中國射頻前端涉及的各種工藝發(fā)展分析[圖]

    SOI（Silicon-On-Insulator，絕緣襯底上的硅）技術(shù)是在頂層硅和背襯底之間引入了一層氧化埋層。通過在絕緣體上形成半導(dǎo)體薄膜，SOI材料具有了體硅所無法比擬的優(yōu)點(diǎn)：可以實(shí)現(xiàn)集成電路中元器件的介質(zhì)隔離，徹底消除了體硅CMOS電路中的寄生閂鎖效應(yīng)。

SOI基本結(jié)構(gòu)

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    采用這種材料制成的集成電路具有寄生電容小、集成密度高、速度快、工藝簡單、短溝道效應(yīng)小及特別適用于低壓低功耗電路等優(yōu)勢(shì)，因此可以說SOI將有可能成為深亞微米的低壓、低功耗集成電路的主流技術(shù)。從器件結(jié)構(gòu)來看，SOI做成的MOS器件可以大大減小寄生電容，因此MOS晶體管的速度可以很快，這對(duì)于數(shù)字CMOS工藝?yán)鏑PU制程來說也是很關(guān)鍵的。

    目前國內(nèi)使用SOI工藝的芯片廠家數(shù)量相對(duì)較少，只有中芯國際（FD-SOI和FinFET兩種工藝都有）、成都格芯、上海新傲科技和華力微電子（二期晶圓廠）等幾家，主要的工藝種類為FD-SOI。不過，雖然廠家為數(shù)不多，但整體工藝水平卻比較超前，尤其是中芯國際和華力微電子的28nm制程已經(jīng)逼近世界頂尖。

    目前GF已經(jīng)商用45nmRFSOI制程，可以用來制作PA，LNA和TxRx的開關(guān)。相比于硅基襯底不僅減小了寄生電容，fmax也增加了40%。

45nmRFSOI先進(jìn)制程與CMOS制程性能比較

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    受益于在手機(jī)終端上的大量應(yīng)用，幾家SOI大廠都在積極擴(kuò)產(chǎn)。代工廠正增加擴(kuò)產(chǎn)200毫米R(shí)FSOI晶圓廠的產(chǎn)能，以滿足增長5G帶來的射頻前端需求。

    GlobalFoundries，TowerJazz，臺(tái)積電和聯(lián)華電子正在推出300毫米晶圓射頻SOI工藝，以爭奪下一代5G標(biāo)準(zhǔn)射頻業(yè)務(wù)。RFSOI用于為智能手機(jī)和其他產(chǎn)品制作專用RF芯片，如開關(guān)器件和天線調(diào)諧器。RFSOI是絕緣體上硅（SOI）技術(shù)的RF版本，與數(shù)字芯片的全耗盡SOI（FD-SOI）不同。代工廠的SOI硅片主要來自于采購，例如Soitec和其他公司將RFSOI硅片出售給代工廠，后者將其加工成RF芯片。

    Solitec目前是RFSOI硅晶片的最大供應(yīng)商，占比全球市場份額的70%。其他家如Shin-Etsu和GlobalWafers也對(duì)200mm和300mm硅晶片出貨，但是也是基于Solitec的技術(shù)。中國的SOI材料供應(yīng)商有上海新傲科技。根據(jù)調(diào)查數(shù)據(jù)顯示表示，雖然目前的幾家代工廠正在增加300mmRFSOI，但產(chǎn)能依然有限。世界上大約5％的RFSOI產(chǎn)能在300毫米，到2019年預(yù)計(jì)可以增加到20％。根據(jù)調(diào)查數(shù)據(jù)顯示，預(yù)計(jì)到2020年左右，RFSOI晶圓片的出貨量可能達(dá)到200萬片。

