中国企业发力，助攻半导体“潜力股”飞升

目前，在氮化镓外延片方面，主要有两种衬底技术，分别是GaN-on-Si（硅基氮化镓）和GaN-on-SiC（碳化硅基氮化镓）。相比较而言，GaN-on-SiC性能相对较佳，但价格明显高于GaN-on-Si。GaN-on-Si的优势是生长速度较快，也较容易扩展到8英寸晶圆。虽然GaN-on-Si性能略逊于GaN-on-SiC，但目前工艺水平制造的器件已能达到 LDMOS 原始功率密度的5-8 倍，在高于2GHz的频率工作时，成本与同等性能的LDMOS 出入不大。另外，硅基技术也将对CMOS工艺兼容，使GaN器件与CMOS工艺器件集成在一块芯片上。这些使得GaN-on-Si成为市场的潜力股，而且主要应用于电力电子领域，未来有望大量导入5G基站的功率放大器 (PA)。

由于像Qorvo、Wolfspeed（Cree）等传统大厂都比较倾向于采用GaN-on-SiC方案，使得该技术成为了目前市场的主流。但是GaN-on-Si凭借其先天优势，正在被越来越多的厂商采用。

与GaN-on-SiC相比，GaN-on-Si方案最大的优势就是衬底成本低，也更容易向8英寸大尺寸晶圆转移，以提升成本效益和投入产出比。此外，其与CMOS具有较好的兼容性，可以利用现有硅晶圆代工厂已有的规模生产优势，实现产品的规模量产和快速上市。而从应用发展角度来看，5G通信对射频元器件的需求正在快速增加过程中，需要大批量、低成本的GaN射频芯片，而这也给GaN-on-Si提供了发展契机。

具体来看，GaN-on-Si器件工艺能量密度高、可靠性高，晶圆可以做得很大，目前在8英寸，未来可以做到10英寸、12英寸，晶圆的长度可以拉长至2米。GaN-on-Si器件具有击穿电压高、导通电阻低、开关速度快、零反向恢复电荷、体积小和能耗低、抗辐射等优势。理论上相同击穿电压与导通电阻下的芯片面积仅为硅的千分之一，目前能做到十分之一。

与传统LDMOS工艺相比，GaN-on-Si的性能优势很明显，它可提供超过70%的功率效率，将每单位面积的功率提高4到6倍，并且可扩展至高频率。同时，综合测试数据已证实，GaN-on-Si符合严格的可靠性要求，其射频性能和可靠性可媲美甚至超越GaN-on-SiC。

GaN既可以用于基站，也可以用于手机当中，目前来看，Macom, Ommic、三安光电，英诺赛科等厂商在重点研发基站用GaN-on-Si射频和功率芯片（包括Sub-6GHz和毫米波两大频段）；而在手机等终端应用方面，台积电，英特尔、格芯和意法半导体等晶圆大厂正在重点进行这方面的GaN-on-Si芯片工艺研发。

硅基氮化镓技术革新

GaN，特别是本文重点关注的GaN-on-Si技术，在高频、高功率的应用场合才能充分发挥其效能，而从5G的发展情况来看，目前处于Sub-6GHz阶段，正在向毫米波进发，因此，未来不断壮大的毫米波市场，才是GaN-on-Si大施拳脚的地方。

从器件类型来看，毫米波GaN-on-Si晶体管大部分是HEMT（高电子迁移率晶体管），其在器件异质结结构、栅电极、源漏欧姆接触:、表面钝化等方面，较之于传统的硅技术，都有更高的要求。目前，业界在这方面都取得了进展，如采用CMOS兼容工艺制造80nm的GaN-on-Si HEMT等。

然而，GaN-on-Si技术存在着多种不足和技术挑战，如热阻、射频损耗、应力、位错密度和可靠性、大尺寸材料生长和CMOS兼容工艺制造等，业界正在努力解决这些问题。

像其他横向功率器件一样，硅基氮化镓HEMT的击穿电压随其栅极到漏极距离的增加而增加，松下公司则利用125μm的栅极到漏极的距离，实现了超过10kV的击穿电压。但是，其衬底不是硅，而是蓝宝石。

此外，麻省理工学院团队将GaN HEMT外延层从硅衬底转移到玻璃上，以试图提高横向器件的击穿电压，从大约600V增加到了1.5kV，实验证明硅衬底是导致栅极到漏极距离超过一定值的HEMT击穿电压饱和的根本原因。但是，改用玻璃不是一个很好的解决方案，玻璃的导热系数很低，并且与硅CMOS代工厂不兼容。Imec的一个研究小组则通过局部去除硅衬底获得了成功，实现了3kV的击穿电压。

另外，为了避免与使用玻璃或去除衬底相关的问题，新加坡-麻省理工学院研究与技术联盟，南洋理工大学和麻省理工学院的团队使用硅上绝缘体上氮化镓（GaN-on-insulator (GNOI)-onsilicon），通过使用晶圆键合在硅衬底和器件层之间插入附加的绝缘体，避免了对厚GaN外延层的需求。这种方法具有许多优势，例如：可以去除因为许多位错和较差的导热性而使性能受限的原始过渡层，从而提高器件的可靠性和散热能力；在高温GaN生长之后，可以用一种具有良好硬度的新衬底替换原来的易碎硅衬底，这样可以降低晶圆通过产线时破裂的可能性，提高了良率。

下面看一下异构集成。在与CMOS工艺集成方面，GaN-on-Si具备先天优势。原因自然是因为衬底都是硅，具体不在此赘述。

然而，在异构集成方面，GaN-on-Si同样存在着技术挑战，如热兼容性问题（GaN微波、毫米波电路发热量高，会引起周围Si-CMOS器件的阈值电压漂移、漏电增大等问题），电磁兼容性问题（GaN电路工作时的偏压比较大，电场耦合到CMOS区域，以及射频电路工作时的电磁场分布效应、电磁波辐射等），以及工艺兼容性问题和可靠性问题。

目前，业界正在进行着GaN-on-Si与CMOS集成工艺流程开发工作，以解决以上难题。如开发8英寸GaN与硅CMOS晶圆键合技术；解决GaN和硅CMOS器件和电路制造流程中的工艺兼容问题，包括GaN大晶圆翘曲、易碎、金属污染、高温退火退化等挑战；开发出了GaN-on-Si CMOS单片集成工艺流程，以及GaN器件的模型和PDK等。

结语

GaN在高频（毫米波）射频和功率应用中的前景广阔，而GaN-on-Si凭借其低成本，易于集成等优点，具有很大的发展潜力。而在中国本土，GaN-on-Si则更受欢迎，依托这一巨大市场，相信该技术在不久的将来必定会结出丰硕的果实。