射频GaN走向主流应用：看其市场机遇及全球Foundry代工厂巡览

现在能够提供射频氮化镓器件的厂商主要有科锐、英飞凌、Macom、恩智浦、Qorvo和住友等厂商。（英飞凌在2016年7月已经宣布收购科锐的Wolfspeed部门，Wolfspeed提供碳化硅功率器件和碳化硅基氮化镓射频器件）。还有包括波音、Northrop Grumman和雷神等在内的军工厂商也在开发氮化镓和其他三五价技术。

北美有多家GaN的代工厂（包括在加拿大的一家），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，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制造厂商之一的住友商事（Sumitomo）。

　　
中国成都的海威华芯（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。
　

　　图2 三安光电
　

　　图3 海威华芯LOGO
　

在美国，多数顾客选择Wolfspeed（Cree 旗下公司，被德国英飞凌公司收购），然而很多欧洲的企业，特别是在做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。

有几家公司跟这些代工厂存在战略合作伙伴关系，说白了就是将渠道独享，不分享给其他的公司。举个例子来说，GCS公司其总部在加利福尼亚州的托伦斯，但这家公司拒不提供关于我们做的这项调查的任何信息，这就是典型的受ITAR（国际武器贸易条例）控制的公司，也就是说，他们确实为一些公司提供射频GaN的制造服务。还有多家受管制类射频GaN制造商，像雷声（Raytheon），MACOM和Qorvo。
　

对应的还有一些相对独立的制造商：RFMD和TriQuint提供GaN制造代工服务，不过自从他们合并成为了Qorvo，从反馈的结果来看，他们仅仅为一些“战略上”的顾客服务。
　

三、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（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4 六英寸Si基GaN

图5 OMMIC公司6英寸晶圆

军事应用

然而，射频氮化镓器件现在最大的市场是军事与航天领域。大约十五年前，在美国国防部的资助下，研究人员开始投入到射频氮化镓技术的研究，这才催生了现在的射频氮化镓器件市场。

根据Strategy Analytics的统计，国防和航天应用占了射频氮化镓总市场规模的40%，雷达和电子战系统是射频氮化镓的最大应用市场。

今年3月，雷神公司宣布其爱国者导弹防御系统采用了最新的基于氮化镓技术的天线系统。爱国者导弹防御系统是一种陆基导弹防御系统，可拦截弹道导弹、无人机和飞机。

爱国者导弹

旧爱国者系统采用的雷达技术被称为被动电子扫描阵列，新雷达系统改为主动电子扫描阵列（AESA），主动电子扫描阵列将提供给爱国者系统360度的雷达能力。

“雷神相信，升级到基于氮化镓技术的主动电子扫描阵列雷达，可以使爱国者系统保持对新型进攻武器优势。”雷神空中和导弹综合防御业务发展副总裁Tim Glaeser说道。

主动电子扫描阵列雷达是基于相控阵技术，相控阵设备包含一组可以单独控制的天线，利用波束成形技术，可以让这组天线转向不同的方向。

值得注意的是，这些技术正在从军用转向商用。例如，主动电子扫描阵列和相控阵技术已经被用于60GHz毫米波Wi-Fi技术、汽车雷达系统和无线基站等。此外，5G中将广泛采用相控阵技术。

同时，氮化镓工艺制造的功率放大器也已经用于点对点通信的军用手持式无线电中。因此，供应商相信手机中将来也会用上氮化镓器件。
　

商业应用

虽然已经用在了基站里面，但普通手机要用上射频氮化镓技术，还需要等待很长的时间。

一方面，移动运营商正在竭力满足爆炸式增长的数据流量需求。根据爱立信的预测，从2015年至2021年，全球移动数据流量每年增长率为45%。

通过载波聚合可以缓解移动互联网对于数据带宽的需求。载波聚合把不同频率的多个频谱组合成一个完整频段，频段中的每一个频谱被称为载波单元。现在的LTE移动通信标准（Release 10）最大可以将5个载波单元（每个载波单元20MHz带宽）组合起来，以实现100MHz带宽。

以后，移动运营商将会公布新标准LTE Advanced Pro，也被称为4.5G技术。LTE Advanced Pro最多可以组合32个载波单元，并会整合大规模多入多出技术（Massive MIMO）和非授权波段LTE技术。大规模多入多出技术已经在基站中被采用，可以利用多根天线来提升通信容量。

载波聚合和大规模多入多出技术促使基站去采用性能更好的功放。基站中以前采用的射频功放主要基于LDMOS技术，但Qorvo的人员表示，LDMOS技术的极限频率不超过3.5GHz，也不能满足视频应用所需的300MHz以上带宽。

因为上述晕啊因，基站开始采用射频氮化镓器件来替代LDMOS器件。“LDMOS器件物理上已经遇到极限，”Qorvo无线基础设施产品部总经理Sumit Tomar说道，“这就是氮化镓器件进入市场的原因。基站应用需要更高的峰值功率、更宽的带宽以及更高的频率，这些因素都促成了基站接受氮化镓器件。”