    一、GaAs工藝

    砷化鎵半導(dǎo)體材料與傳統(tǒng)的硅材料相比，它的電子移動(dòng)率約為硅材料的5.7倍。它具有很高的電子遷移率、寬禁帶、直接帶隙，消耗功率低的特性。因此，廣泛運(yùn)用于高頻及無線通訊(主要為超過1GHz以上的頻率)。適于制做IC器件。所制出的這種高頻、高速、防輻射的高溫器件，通常應(yīng)用于激光器、無線通信、光纖通信、移動(dòng)通信、GPS全球?qū)Ш降阮I(lǐng)域。砷化鎵除在IC產(chǎn)品應(yīng)用以外,也可加入其它元素改變能帶隙及其產(chǎn)生光電反應(yīng)，達(dá)到所對(duì)應(yīng)的光波波長,制作成光電元件。

GaAs器件的應(yīng)用領(lǐng)域

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    在微電子領(lǐng)域中，使用的化合物半導(dǎo)體材料屬于高端產(chǎn)品，主要用于制作無線通訊（衛(wèi)星通訊、移動(dòng)通訊）、光纖通訊、汽車電子等用的微波器件。根據(jù)SA數(shù)據(jù)，作為半絕緣砷化鎵下游產(chǎn)業(yè)的砷化鎵集成電路業(yè)市場平均增長近年都在40%以上，盡管砷化鎵分立器件的市場份額在逐步減少，砷化鎵射頻器件市場仍有30%的年增長，加之衛(wèi)星通訊系統(tǒng)和車載雷達(dá)用砷化鎵單晶的潛在市場，半絕緣砷化鎵的需求前景非?？春?。

    在GaAs晶圓供應(yīng)方面，住友電工（SumitomoElectric）、弗萊貝格化合物材料（FreibergerCompoundMaterials）、晶體技術(shù)（AXT）三家公司占據(jù)約95％市場份額。目前微電子用砷化鎵晶片市場主要掌握在日本住友電工（SumitomoElectric）、費(fèi)里伯格（FreibergerCompoundMaterials）、日立電線（HitachiCable）和美國AXT等四家大公司手中。主要以生產(chǎn)4、6英寸砷化鎵材料為主。費(fèi)里伯格公司供應(yīng)LEC法生長的3、4、6英寸半絕緣砷化鎵襯底，供應(yīng)VGF法生長的4、6英寸半絕緣砷化鎵襯底。住友供應(yīng)VB法生長的4、6英寸半絕緣砷化鎵襯底。日立電線供應(yīng)LEC法生長的2、3、4、6英寸半絕緣砷化鎵襯底。AXT供應(yīng)VGF法生長的2、3、4、6英寸半絕緣砷化鎵襯底。

GaAs材料主要生產(chǎn)國際廠商

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    目前中國的砷化鎵材料生產(chǎn)企業(yè)主要以LED用低阻砷化鎵晶片為代表的低端市場為主，利潤率較高的微電子用4～6英寸半絕緣晶片還沒有形成產(chǎn)業(yè)規(guī)模。中國大陸從事砷化鎵材料研發(fā)與生產(chǎn)的公司主要有：北京通美晶體技術(shù)有限公司（AXT）、中科晶電信息材料（北京）有限公司、天津晶明電子材料有限責(zé)任公司（中電集團(tuán)46研究所）、北京中科鎵英半導(dǎo)體有限公司、北京國瑞電子材料有限責(zé)任公司、揚(yáng)州中顯機(jī)械有限公司、山東遠(yuǎn)東高科技材料有限公司、大慶佳昌科技有限公司、新鄉(xiāng)神舟晶體科技發(fā)展有限公司（原國營542廠）等九家。

國內(nèi)GaAs材料主要生產(chǎn)企業(yè)

