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射频 GaN 制造服务调查

2017/2/6 15:44:39      材料来源:微波杂志

由此获取你的GaN:射频GaN制造服务调查

Get Your GaN Here: RF GaN Foundry Survey

Patrick Hindle、Gary Lerude、Richard Mumford,《Microwave Journal》编辑

 

文章来源:http://www.mwjournalchina.com/PDF/2016/0910/Cover.pdf

 

今年GaN(氮化镓)市场似乎准备起飞,因为它已成为主流并开始渗透到一些更高容量的商业市场。它已在大多数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 (横向扩散金属氧化物半导体)依然在基础设施和工业市场占有最大市场份额。这可能很快会改变,因为GaN与LDMOS相比性能相同或更好,且正在着重解决成本问题,这似乎是在大多数应用中LDMOS受青睐的唯一优势。最近,Qorvo宣称实现了6英寸碳化硅基GaN,而MACOM证明可在低成本CMOS生产线上处理8 英寸硅基GaN,这些都将大大降低GaN的成本,有可能使其具有与LDMOS相竞争的能力。在许多高频电力市场,GaN与砷化镓也有竞争,并已代之用于大多数未来军事应用,其中功率是最重要的性能指标。

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制造服务的一般适用信息似乎不多,所以 Microwave Journal 竭尽所能调查了尽可能多的GaN制造服务商,并总结了我们的调查结果。

 

概况

北美有几个GaN制造厂(其中一个在加拿大),欧洲有两个,台湾的WIN Semiconductors 则是最大的非专用化合物半导体制造企业。虽然日本在RF GaN市场的份额很大,但是我们没 有发现任何提供制造服务的日本企业,包括作为GaN最大生产商之一的住友。中国一直在通过快速购买和成立半导体公司来占据模拟和数字市场。成都海威华芯科技有限公司和厦门三安集成电路有限公司提供化合物半导体制造服务,它们都声称已具备或正在开发6英寸GaN工艺。撰写本文时我们还无法及时获取有关它们能力的详细信息。

美国的大多数客户使用Wolfspeed(科锐的一家子公司),而欧洲的许多公司,特别是在航空航天和国防市场的公司,则使用United Monolithic Semiconductors(UMS)或OMMIC。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。一个例子是位于美国加利福尼亚州Torrance的GCS,该公司拒绝为本项调查提供工艺信息,因为它们的服务是典型的受控于ITAR的或专有的,它们确实与一些公司合作提供RF GaN制造服务。还有几个专用的RF GaN制造厂,如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RF GaN器件的制造都采用碳化硅衬底。碳化硅衬底具有良好的晶格匹配,并具有GaN所需的高热导率——相比其他半导体材料,其功率密度非常高。将热量从器件中散出是一个巨大的挑战,所以衬底和封装材料都至关重要。与此趋势逆行的一个公司是MACOM,它们的知识产权中包括International Rectifier公司有关硅基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1 。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专有工艺。我们还发现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RF硅基 GaN器件的公司。

所有被调研的工厂都加工3或4英寸的GaN晶片,但随着需求增加许多工厂计划改为加工6英寸的。一些公司已经宣布计划在未来一或两年内转为6英寸。BAE系统公司估计,GaN晶片从4英寸转换到6英寸(图1),其成本可从约$3/ mm2 减少到约$1.50/mm2 ,而可用面积则同时加倍。

 

图1. 6英寸碳化硅基GaN晶圆(承蒙BAE Systems提供)

 

制造工艺概述

一般来说,大多数制造厂提供两个或三个标准工艺:0.5µm高压(40V至 50V)工艺主要处理频率低于约8GHz 的高功率器件,0.25µm中压(28V至 30V)工艺处理更高频率的应用(高达约18GHz)。有的制造厂提供第三个选项,即更小的栅极长度(通常约0.15µm)用于毫米波应用(高达 100GHz)。有七家公司回应我们的RF GaN制造服务调查,它们提供的全部工艺清单见表1。

 

 

最大功率密度范围为6到8W/mm, 其中Wolfspeed报告的50V 0.4µm G50V3 工艺高达8W/mm。提供6W/mm或更大的其它高功率密度工艺的公司有BAE Systems、Fraunhofer、加拿大National Research Council、WIN Semiconductors 和Wolfspeed。运行频率最高的工艺是 Fraunhofer的GaN10,其0.1µm器件运行于94GHz,以及OMMIC的D006GH (开发中),其60nm器件运行频率达 100GHz。一些制造厂的效率超过60%,包括BAE、Fraunhofer、Wolfspeed、 UMS和WIN。大多数的工艺都包含场板或作为一个选项提供。所有受访的制造厂都采用3或4英寸的晶片,其中有两个打算较快改为6英寸晶片。

 

