全球首发8英寸GaN HEMTs

4月10日，在2024武汉九峰山论坛上，西安电子科技大学郝跃院士、张进成教授课题组李祥东团队与广东致能科技联合攻关，首次展示了全球首片8英寸蓝宝石基GaN HEMTs晶圆。

据李祥东教授在会上介绍，通过调控外延工艺，其GaN外延片不均匀性控制在4%以内，所制备的HEMTs器件的cp测试良率超过95%，击穿电压轻松突破2000V。

据行业人士推测，该8英寸蓝宝石基GaN HEMTs晶圆器件具有标志性意义，目前200V以下以及650V左右的GaN功率HEMT已在8英寸晶圆线上实现了量产，然而在8英寸线上实现2000V级别的GaN器件的展示尚属首次。

8英寸晶圆将是GaN成为主流电力电子器件的必由之路，其成本将极具竞争优势：

一方面，由于转向8英寸晶圆，每片GaN HEMTs晶圆的芯片数将比6英寸晶圆多近2倍，GaN器件成本与6英寸方案相比也将大幅下降。

另一方面，采用蓝宝石衬底可以大幅提升GaN耐压，市场应用从消费类转向工业和汽车等领域，需求进一步打开，而随着8英寸蓝宝石衬底制备工艺的日趋成熟和大批量出货，氮化镓器件成本也有望进一步下降。

第三，叠加致能自主开发的超薄缓冲层和简单场板设计等优势，蓝宝石基GaN HEMTs晶圆成本还可降至更低。


5G移动通信的关键技术

新兴的第五代（5G）通信系统有望解锁无数新业务，并为许多行业提供增长平台。5G移动通信的关键技术要求是实现数十亿设备的泛在连接，并支持多Gbps的数据速率。目标是实现比现有移动系统大数千倍的容量。5G可以提升商用应用的性能，在增强现实、虚拟现实、混合现实应用（AR、VR、MR）、视频会议、工业自动化、自动驾驶汽车、联网医疗设备等领域实现新的用户体验和服务。为了实现5G，在硬件开发、系统架构和网络部署方面面临无数挑战。

在 5G 设计中，需要模拟前端 （AFE） 来支持多输入多输出 （MIMO） 配置中的多个发射和接收路径。图2显示了子阵列有源相控阵天线（APAA）大规模MIMO的框图。如图2所示，RF前端模块由功率放大器（PA）、低噪声放大器（LNA）和开关组成。5G 日益复杂，限制了在开发此类复杂射频子系统方面具有专业知识的制造商数量。然而，随着5G设计的成熟，越来越多的供应商正在应对AFE的设计挑战。

众所周知，RF PA的性能通常主导着整个发射机（TX）的性能，因为它的功率附加效率（PAE）决定了整个TX的功耗和散热要求。为了在厘米波/毫米波频率下增强用户体验和大规模MIMO天线，5G系统将需要更多的PA集成到射频前端模块（FEM）中，这使得5G PA的设计比4G PA更为关键。对于任何成功的商用 5G 应用，输出功率 （Pout）、线性度、成本、电路拓扑设计、PA的形状因素等都非常重要。许多其他公司也在投入大量资源来实现5G革命，其中将使用sub-6GHz频段的频率范围1（FR1）和毫米波频段的频率范围2（FR2）。

自 1990 年代该技术进入市场以来，射频功率放大器一直以横向扩散金属氧化物半导体 （LDMOS） 器件为主，尤其是在频率低于 2 GHz频率范围的应用时，因为它们成本低廉。他们最大的竞争对手是基于砷化镓（GaAs）的放大器，它更适合更高的频率，但其功率传输水平较低，成本较高。与硅和砷化镓（GaAs）半导体材料相比，氮化镓（GaN）是一种宽带化合物半导体，具有高击穿电场强度、高电子饱和速度、高导热性和低介电常数。氮化镓（GaN）将取代传统的半导体材料用于5G网络应用，例如小型基站（Small Cell），这些应用需要更高的频率、紧密的集成度和最低的实施成本。低压氮化镓（GaN）提供的效率性能将不可避免地进入手机应用中。同时氮化镓（GaN）能够在高温环境下工作，非常适合被动冷却、所有户外塔顶基站电子设备和汽车应用中。


在不断扩大的市场中腾出空间

电信基础设施仍然是射频 GaN 器件的最大单一市场。 根据 Yole Intelligence 的《RF GaN 化合物半导体 Q2-23》报告，该细分市场的收入预计将从 2022 年的近 7.77 亿美元增加到 2028 年的约 14 亿美元，复合年增长率为 10%。 然而，不断扩大的硅基氮化镓电信基础设施市场并不意味着碳化硅基氮化镓将完全黯然失色。 相反，不断增长的电信市场将为碳化硅基氮化镓和硅基氮化镓领域带来增长空间。 预计到 2028 年，GaN 将占电信基础设施设备出货量的 75% 以上。其中，70% 以上将是 GaN-on-SiC，5% 将是 GaN-on-Si，其余部分将是 GaN-on-Si LDMOS的市场份额将继续下降。

如今，作为主要平台，碳化硅基氮化镓拥有完善的供应链。SEDI、Qorvo、Wolfspeed 和 NXP 等器件供应商以及国防相关公司 Raytheon、BAE Systems 和 Northrop Grumman 均提供 GaN-on-SiC 技术。2022 年，SEDI、Qorvo 和 Wolfspeed 是 RF GaN 领域的领先厂商。GaN 领域的新来者 NXP 于 2020 年在美国开设 6 英寸 GaN-on-SiC 晶圆厂，进入电信市场供应链，实现了显着增长。拥有 LDMOS 产品，已成为基于 GaN 的电信基础设施领域的领先企业。现在，这个不断扩大的行业为 GaN-on-Si 技术提供了更多空间，其中低功率 GaN 解决方案有望用于 10 W 以下的 32T32R 和 64T64R mMIMO 基站，今年会有越来越多的产品上市。

但这还不是硅基氮化镓技术的全部！ 新频率范围 3 (FR3) 频段中的 5G 手机 PA 也出现了一个充满希望的机会。 尽管硅基氮化镓在手机 PA 的 7 GHz 以下和 5G 毫米波频率中具有潜力，但值得注意的是，7 GHz 以下的完善的 GaAs 解决方案已经存在，并且基于硅的解决方案已获得关注 适用于毫米波应用。 这些现有技术在技术和供应链方面都已经成熟，构成了重要的竞争对手。 就 FR3 而言，竞争仍然开放，硅基氮化镓有可能满足要求并找到实施机会。 然而，必须考虑到将 GaN-on-Si 集成到手机系统中需要复杂的设计更改，这使得在 FR3 频段采用该技术成为一个长期目标。 最后的决定总是由苹果、三星和小米等智能手机原始设备制造商说了算，这可能是硅基氮化镓行业的拐点。

在过去几年的硅基氮化镓生态系统中，意法半导体、MACOM、英飞凌科技等公司以及格罗方德、联电等晶圆代工厂都积极参与射频硅基氮化镓技术的开发和引进。 这些参与者正在努力将这项技术推向市场。 此外，还有像 Finwave 这样的创新公司，该公司专注于在 8 英寸 GaN-on-Si 晶圆上开发 3D GaN FinFET 技术。 他们在开发过程中使用标准硅铸造工具。 除了这些创新公司之外，GCS、UMC 和 Global Foundries 等老牌公司也有潜力快速适应并进入市场。 参与者正在为这些杀手级应用做好准备，以运行他们的技术，并开启射频行业大批量硅基氮化镓制造的新时代。