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    砷化鎵在微電子的應(yīng)用范圍，以射頻IC為主。它的產(chǎn)品集中在PA(功率放大器)，LNA(低雜訊功率放大器)等通訊元件上，產(chǎn)品廣度遠(yuǎn)不如可應(yīng)用在資訊，通訊及消費(fèi)性電子的硅IC。但基于對(duì)未來無線通訊的成長可期，通訊元件的應(yīng)用范圍會(huì)隨著新通訊產(chǎn)品的推出而倍增，其應(yīng)用領(lǐng)域有移動(dòng)電話，無線電話，無線通訊，微波通訊及衛(wèi)星通訊產(chǎn)品等。這些產(chǎn)品將會(huì)隨著通訊網(wǎng)路的建構(gòu)與普及而需求大增。所以就長期發(fā)展而言，對(duì)砷化鎵IC的需求量也會(huì)愈來愈大。砷化鎵IC在手機(jī)中發(fā)射端的功率放大器（PA）、接收端的低噪聲放大器和高速開關(guān)等，多由GaAsIC承擔(dān)。它是手機(jī)中重要關(guān)鍵性零組件。一只典型的高質(zhì)量手機(jī)通常包含6-7塊GaAsMMIC，因此無線通訊市場的走向?qū)φ麄€(gè)GaAs工業(yè)非常重要。整個(gè)移動(dòng)通訊技術(shù)的發(fā)展更是帶動(dòng)GaAs材料的技術(shù)進(jìn)步與需求增長。

    二、GaN工藝

    氮化鎵技術(shù)可以追溯到1970年代，美國無線電公司（RCA）開發(fā)了一種氮化鎵工藝來制造LED。現(xiàn)在市場上銷售的很多LED就是使用藍(lán)寶石襯底的氮化鎵技術(shù)。除了LED，氮化鎵也被使用到了功率半導(dǎo)體與射頻器件上。

    氮化鎵技術(shù)優(yōu)勢(shì)

    高擊穿場：由于GaN的大帶隙，GaN材料具有高擊穿場，這使得GaN器件能夠在比其他半導(dǎo)體器件高得多的電壓下工作。當(dāng)經(jīng)受足夠高的電場時(shí)，半導(dǎo)體中的電子可以獲得足夠的動(dòng)能來破壞化學(xué)鍵（稱為碰撞電離或電壓擊穿的過程）。如果不控制碰撞電離，則會(huì)降低設(shè)備的性能。由于GaN器件可以在更高的電壓下工作，因此它們可以用于更高功率的應(yīng)用。

   高飽和速度：GaN上的電子具有高飽和速度（在非常高的電場下的電子速度）。結(jié)合大電荷能力，這意味著GaN器件可以提供更高的電流密度。RF功率輸出是電壓和電流擺動(dòng)的乘積，因此更高的電壓和電流密度可以在實(shí)際尺寸的晶體管中產(chǎn)生更高的RF功率。簡而言之，GaN器件可以產(chǎn)生更高的功率密度。

    出色的熱性能：GaN-on-SiC器件具有出色的熱性能，這主要?dú)w功于SiC的高導(dǎo)熱性。實(shí)際上，這意味著GaN-on-SiC器件在耗散相同功率時(shí)不會(huì)像GaAs或Si器件那樣熱。“較冷”設(shè)備意味著更可靠的設(shè)備。

    典型的GaN射頻器件的加工工藝主要包括外延生長-器件隔離-歐姆接觸（制作源極、漏極）-氮化物鈍化-柵極制作-場板制作-襯底減薄-襯底通孔等環(huán)節(jié)。

典型的GaN工藝流程

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GaN工藝流程

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    GaN器件的功率密度是砷化鎵（GaAs）器件的十倍。GaN器件的更高功率密度使其能夠提供更寬的帶寬，更高的放大器增益和更高的效率，這是由于器件外圍更小。

    GaN場效應(yīng)晶體管（FET）器件的工作電壓可以比同類GaAs器件高五倍。由于GaNFET器件可以在更高的電壓下工作，因此設(shè)計(jì)人員可以更輕松地在窄帶放大器設(shè)計(jì)上實(shí)現(xiàn)阻抗匹配。阻抗匹配是以這樣的方式設(shè)計(jì)電負(fù)載的輸入阻抗的實(shí)踐，其最大化從設(shè)備到負(fù)載的功率傳輸。

