中国射频前端涉及的各种工艺发展分析[图]

    SOI（Silicon-On-Insulator，绝缘衬底上的硅）技术是在顶层硅和背衬底之间引入了一层氧化埋层。通过在绝缘体上形成半导体薄膜，SOI材料具有了体硅所无法比拟的优点：可以实现集成电路中元器件的介质隔离，彻底消除了体硅CMOS电路中的寄生闩锁效应。

SOI基本结构

数据来源：公开资料整理

    采用这种材料制成的集成电路具有寄生电容小、集成密度高、速度快、工艺简单、短沟道效应小及特别适用于低压低功耗电路等优势，因此可以说SOI将有可能成为深亚微米的低压、低功耗集成电路的主流技术。从器件结构来看，SOI做成的MOS器件可以大大减小寄生电容，因此MOS晶体管的速度可以很快，这对于数字CMOS工艺例如CPU制程来说也是很关键的。

    目前国内使用SOI工艺的芯片厂家数量相对较少，只有中芯国际（FD-SOI和FinFET两种工艺都有）、成都格芯、上海新傲科技和华力微电子（二期晶圆厂）等几家，主要的工艺种类为FD-SOI。不过，虽然厂家为数不多，但整体工艺水平却比较超前，尤其是中芯国际和华力微电子的28nm制程已经逼近世界顶尖。

    目前GF已经商用45nmRFSOI制程，可以用来制作PA，LNA和TxRx的开关。相比于硅基衬底不仅减小了寄生电容，fmax也增加了40%。

45nmRFSOI先进制程与CMOS制程性能比较

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    受益于在手机终端上的大量应用，几家SOI大厂都在积极扩产。代工厂正增加扩产200毫米RFSOI晶圆厂的产能，以满足增长5G带来的射频前端需求。

    GlobalFoundries，TowerJazz，台积电和联华电子正在推出300毫米晶圆射频SOI工艺，以争夺下一代5G标准射频业务。RFSOI用于为智能手机和其他产品制作专用RF芯片，如开关器件和天线调谐器。RFSOI是绝缘体上硅（SOI）技术的RF版本，与数字芯片的全耗尽SOI（FD-SOI）不同。代工厂的SOI硅片主要来自于采购，例如Soitec和其他公司将RFSOI硅片出售给代工厂，后者将其加工成RF芯片。

    Solitec目前是RFSOI硅晶片的最大供应商，占比全球市场份额的70%。其他家如Shin-Etsu和GlobalWafers也对200mm和300mm硅晶片出货，但是也是基于Solitec的技术。中国的SOI材料供应商有上海新傲科技。根据调查数据显示表示，虽然目前的几家代工厂正在增加300mmRFSOI，但产能依然有限。世界上大约5％的RFSOI产能在300毫米，到2019年预计可以增加到20％。根据调查数据显示，预计到2020年左右，RFSOI晶圆片的出货量可能达到200万片。

    一、GaAs工艺

    砷化镓半导体材料与传统的硅材料相比，它的电子移动率约为硅材料的5.7倍。它具有很高的电子迁移率、宽禁带、直接带隙，消耗功率低的特性。因此，广泛运用于高频及无线通讯(主要为超过1GHz以上的频率)。适于制做IC器件。所制出的这种高频、高速、防辐射的高温器件，通常应用于激光器、无线通信、光纤通信、移动通信、GPS全球导航等领域。砷化镓除在IC产品应用以外,也可加入其它元素改变能带隙及其产生光电反应，达到所对应的光波波长,制作成光电元件。

GaAs器件的应用领域

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    在微电子领域中，使用的化合物半导体材料属于高端产品，主要用于制作无线通讯（卫星通讯、移动通讯）、光纤通讯、汽车电子等用的微波器件。根据SA数据，作为半绝缘砷化镓下游产业的砷化镓集成电路业市场平均增长近年都在40%以上，尽管砷化镓分立器件的市场份额在逐步减少，砷化镓射频器件市场仍有30%的年增长，加之卫星通讯系统和车载雷达用砷化镓单晶的潜在市场，半绝缘砷化镓的需求前景非常看好。

