25µm工艺制作于4mil厚的晶 片上,带50µm的过孔,而0.1µm工艺 则在3mil厚晶片上,带30µm的过孔。 Fraunhofer提供多项目晶圆服务,每4个月一次,用比萨罩(pizza mask),支持几乎任意尺寸的小批量芯片。总的来说,它们通过三种栅极长度覆盖了很广的频率范围,并能提供高效率。

National Research Council of Canada (Ottawa, Canada)

令我们吃惊的是,加拿大政府通过国家研究理事会(NRC)提供一系列完整的GaN制造工艺,这是加拿大GaN电子器件的唯一来源。为了支持加拿大的工业和技术——但不限制工作于加拿大境内——凭借其显著的工艺技术,NRC 同时向学术和商业市场提供产品。它们拥有一个0.5µm和两个0.15µm的工艺,工作频率高达35GHz,包含可能是市场上唯一的增强模式工艺。0.15µm耗尽模式工艺的功率密度为7W/mm,0.5µm工艺则具有180V的高击穿电压。

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OMMIC (Limeil-Brévannes, France)

OMMIC的硅基D01GH GaN工艺与碳化硅基GaN相比具有成本上的优势,该公司用其来提供制造服务和客户定制的设计。该工艺有0.1µm栅极长度,运行在3英寸晶圆,计划在2017发展到6英寸。这一工艺是为功率应用开发的,功率密度为3.3W/mm,这很适合于从15 到50GHz的LNA,在30GHz时噪声系数达到1dB。凭借其欧姆接触再生工艺, D01GH器件具有非常低的噪声,相当于最先进的GaAs工艺。原位钝化将栅极滞 后效应限制于不足10%,使得其在像雷达这样的开关模式应用中具有更好的性能。OMMIC的低偏置30V击穿器件,对于PA的偏置大约为12V VDD,带约5V供电的低噪声放大器(LNA)。这要低于市场上主要工作在28V的其他工艺。

OMMIC的D006GH是栅极长度60nm 的碳化硅基GaN工艺。将在2017第一季度发布多项目晶圆服务。其目的是支持从40至100GHz的功率和低噪声应用。 OMMIC的发展重点集中在Ka波段、卫星通信用的功率放大器(PA)和军事应用的X及Ku波段低噪声放大器。四川益丰电子将其收购之后进行了重大的战略调整,在今后三年中,它们计划把重点放在商业市场,比如需要Ka及W波段发送 /接收芯片的5G基站、需要覆盖直流 到67GHz且在1dB压缩时输出功率为 32dBm的仪表。

United Monolithic Semiconductors (Yvette, France)

UMS已经开发出经认证合格的两个碳化硅基GaN工艺,服务于军事、航天和商业(主要是电信基础设施和汽车)市场。0.5µm的GH5010工艺适用于最大工作到C波段的功率放大器且提供5W/ mm及50V偏压。这个工艺已经被列入 European Space Agency(ESA)的欧洲上市首选零件清单(EPPL)。0.25µm 的GH25MMIC工艺流程超过4W/mm、 效率高、频率达Ku波段(图3)。典型工作电压为30V。这个工艺也有良好的 噪声性能,通常在15GHz的噪声系数 为1.8dB,相关增益为11dB。超过60个 GH25制造项目已经启动。

为了应对高至K和Ka波段的高频率 应用,UMS正在开发一个0.15µm的工 艺。UMS引用其EPPL清单表明其工艺技 术的高质量和可靠性。它们的制造技术和UMS产品之间存在密切联系,以确保 工艺和模型符合设计师的需求,并得到 及时更新和持续改进。它们为短周期需求提供加急生产的晶圆。

WIN Semiconductors (Tao Yuan City, Taiwan)

稳懋半导体是最大的化合物半导体制造厂,拥有两个GaN工艺。作为一个纯粹的制造企业,WIN通过非竞争性的商业模式使客户与潜在冲突 和供应链风险相隔离来提供这种技术。WIN的GaN工艺利用其广泛的砷化镓(GaAs)生产能力,支持离散晶体管以及MMIC。 它们还提供6英寸砷化镓晶圆上的一个28V、高功率无源器件工艺,并为经济高效的混合 GaN产品提供高Q无源器件。

稳懋半导体的GaN技术的主要商业市场 是无线基础设施中 使用的功率放大器(PA)。对于军事应用,其技术着重解决用于雷达系统的PA 和LNA。WIN目前拥有两种GaN HEMT技术:NP25和NP45。这两种都是在4 英寸的碳化硅衬底上制造的。NP25的栅极为0.25µm,带有源耦合场板,工作在28V。典型功率密度为4W/mm,其1.25mm单元在6GHz、偏置28V和 100mA/mm时测得的效率大于50%。线 性增益为17dB。在15GHz,该工艺的性 能大于12dB线性增益和4.2W/mm,效率 高于40%。NP45工艺的栅极为0.45µm, 带有源耦合场板,工作在50V。4mm单元调节峰值输出功率在2.7GHz和50V偏 置时测得的典型器件性能为:线性增 益大于16dB、大于6.5W/mm且效率达 60%。同样的设备调整后测得的最大效率(也在2.7GHz和50V偏压时)达到75%,约5W/mm,增益大于17dB。这是所报告的最高效率。

Wolfspeed (Durham, N.C.)