    GaNFET器件的電流是GaAsFET器件的兩倍。由于GaNFET器件可提供的電流是GaAsFET器件的兩倍，因此GaNFET器件具有更高的帶寬能力。大部分的半導(dǎo)體器件對(duì)于溫度的變化都是非常敏感的，為了保證可靠性，半導(dǎo)體的溫度變化必須被控制在一定范圍內(nèi)。熱管理對(duì)于RF系統(tǒng)來說尤其重要，因?yàn)樗鼈儽旧砟芰繐p耗就比較高，會(huì)帶來比較嚴(yán)重的散熱問題。GaN在保持低溫方面有其獨(dú)特優(yōu)勢(shì)，另外即使在溫度較高的情況下，相比于硅其性能影響較小。例如100萬小時(shí)失效時(shí)間中位數(shù)MTTF顯示，GaN比GaAs的工作溫度可以高50攝氏度。

GaAs與GaN的可靠性比較

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    綜合成本、生產(chǎn)也研發(fā)時(shí)間以及GaN的獨(dú)特性能，已經(jīng)成為了高功率射頻和微波放大器的首選。同時(shí)GaN工藝還適合制作寬帶PA和低噪放。

    與其他半導(dǎo)體（如Si和GaAs）相比，GaN是一種相對(duì)較新的技術(shù)，但它已成為高射頻，高耗電應(yīng)用的首選技術(shù)，如長距離或高端功率傳輸信號(hào)所需的應(yīng)用（如雷達(dá)，基站收發(fā)信臺(tái)[BTS]，衛(wèi)星通信，電子戰(zhàn)[EW]等）。根于Yole的預(yù)測，在通信和國防應(yīng)用的推動(dòng)下RFGaN產(chǎn)業(yè)在2017年至2023年期間的復(fù)合年增長率將會(huì)達(dá)到的23％。截至2017年底R(shí)FGaN市場總量接近3.8億美元，2023年將達(dá)到13億美元以上?；赗F的GaN技術(shù)也在不斷創(chuàng)新以滿足工業(yè)界需求。國防應(yīng)用是RFGaN的主要市場領(lǐng)域，這是因?yàn)镚aN產(chǎn)品具有專業(yè)的高性能要求和低價(jià)格優(yōu)勢(shì)。2017-2018年間，國防應(yīng)用占GaN射頻市場總量的35％以上，目前全球國防市場在GaN領(lǐng)域沒有放緩跡象。

2023年RFGaN器件市場預(yù)測

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    從專利角度看，住友電工是RFGaN器件的市場的領(lǐng)軍者，但是相比于Cree仍然有不小差距。住友電工在專利方面目前有所放緩，而其他日本公司如富士通，東芝和三菱電機(jī)正在增加其專利申請(qǐng)，目前也擁有強(qiáng)大的專利組合。英特爾和MACOM目前是RFGaN領(lǐng)域最活躍申請(qǐng)專利的兩家公司，尤其是GaN-on-Silicon技術(shù)，如今這兩家公司在RFGaN專利領(lǐng)域擁有重要IP。參與RFGaN市場的其他公司，如Qorvo，Raytheon，NorthropGrumman，恩智浦/飛思卡爾和英飛凌，擁有一些關(guān)鍵專利，但知識(shí)產(chǎn)權(quán)地位仍然相對(duì)薄弱。中國電子科技集團(tuán)和西安電子科技大學(xué)在中國專利領(lǐng)域占主導(dǎo)地位，擁有針對(duì)微波和毫米波應(yīng)用的GaN射頻技術(shù)專利。中國公司HiWafer作為新興的代工廠，也逐漸在GaN專利方面占有一席之地?？傮w來說，RFGaN領(lǐng)域方面，依然是被美國和日本公司主導(dǎo)。

    相關(guān)報(bào)告：智研咨詢發(fā)布的《2019-2025年中國射頻前端模塊行業(yè)市場研究及投資前景預(yù)測報(bào)告》