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向复合半导体技术进军,欧洲GaN发展战略

发布日期:2019-08-07   浏览次数:155

翻译自——MPDigest,Helen Duncan, Managing Director, MWE Media

 

毫无疑问,美国是氮化镓(GaN)射频产业的中心,是Wolfspeed和Qorvo两大巨头的总部所在地。如果你认为在“大西洋彼岸”或更远地方没有能够和他抗衡的企业,那就错了。尽管在亚太地区,稳懋半导体在台湾是提供氮化镓纯代工服务,但事实上,在欧洲也有一个蓬勃发展的氮化镓供应链,一些国家和欧盟正在采取措施,进一步推进这一条供应链。

 

那么,在欧洲的GaN圈子里,谁是老大?

 

在欧洲微波领域里,法国在GaN晶圆厂的竞争中处于领先地位已经不是什么秘密了,OMMIC和UMS都提供代工和标准产品系列的。

 

OMMIC此前专注于太空市场上的硅基氮化镓GaN-on-SiC技术,最近推出了一种新的100纳米栅极长度的硅基氮化镓(GaN-on-Si)工艺,用于射频功率和低噪声,目标是5G基站和汽车应用,并宣布计划最终将容量提高到每年200多万片,以解决量产市场的需求。

 

United Monolithic Semiconductors[1]在法国的维尔邦和德国的乌尔姆各有一个分部。作为Thales公司和空客公司的合资企业,它开发和制造RF和mmWave微型集成电路,包括许多GaN产品,大都用于电信、汽车、国防和航天领域,并提供代工服务。

 

意法半导体是GaN MMIC另一个领先竞争者,虽然在硅基氮化镓(GaN-on-Si)而不是SiC领域。通过与MACOM的合作,意法半导体正将目标瞄准全球5G基站应用,扩大150毫米硅基氮化镓(GaN-on-Si)的生产能力,并进一步扩大至200毫米晶圆的生产规模。该公司还宣布计划将这一目标扩展到手机应用上。

 

NXP在荷兰和法国都有工厂,并用GaN和横向扩散金属氧化物半导体LDMOS来生产RF、PA、IC,并用于基站应用。NXP的子公司 安谱隆半导体也在专攻微波加热的技术。

 

英国在上世纪70年代开发了第一台单片式微波集成电路(MMIC),直到最近,由于行业整合,英国在复合半导体晶圆厂产能方面一直处于落后状态。然而,实力却不容小觑,他们拥有着全球领先的半导体GaN-on-SiC外延片制造商,总部位于卡迪夫的IQE,还有像Plextek RFI和Viper RF这些经验丰富的无晶圆厂MMIC设计团队,许多基于GaN的组件和子系统开发人员也在英国开展了业务。

 

然而,近年来又有新军出现。位于英国纽卡斯尔的INEX RF GaN工厂,在过去四年中悄然崛起,为国防市场提供射频、GaN设备的制造。他们的0.5µm和0.25µm GaN-on-SiC技术已经成熟,开始转向0.15µm工艺。

 

在政府机构Innovate UK的支持下,围绕加的夫成立了一系列相关机构,为GaN的英国供应链注入了活力。CS Connected是欧洲第五个半导体集群,是英国建立的第一个化合物半导体集群品牌,新旗号“CS Connected”汇集复合半导体集群的核心要素,将国际业务、政策制定者和学者联合起来,共同构建下一代复合半导体技术。

 

它始于2014年卡迪夫大学(Cardiff University)的创新园区,随后成立了复合半导体研究所(composite Semiconductor Institute)和复合半导体中心(与IQE联合成立的一个附属机构)。2016年,CSA机构紧随其后,还有EPSRC CS制造中心,该中心致力于加强设计向制造的转移。听起来可能比较乱,但其中传递的信息很清楚:英国现在正在将GaN打上自己的印记,就像它曾经用在GaAs那样。

 

延伸阅读:

 

CS Connected 

 

2017年在英国威尔士加的夫大学举办的活动(由其促进商学院互动的创新网络组织)中,世界首个复合半导体集群的新品牌名称被引入。新旗号“CS Connected”汇集复合半导体集群的核心要素,将国际业务、政策制定者和学者联合起来,共同构建下一代复合半导体技术。

 

硅技术一直是当今信息社会的推动力,但越来越多的更高性能需求依赖于复合半导体形式的先进技术。该技术可使速度提高100倍以上,同时具有多种的光子功能。

卡迪夫的外延片铸造和底材制造商IQE plc正在与其供应链合作,包括卡迪夫大学、威尔士和英国政府,将研发与商业现实之间的所谓“死亡之谷”连接起来。

 

重大经济投资支持了一些可以将复合半导体研究快速有效地转化为商业产品和服务的举措。这些团体正在一起使威尔士成为第一个化合物半导体集群,可以产生高达5000个高价值的就业机会。

 