    在GaAs晶圆供应方面，住友电工（SumitomoElectric）、弗莱贝格化合物材料（FreibergerCompoundMaterials）、晶体技术（AXT）三家公司占据约95％市场份额。目前微电子用砷化镓晶片市场主要掌握在日本住友电工（SumitomoElectric）、费里伯格（FreibergerCompoundMaterials）、日立电线（HitachiCable）和美国AXT等四家大公司手中。主要以生产4、6英寸砷化镓材料为主。费里伯格公司供应LEC法生长的3、4、6英寸半绝缘砷化镓衬底，供应VGF法生长的4、6英寸半绝缘砷化镓衬底。住友供应VB法生长的4、6英寸半绝缘砷化镓衬底。日立电线供应LEC法生长的2、3、4、6英寸半绝缘砷化镓衬底。AXT供应VGF法生长的2、3、4、6英寸半绝缘砷化镓衬底。

GaAs材料主要生产国际厂商

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    目前中国的砷化镓材料生产企业主要以LED用低阻砷化镓晶片为代表的低端市场为主，利润率较高的微电子用4～6英寸半绝缘晶片还没有形成产业规模。中国大陆从事砷化镓材料研发与生产的公司主要有：北京通美晶体技术有限公司（AXT）、中科晶电信息材料（北京）有限公司、天津晶明电子材料有限责任公司（中电集团46研究所）、北京中科镓英半导体有限公司、北京国瑞电子材料有限责任公司、扬州中显机械有限公司、山东远东高科技材料有限公司、大庆佳昌科技有限公司、新乡神舟晶体科技发展有限公司（原国营542厂）等九家。

国内GaAs材料主要生产企业

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    砷化镓在微电子的应用范围，以射频IC为主。它的产品集中在PA(功率放大器)，LNA(低杂讯功率放大器)等通讯元件上，产品广度远不如可应用在资讯，通讯及消费性电子的硅IC。但基于对未来无线通讯的成长可期，通讯元件的应用范围会随着新通讯产品的推出而倍增，其应用领域有移动电话，无线电话，无线通讯，微波通讯及卫星通讯产品等。这些产品将会随着通讯网路的建构与普及而需求大增。所以就长期发展而言，对砷化镓IC的需求量也会愈来愈大。砷化镓IC在手机中发射端的功率放大器（PA）、接收端的低噪声放大器和高速开关等，多由GaAsIC承担。它是手机中重要关键性零组件。一只典型的高质量手机通常包含6-7块GaAsMMIC，因此无线通讯市场的走向对整个GaAs工业非常重要。整个移动通讯技术的发展更是带动GaAs材料的技术进步与需求增长。

    二、GaN工艺

    氮化镓技术可以追溯到1970年代，美国无线电公司（RCA）开发了一种氮化镓工艺来制造LED。现在市场上销售的很多LED就是使用蓝宝石衬底的氮化镓技术。除了LED，氮化镓也被使用到了功率半导体与射频器件上。

    氮化镓技术优势

    高击穿场：由于GaN的大带隙，GaN材料具有高击穿场，这使得GaN器件能够在比其他半导体器件高得多的电压下工作。当经受足够高的电场时，半导体中的电子可以获得足够的动能来破坏化学键（称为碰撞电离或电压击穿的过程）。如果不控制碰撞电离，则会降低设备的性能。由于GaN器件可以在更高的电压下工作，因此它们可以用于更高功率的应用。

   高饱和速度：GaN上的电子具有高饱和速度（在非常高的电场下的电子速度）。结合大电荷能力，这意味着GaN器件可以提供更高的电流密度。RF功率输出是电压和电流摆动的乘积，因此更高的电压和电流密度可以在实际尺寸的晶体管中产生更高的RF功率。简而言之，GaN器件可以产生更高的功率密度。