Wolfspeed是Cree的一家子公司(2016年7月德国英飞凌宣布收购), 它是最多被使用的制造厂,拥有四个工艺且都是基于4吋晶圆的。它们的工艺适合许多军事和商业应用,如无线基础设施、雷达(商用和军用)、ISM、LMR、卫星通信、航空电子设备、数据链、空间和CATV。它们有栅长0.4µm的工艺,工作电压50V和28V,电压更高的工艺则功率密度为8W/mm,击穿电压超过150V。我们发现这在GaN工艺所报告的功率密度中是最高的。对于更高频率的应用,Wolfspeed提供偏置40V和28V 的0.25µm工艺,覆盖高达18GHz。它们所有工艺的效率都为65%,这在所有报 告的工艺中是非常有竞争力的。

最近Wolfspeed宣布,他们的分立晶体管和多级GaN MMIC已经超过了1000亿小时的现场操作,这是任何国内GaN供应商积累的最大的已知体积数据。日本住友可能是唯一可能积累了这种现场操作历史的其他射频GaN供应商。Wolfspeed通过国防微电子学活动(DMEA)认证获得了第1A类信任代工厂的地位。 此外,它们已经被美国国防部(DoD)评估为制造准备等级8或更高。

可靠性

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)。

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。

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

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。

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。

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。

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。

后道服务

BAE系统公司提供晶圆测试和晶圆切割、芯片的挑选和检查。还有些客户给提供初级封装。例如,他们提供在热膨胀系数匹配垫片上烧结芯片,或者再封装到封装壳体中。

Fraunhofer的所有SiC工艺包括所有的背面加工处理,包括客户要求的金属通孔。他们提供全面的检测(直流、小信号和负载牵引圆片数据图),以及全套的MMIC的检测。他们为大功率特性提供快速条状功率封装。

NRC提供晶圆测试,但其他检测还有之后的封装服务不提供。

OMMIC提供晶圆测试服务,外观检验(商用和太空级)、还有为太空项目所作的大量验收测试(LAT)和晶圆验收测试(WAT)。所有的设计都能够进行QFN(达到30GHz工作)或者是直接封装。他们也为太空器件提供气密外封装服务,,同时在中国国内有配套的四川益丰电子具备后端划片、测试服务。

UMS提供的售后服务范围很广而且比较灵活,包括晶圆片上噪声和功率测试。并且帮忙进行外表检测、挑选和封装。

稳懋半导体为GaN客户提供高电压直流产品测试,切割和检查服务。

Wolfspeed提供切割、晶圆上直流、交流探针测试和固定的直流/交流特征化测试。

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EDA软件

BAE系统公司的软件系统服务是一家一家做的。他们为客户提供专属软件设计服务。这家公司拥有一个自主研发的Angelov非线性模型,在设计时提供所有需要的器件模型,并且为这些制造厂商提供信息。可兼容ADS系统的PDK套件们预计在2016年年底能开发出来。

弗劳恩霍夫有安捷伦(Keysight)PDK系统,为微带线服务;有接地共面传输线,为ADS系统(ADS数据记录)服务,还包括所有自动陈列的功能。

对GaN500工艺,NRC既提供Root模型,也提供在ADS系统上的Angelov模型。对GaN150工艺,只提供Root模型。而对于0.15μm的E-GaN工艺则没有模型提供。

OMMIC的PDK可联网使用,其ADS版本是最新的32位和64位,可满足NI/AWR微波办公室设计系统。64位NI/AWR设计正在研发中。所有的套件设计都在全温度下提供非线性模型和噪声模型。这家公司也提供DRC和LVS的查询服务。他们雇佣了一个团队,跟踪用户需求,并提供多层圆片设计(多层掩膜)服务,每一过程每年要启动4次,因为其原型数量很少。

UMS的GH25工艺的PDK套件是可以与微波办公室和ADS兼容的。他们包括非线性、面向功率生成而设计的量化热-电模型。为LNA设计的线性模型,为开关和二极管设计的冷FET模型、还有为MMIC设计的无源元件。他们的PDK套件包括增加的DRC(数字版图纠正)和为三维电磁仿真设计的3D视图。

稳懋半导体设计套件是能够用在ADS和NI/AWR平台上的,包括自适应和最优非线性模型,微信号和噪声、负载牵引数据模型。稳懋半导体运用基于互联网的工具——WebDRC,提供24小时设计检查工作,他们既通过Cadence也通过ADS 和AWR的平台来进行设计的确认。

Wolfspeed提供基于ADS系统和NI/AWR的微波办公室PDK。

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。

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。

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