《第三代半导体产业技术创新战略联盟：GaN微波射频技术路线图（2020版）（87页）.pdf》由会员分享，可在线阅读，更多相关《第三代半导体产业技术创新战略联盟：GaN微波射频技术路线图（2020版）（87页）.pdf（87页珍藏版）》请在三个皮匠报告上搜索。

1、 第三代半导体微波射频技术路线图 （2020 年版） 第三代半导体产业技术创新战略联盟第三代半导体产业技术创新战略联盟 2020 年年 4 月月 GaN 微波射频技术路线图（微波射频技术路线图（2020 版）版） 编委会名单编委会名单 顾问：顾问： 郝跃、沈波、蔡树军、张乃千 统稿人：统稿人： 张进成 分报告主笔人：分报告主笔人： 衬底、外延组：张进成 器件组：张志国 封装模块组：张志国、于洪宇 应用技术组：钱洪途、黄伟 专利分析组：段小玲、汪勇 编委会成员（按姓氏笔画排序）编委会成员（按姓氏笔画排序）: 于坤山、于洪宇、毛维、刘爽、刘志宏、刘晓雨、阮军、朱航欧、何元浩、李仲扬、李刚、李小佳、

2、李娟、李海燕、汪青、汪勇、吴阿惠、张志国、张进成、杨兰芳、杨斌、杨学林、杨凌、房玉龙、周弘、郑雪峰、段小玲、郝玉蕾、郝建群、赵璐冰、钱洪途、黄伟、董毅敏、蔡道民 GaN 微波射频技术路线图（微波射频技术路线图（2020 版）版） 合作单位名单合作单位名单 高校（按笔画排序） ：高校（按笔画排序） ： 北京大学 西安电子科技大学 南方科技大学 复旦大学 厦门大学 科研院所（按笔画排序） ：科研院所（按笔画排序） ： 中国电子科技集团第十三研究所 陕西半导体与集成电路发展研究中心 深圳第三代半导体研究院 企业（按笔画排序） ：企业（按笔画排序） ： 北京华创智道知识产权咨询服务有限公司 北京国联万

3、众半导体科技有限公司 苏州能讯高能半导体有限公司 序言序言 随着 5G 网络应用的到来和国防军事领域的应用需求，特别是近期 5G 成为新基建的核心内容之一，预示着 GaN 微波射频市场将快速发展。2019 年是 5G 元年，全球已经有超过 100 个国家进行 5G 网络部署，美国、日本、韩国、中国及欧洲地区的 5G 部署进入落地阶段。5G 具有大容量、低时延、低功耗、高可靠性等特点，要求射频器件拥有更高的线性和更高的效率，相比现有的硅 LDMOS 和 GaAs解决方案，GaN 能够提供下一代高频电信网络所需要的功率和效能，将成为无线通信基站放大器的主流选择。 另外， GaN 基微波射频器件高频

4、、高功率的优点还特别适用于卫星通信、超宽频带通信（如有线电视） 、微波中继通信等各种商用无线通信领域。 我国是全球最大的移动通信市场，国内市场需求庞大，但国产器件渗透较低，高校和研究机构虽具备 GaN 微波射频技术积累，但仍存在不少技术问题亟待解决。因此联盟于 2019 年组织国内大学、科研院所、优势企业的知名教授、学者和专家，成立了编写小组，正式启动了第三代半导体微波射频技术路线图的编制工作。自编写工作开展以来，工作组多次召开编写研讨会，通过采取远程会议、专项会议讨论、专家咨询等多种方式，对初稿进行了反复修改。在全体工作组成员的共同努力下， 第三代半导体微波射频技术路线图 （2020版）终于

5、要正式发布。 本次发布的路线图，主要聚焦于微波射频领域，主要涉及民用商业方面 （无线基础设施如基站等、 无人驾驶、 卫星通信、 有线电视等）以及军事国防（包括相控雷达、电子对抗、导弹和无线电通信等）两大方面，由于时间和编写组成员所属专业领域的限制，肯定存在遗漏和谬误之处，希望各位读者批评指正，我们将在后续的版本中不断修订。我们希望通过对产业背景、产业发展和技术路线的分析和预判，为业内提供参考，为国内 GaN 微波射频产业发展提供支撑。 技术路线图的编写是一项纯公益事业， 在此郑重对所有积极参与技术路线图编写的顾问， 编委及组织团队所做的非常繁杂和艰辛的工作表示衷心的感谢！ 感谢专家团队的大力支