    出色的热性能：GaN-on-SiC器件具有出色的热性能，这主要归功于SiC的高导热性。实际上，这意味着GaN-on-SiC器件在耗散相同功率时不会像GaAs或Si器件那样热。“较冷”设备意味着更可靠的设备。

    典型的GaN射频器件的加工工艺主要包括外延生长-器件隔离-欧姆接触（制作源极、漏极）-氮化物钝化-栅极制作-场板制作-衬底减薄-衬底通孔等环节。

典型的GaN工艺流程

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GaN工艺流程

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    GaN器件的功率密度是砷化镓（GaAs）器件的十倍。GaN器件的更高功率密度使其能够提供更宽的带宽，更高的放大器增益和更高的效率，这是由于器件外围更小。

    GaN场效应晶体管（FET）器件的工作电压可以比同类GaAs器件高五倍。由于GaNFET器件可以在更高的电压下工作，因此设计人员可以更轻松地在窄带放大器设计上实现阻抗匹配。阻抗匹配是以这样的方式设计电负载的输入阻抗的实践，其最大化从设备到负载的功率传输。

    GaNFET器件的电流是GaAsFET器件的两倍。由于GaNFET器件可提供的电流是GaAsFET器件的两倍，因此GaNFET器件具有更高的带宽能力。大部分的半导体器件对于温度的变化都是非常敏感的，为了保证可靠性，半导体的温度变化必须被控制在一定范围内。热管理对于RF系统来说尤其重要，因为它们本身能量损耗就比较高，会带来比较严重的散热问题。GaN在保持低温方面有其独特优势，另外即使在温度较高的情况下，相比于硅其性能影响较小。例如100万小时失效时间中位数MTTF显示，GaN比GaAs的工作温度可以高50摄氏度。

GaAs与GaN的可靠性比较

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    综合成本、生产也研发时间以及GaN的独特性能，已经成为了高功率射频和微波放大器的首选。同时GaN工艺还适合制作宽带PA和低噪放。

    与其他半导体（如Si和GaAs）相比，GaN是一种相对较新的技术，但它已成为高射频，高耗电应用的首选技术，如长距离或高端功率传输信号所需的应用（如雷达，基站收发信台[BTS]，卫星通信，电子战[EW]等）。根于Yole的预测，在通信和国防应用的推动下RFGaN产业在2017年至2023年期间的复合年增长率将会达到的23％。截至2017年底RFGaN市场总量接近3.8亿美元，2023年将达到13亿美元以上。基于RF的GaN技术也在不断创新以满足工业界需求。国防应用是RFGaN的主要市场领域，这是因为GaN产品具有专业的高性能要求和低价格优势。2017-2018年间，国防应用占GaN射频市场总量的35％以上，目前全球国防市场在GaN领域没有放缓迹象。

2023年RFGaN器件市场预测

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    从专利角度看，住友电工是RFGaN器件的市场的领军者，但是相比于Cree仍然有不小差距。住友电工在专利方面目前有所放缓，而其他日本公司如富士通，东芝和三菱电机正在增加其专利申请，目前也拥有强大的专利组合。英特尔和MACOM目前是RFGaN领域最活跃申请专利的两家公司，尤其是GaN-on-Silicon技术，如今这两家公司在RFGaN专利领域拥有重要IP。参与RFGaN市场的其他公司，如Qorvo，Raytheon，NorthropGrumman，恩智浦/飞思卡尔和英飞凌，拥有一些关键专利，但知识产权地位仍然相对薄弱。中国电子科技集团和西安电子科技大学在中国专利领域占主导地位，拥有针对微波和毫米波应用的GaN射频技术专利。中国公司HiWafer作为新兴的代工厂，也逐渐在GaN专利方面占有一席之地。总体来说，RFGaN领域方面，依然是被美国和日本公司主导。

    相关报告：智研咨询发布的《2019-2025年中国射频前端模块行业市场研究及投资前景预测报告》