作为一个在特定领域和/或地区合作的知名企业、初创企业、企业家和学术机构的集合,该集群的目的是通过多方面和有效的合作鼓励创新。因此,卡迪夫大学作为该地区化合物半导体专业知识的代表,向商业界和学术机构展示了CS Connected能够提供什么,以及集群不同部分如何支持从基础研究到批量生产的创新。

 

GaN在射频功率领域的巨大作用

 

GaN凭借高频下更高的功率输出和更小的占位面积,被射频行业大量应用。在电信基础设施和国防两大主要市场的推动下,预计到2024年RF GaN整体市场规模将增长至20亿美元。

 

过去十年,全球对电信基础设施的投资一直很稳定,并且,中国政府的投入近年持续增长。在这个稳定的市场中,更高的频率趋势,为RF GaN在5G网络频率低于6GHz(sub-6Ghz)的功率放大器(PA)中找到了用武之地。该应用预计将在未来五年内推动GaN市场的增长。

 

氮化镓(GaN)这种宽带隙材料将引领射频功率器件新发展并将砷化镓(GaAs)和LDMOS(横向扩散金属氧化物半导体)器件变成昨日黄花?看到一些媒体 文章、研究论文、分析报告和企业宣传文档后你当然会这样认为,毕竟,GaN比一般材料有高10倍的功率密度,而且有更高的工作电压(减少了阻抗变换损耗),更高的效率并且能够在高频高带宽下大功率射频输出,这就是GaN,无论是在硅基、碳化硅衬底甚至是金刚石衬底的每个应用都表现出色!

 

让我们回顾下不同衬底风格的GaN:硅基、碳化硅(SiC)衬底或者金刚石衬底。

 

硅基氮化嫁:这种方法比另外两种良率都低,不过它的优势是可以使用全球低成本、大尺寸CMOS硅晶圆和大量射频硅代工厂。因此,它很快就会以价格为竞争优势对抗现有硅和砷化镓技术,理所当然会威胁它们根深蒂固的市场。

 

碳化硅衬底氮化镓:这是射频氮化镓的“高端”版本,SiC衬底氮化镓可以提供最高功率级别的氮化镓产品,可提供其他出色特性,可确保其在最苛刻的环境下使用。


金刚石衬底氮化镓:将这两种东西结合在一起是很难的,但是好处也是巨大的:在世界上所有材料中工业金刚石的热导率最高(因此最好能够用来散热)。使用金刚石代替硅、碳化硅、或者其他基底材料可以把金刚石高导热率优势发挥出来,可以实现非常接近芯片的有效导热面。

 

金刚石衬底GaN主要是应用于美国国防部高级研究计划署(DARPA)的近结热传输项目(NJTT),始于2011年,在这个项目中TriQuint和布里 斯托大学第四研究室是合作伙伴,而且洛克希德·马丁公司也是参与者。该团队在2013年宣布他们已经实现了连续三次提高了GaN-on-SiC的功率密 度。这意味着可以把金刚石衬底氮化镓芯片缩小三倍或把其射频功率提升3倍,该项目完成了设计测试评估,很可能金刚石衬底GaN将在5年内满足其制造性要求。

 

单片微波集成电路(MMIC)

 

MMIC是单片微波集成电路的缩写,是在半绝缘半导体衬底上用一系列的半导体工艺方法制造出无源和有源元器件,并连接起来构成应用于微波(甚至毫米波)频段的功能电路。

 

单片微波集成电路是为了应对5G数据网络的大信息量的单一封装射频组件集合元件。早期基站可能容纳四到八根天线,而5G基站可以容纳数百根独立的发射和接收天线同时运行——这意味着现在有数百个无线电信道可以并行实施扫描和处理,而且都工作在更高的频率上。由于天线配置的密度较大且比较复杂,连接必要数量的电缆来仿真和测试每一条信道会变得不切实际。由于在某种程度上,可通过更宽的带宽信号实现5G固有的更高数据吞吐量,因此5G测试还需要能够生成和分析新5G波形的极限宽带仪器。因此5G测试系统的设计人员需要采用一种能够在广泛的频带中适应极端多信道测试环境的射频组件,同时这种组件又不能显著增加设备的尺寸和重量等。这意味着需要更高的集成度并采用一种全新的系统设计方案,即利用将多项功能集成在单一封装中的单片微波集成电路(MMIC)来代替分立射频元件。

 

外延片和晶圆的区别

 

晶圆是就是WAFER,就是基材. 外延片,是在WAFER基础上做的EPI工艺.这样出来的WAFER 就是EPI WAFER,也叫外延片,晶圆是用于半导体芯片的。说的再直白一点:晶元是土地,外延是土地上盖的楼房。 晶元是原材料,外延是半成品。


[1] 联合集成电路半导体公司(UMS)是欧洲领先的射频MMIC产品供应商,为国防和航天、电信、汽车雷达和工业传感器等专业市场提供射频MMIC产品和代工服务。

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