制造氮化镓器件有两种方式，一种是Qorvo和其他大多数厂商都采用的基于碳化硅的氮化镓射频工艺，一种是Macom主导的基于硅的氮化镓射频工艺。

两种工艺各有优劣。根据Qorvo的说法，相比基于硅的氮化镓，基于碳化硅的氮化镓工艺有更高的功率密度、更好的热传导性。

不过硅衬底比碳化硅衬底更便宜。Macom正在计划将生产工艺从6英寸升级到8英寸，从而进一步降低基于硅的氮化镓射频工艺。

现在大多数基于碳化硅的氮化镓还是采用3英寸或4英寸晶圆生产，因此成本非常高，Qorvo计划今年年底采用6英寸晶圆来生产基于碳化硅的氮化镓。“升级以后Qorvo基于碳化硅的氮化镓器件的产能大约翻一倍，”Qorvo物理器件研究员 Jose Jimenez说道，“采用大尺寸晶圆生产氮化镓器件以后，无线基础设施和商用市场都可以用上更便宜的氮化镓器件。”
　

智能手机用氮化镓器件？

当然，最大的疑问还是智能手机能否用射频氮化镓工艺来做功放。现在的4G手机不会用到氮化镓器件，但未来的手机前端将有机会用到射频氮化镓工艺。

如今的手机射频前端模组包括功率放大器、射频开关及其他元器件（滤波器等）。用于放大输入信号的功率放大器通常采用砷化镓工艺。射频开关用于选择从功放到天线的信号路径，通常采用RF SOI工艺。

在2G和3G时代，手机射频前端都比较简单，2G有四个波段，3G有5个波段。但4G出现以后，射频前端变得非常复杂，全球4G波段超过40个，而全球销售的手机射频模组必须支持这些4G标准。

“标准还在向前发展，特别是载波聚合技术引入以后。这些标准推广开以后，要满足标准的要求就给技术上提出了更多的挑战。”GlobalFoundries的Rabbeni说道，“ 看一下（手机的）整体架构，在天线和射频SoC之间增加了越来越多的元器件，这将影响到射频性能，例如插入损耗和线性度。所以我们一直被客户督促着提供更好性能的射频工艺，特别是低噪声放大器、功率放大器和开关。”

一个例子是现在的智能手机开始采用多模多频功率放大器。一部智能手机可能只需要采用两颗（或许还要多些）功率放大器就能够支持全球4G制式。

虽然有不足，但智能手机厂商还是倾向于使用传统砷化镓工艺制造的功率放大器。“砷化镓成本低，性能也够用。”Strategy Analytics的Higham说道。

既然现在手机在射频方面已经遇到了困难，为什么不用射频氮化镓工艺制造的功率放大器呢？“氮化镓器件天生适用于高压（大于10V）应用，虽然氮化镓的高功率密度有可能减小功放的芯片面积。”台湾Wavetek销售市场高级经理Domingo Huang说道，台湾Wavetek是联电旗下的一个专门从事砷化镓代工的子公司。

“但现在手机使用的电压范围是3至5V，在这种电压下，氮化镓的性能要打很大折扣，”Huang说道，“氮化镓的高成本是阻止其进入消费电子领域的另一个障碍。如果将来智能手机的前端可以采用更高的电压供电，那么氮化镓技术或许是一个很好的备选项，当然，首先要解决的是成本太高的问题。”

如上所述，氮化镓功放适合3GHz以上的应用。4G后面的5G技术将会使传输速率达到10Gbps，是目前4G速度的100倍，所以5G手机里面氮化镓技术应该能有一席之地。

预计2020年5G开始大规模商用部署，到时候5G不但兼容4G网络，还会使用非授权或毫米波波段。毫米波指频率为30GHz到300GHz的电磁波（译者注：波长为10毫米到1毫米，不过现在美日韩等国试验的28GHz频段也被归为毫米波）。

“4G手机里面的射频器件主要是砷化镓和SOI，”Qorvo的Tomar说道，“5G时代，砷化镓和SOI器件还会需要，同时也会采用氮化镓器件，尤其是在高频段。”

不过，射频氮化镓要进入5G手机还需要克服现有的一些难点。根据Qorvo的博客，氮化镓技术进入手机的困难主要在于以下三点：

• 手机应用需要氮化镓器件工作在低电压环境

  必须设计新封装形式以满足散热要求

  成本太高

同时，砷化镓与其他三五价工艺也在开发高频应用技术，如果成功的话，有可能会让氮化镓维持在小众市场。

为了推进氮化镓工艺，业界或许要重新考虑氮化镓工艺的整体架构。“现在氮化镓并不是最适合手机射频功放的技术，”Qorvo的Jimenez说道，“一种可能是改变氮化镓的结构。氮化镓采用的是场效应管（FET）结构，而手机功放则是用异质双结型晶体管（HBT）结构，HBT结构的效率和线性度更好。”

射频氮化镓器件可以考虑垂直结构，或者加入新的沟道材料和绝缘介质，以使其适应低电压的工作环境。

另外，氮化镓工艺必须缩小工艺尺寸。现在氮化镓工艺尺寸正在从0.25微米至0.5微米向0.15微米转换，一些领导厂商甚至在尝试60纳米。

只有时间才能检验射频氮化镓工艺能否适合手机应用，不过射频氮化镓工艺已经在改变整个格局。