BAE Systems (美国新罕布什尔州纳舒厄)

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6英寸晶圆基的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)3 。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4

 

Fraunhofer IAF(德国弗莱堡)

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。

 

加拿大国家研究理事会(加拿大渥太华)

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。

 

OMMIC(法国利梅布勒瓦纳)

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%(图2),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。该工艺仍在发展中,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。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5 G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。

 

 

图2.  2×20μm单元的脉冲I-V测量表明,OMMIC之D01GH硅基GaN工艺的栅极延迟小于10%。

 

United Monolithic Semiconductors (法国伊维特)

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。

 

 

图3. UMS的H25碳化硅基GaN工艺8×100μm单元4GHz PAE和增益与功率密度的关系

 

WIN Semiconductors (中国台湾桃园市)

WIN Semiconductors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,WIN提供GaN工艺技术。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。

WIN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 (美国北卡罗来纳州杜罕)

Wolfspeed是Cree的一家子公司,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。

 

可靠性

BAE Systems的许多军事应用对它们的GaN MMIC在可靠性需求方面提出挑战。高基板温度和宽带CW操作引起高通道温度。它们的所有GaN工艺都进行了合格测试,以确保设备满足这些要求的条件。它们进行多温度点RF驱动的 加速寿命试验,从中估计活化能量并计算实际运行温度下的寿命(MTTF)。 在通道温度200°C下、推荐工作电压30V 时,BAE Systems的0.18µm NFP GaN工艺以这种方式得到的典型MTTF为107小时。

Fraunhofer为其GaN50和GaN25工艺在2GHz和10GHz下进行直流、HTRB和 RF测试。对于GaN10工艺,它们只进行 10GHz的测试。

NRC报告说正在进行GaN150工艺的可靠性测量。在前一工艺(GaN800)的MTTF测量中得到的MTTF为通道温度 200°C下2.5×107 小时。

OMMIC的初步可靠性试验表明,在箱体温度80°C、Vds=12V和Ids=200mA/mm 下DC寿命试验2000小时后无明显降低,这相当于通道温度200°C。其他可靠性测试正在进行中。

UMS通过进行存储、HTRB、HTOL 和DC寿命试验以及RF步进应力和RF寿命试验来保证其工艺质量。这使它们能够确定最大额定值,并保证在200°C结温下至少20年的可靠性。这些质量测试都是在基本单元上进行的,典型用于分立器件和较大栅极宽度的MMIC。

在可靠性验证方面,WIN为客户提供全资质的报告,包括四个温度下的 MTTF结果。 Wolfspeed的工艺已经实现了超过 1000亿小时的现场运行,其离散GaN RF 晶体管和多级GaN MMIC的每十亿小时 FIT率小于5。该公司最近宣布其GaN RF 晶体管完成了测试并符合NASA的卫星和空间系统可靠性标准。在综合测试程序方面它们与KCB Solutions合作,证明其碳化硅基GaN器件满足NASA EEEINST-002的1级可靠性和性能标准,该标准来自于MIL-STD关于S类和K类资格的要求。

 

后端服务

BAE Systems提供晶圆测试和晶圆划片、芯片挑选和检验,也给一些客户提供一级封装。例如,它们可以提供将晶粒焊接到CTE匹配的垫片或组装进简易封装中的服务。

Fraunhofer所有的碳化硅工艺包括全背面处理,包含应需提供的金属化过孔。它们进行广泛的测试(直流、小信号和负载牵引晶圆映射)以及全MMIC 测试。它们提供高功率特性的功率巴条的快速封装。

NRC提供晶圆上的测试但不安装或封装。OMMIC为空间项目提供晶圆上测试服务、可视检查(商业和空间级)、抽检验收测试(LAT)和晶圆验收测试(WAT)。每一个设计都可以封装于塑料QFN(高达30GHz运行)或气囊封装。它们还为空间应用提供密封封装服务。

UMS提供范围广泛灵活的后端服务,包括晶圆上的噪声和功率测试。它们还可进行视觉检查、挑选和封装。

WIN为GaN客户提供高压直流产品测试、切割和检验服务。

Wolfspeed可提供切割、晶圆上DC/ RF探测和固定式DC/RF表征。 

 

EDA软件支持

BAE Systems提供以案例为基础的设计服务。它们还为希望设计自有 MMIC的客户提供设计支持。它们有一个内部开发的对非线性电路仿真非常准确的改性Angelov非线性模型。它们为客户提供所有必要的设备模型和布局信息。ADS兼容的PDK正在开发中并将于 2016年底上市。

Fraunhofer 拥有用于微带线的 Keysight PDK和用于ADS(含ADS DRC)的接地共面传输线,包括全自动布局功能。对于GaN500工艺,NRC提供ADS内 的Root和Angelov模型。对于GaN150,它们只提供一个Root模型。0 . 1 5 µ m E-GaN工艺则没有可用的模型。 可在网站上获得兼容最新的ADS 32 和64位版本和NI/AWR Microwave Office 32位版本的OMMIC的PDK。64位NI/ AWR设计套件正在开发中。对于所有的设计套件,它们提供所有温度的非线性模型和噪声模型。如果需要,它们还提供室内的 DRC (设计规则检查) 和LVS检查服务。 它们有一个建模工程师团队,致力于客户支持并为小样机数量提供多项目晶圆(比萨罩)服 务,每个工艺一年运行四次。 UMS 的G H 2 5 PDK 与 ADS 和 Microwave Office兼容。它们包括非线性、用于发电的电热可变模型、用于LNA设计的线性模型、用于开关和二极管的冷FET模型,以及用于MMIC设计的无源元件。它们的 PDK包括附加功能,如DRC和用于EM仿真的3D视图生成。WIN设计套件可用于ADS和NI/ AWR平台,包括内部开发优化的非线性模型以及小信号、噪声、负载牵引 数据的模型。WIN使用基于网络的工具WebDRC来提供24小时的设计规则检查。布局验证(LVS)是通过Cadence以及ADS和AWR平台完成的。Wolfspeed提供基于ADS和NI/AWR 的Microwave Office的PDK。 

 

市场机遇

与GaAs设备所走过的路径相似,GaN将有望成熟并成为更多种应用的一种技术选择,特别是高功率市场。随着技术的扩散及其成本的下降,GaN将提供许多PA功能的最佳值,得到一种最优的平衡。随着通信和军事系统变得更加复杂,发射功率、效率、线性度、频率 /带宽和工作温度等设备指标将变得更具挑战性,GaN比GaAs和硅将有许多优势。例如,在军事应用上,它改善了尺寸、重量和功耗,并将继续在这些系统中大展拳脚。

大多数GaN供应商将基站和卫星市场看作短期内的主要增长领域,另有一家制造商提到了汽车市场。由于GaN在宽带高频率应用中表现良好,5G的毫米波部分也可能是一个巨大的机会。RF能源市场也适合用GaN技术。制造商们认为航空航天和国防市场最具有增长性,包括电子战的宽带高功率放大器、雷达相控阵列和众多的毫米波应用。 

 

GaN的未来

GaN的主要竞争来自于RF频率的 LDMOS和更高频率的GaAs。LDMOS 仍然主导着高功率应用的高容量商业市场。虽然GaN将不会完全取代任何一种技术,但它必将进一步渗透到这些更高容量的市场,因为它将更具价格竞争力。LDMOS的性能每年持续提高,那么它将保持在这些市场中的竞争力,但在未来它将让出相当大的市场份额。

BAE Systems认为,从长远来看,微波用GaN将在它最适合的应用中蓬勃发展:主要是频率从1到100GHz的高功率场合。尽管如此,它不会完全取代 GaAs和硅,因为它们都有自己独特的性能特点和相应的经济性来确保在某些市场的持续生存能力。随着高产能工艺的成熟和晶片尺寸的增加、成本的降低,GaN将进一步扩大版图。GaN显然是一种颠覆性的半导体技术,至少在未来十年没有其他半导体技术的兴起能给其带来威胁。

预期GaN的变种产品将持续演化,如成本更低的硅基GaN和为高性能应用增强热性能的钻石基GaN。GaN也将被更广泛地用于PA之外的其他功能,如低噪声放大器(LNA)、开关和多功能 MMIC。LNA/限幅器组合非常适用于 GaN,将其低噪声性能和高击穿电压相结合,后者有利于限幅器。

最有趣的变化将是碳化硅基GaN与硅基GaN之间的竞争。会有一种技术在这个行业中胜出吗?如果在标准CMOS 生产线加工,硅基GaN具有较低的成本预期——提供更大的晶圆尺寸和较低的衬底和加工成本。如果它的性能接近于碳化硅基GaN,可以说,其成本优势将远超碳化硅。另一方面,碳化硅将有一些应用所需的热驱动性能优势,这确保了两种技术都有一定的地位。(车延博 译)

 

 

参考文献

1. Doug Carlson, “Commercialization ofGaN,” Microwave Journal, June 2014, Vol.57, No. 6, pp. 34–40.

2. Isaak et al., “The First 0.2 μm 6-Inch GaNon-SiC MMIC Process,” CS ManTech,2014, pp. 229–231.

3. Komiak et al., “Decade Bandwidth 2 to 20 GHz GaN HEMT Power Amplifier MMICs in DFP and No FP Technology,”IMS 2011.

4. Gunther et al., The First 0.1 μm 6-Inch GaAs PHEMT MMIC Process,” CS Man-Tech, 2006, pp. 23–26.


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