6、持！ 感谢张进成、 张志国、于洪宇、黄伟、钱洪途、蔡道民、董毅敏、吴阿惠、段小玲、汪青、汪勇等代表 4 个工作组执笔报告。感谢张进成统稿！感谢感谢西安电子科技大学、中国电科 13 所、复旦大学、南方科技大学、苏州能讯高能半导体有限公司、陕西半导体与集成电路发展研究中心、北京华创智道知识产权咨询服务有限公司等高校、 科研院所及企业的大力支持！这个过程全部是自愿自发！感谢大家的辛勤付出！感谢大家为了行业发展而自愿背负的压力及责任！因时间仓促和能力水平有限，不足之处还请批评指正！ 深信在国家的支持和推动下， 在第三代半导体同仁们的同心协办和共同奋斗下，我国第三代半导体技术及产业一定会实现快速发展，我

7、们的努力一定会为中国从制造大国发展到强国增添动力！ 吴 玲 第三代半导体产业技术创新战略联盟理事长 2020 年 5 月 I 目 录 1 产业及市场发展现状与趋势产业及市场发展现状与趋势 . 1 1.1 概述. 1 1.2 发展背景及产业现状 . 2 1.2.1 国外发展历程及典型企业 . 2 1.2.2 国内发展历程及典型机构 . 4 1.3 市场现状及预测 . 5 1.3.1 整体市场 . 5 1.3.2 细分应用 . 6 2 技术发展趋势分析技术发展趋势分析 . 9 2.1 衬底、外延技术发展趋势 . 10 2.1.1 技术发展驱动力综述 . 11 2.1.2 关键技术发展趋势 . 12

8、 2.2 器件技术发展趋势 . 25 2.2.1 技术发展驱动力综述 . 26 2.2.2 关键技术发展趋势 . 26 2.3 封装模块技术发展趋势 . 35 2.3.1 封装形式 . 35 2.3.2 技术发展驱动力综述 . 36 2.3.3 关键技术发展趋势 . 37 2.4 应用技术发展趋势分析 . 45 2.4.1 GaN 射频器件的现状 . 45 2.4.2 GaN 射频器件的发展趋势 . 47 2.4.3 GaN 射频器件应用的整体技术路线 . 49 II 2.4.4 民用通信领域技术路线 . 53 2.4.5 射频能量技术路线 . 55 2.4.6 军事国防领域技术路线 . 56

9、 2.4.7 其他细分领域技术路线 . 57 3 GaN 微波射频技术专利分析微波射频技术专利分析 . 58 3.1 专利数据简述 . 58 3.2 专利分析 . 59 3.2.1 专利态势分析 . 60 3.2.2 申请人分析 . 62 3.3 专利地图 . 64 3.4 结论. 65 4 产业技术路线图产业技术路线图 . 67 4.1 市场发展路线图 . 67 4.2 产品发展路线图 . 67 4.3 技术发展路线图 . 71 4.4 GaN 射频技术路线图总图 . 74 4.4.1 第一阶段（2022 年） . 75 4.4.2 第二阶段（2025 年） . 75 4.4.3 第三阶段（

10、2030 年） . 76 4.5 发展建议 . 77 1 1 产业及市场发展现状与趋势产业及市场发展现状与趋势 1.1 概述概述 以氮化镓（GaN）材料为基础的微波射频器件近年来得到蓬勃发展。与以硅（Si）为代表的第一代半导体材料、以砷化镓（GaAs）为代表的第二代半导体材料相比，第三代半导体 GaN 微波射频（RF）器件具有高输出功率、高效率、高频率、大带宽、可高温环境工作、抗辐照能力强等优良特性，是迄今为止最为理想的微波功率器件，因此成为 4G/5G 移动通信系统、新一代有源相控阵雷达等系统中首选的核心微波射频器件。 GaN 微波射频器件的典型器件结构是高电子迁移率晶体管（HEMT） 。自

11、从 1993 年美国南卡州立大学 Khan 报道了第一个具有直流特性的 GaN HEMT 电子器件以来， GaN 微波射频 HEMT 器件的学术研究和产业开发有了快速发展。GaN 微波功率器件在 2006 年后开始进行商业应用，目前正向更高频如 W 和 THz 波段发展；GaN 单片微波集成电路（MMIC）也在快速发展，产品的寿命也达到商业应用的标准。 在军事领域， GaN 射频功率器件主要应用于电子对抗、 相控阵雷达、精确制导、微波通信等领域。采用 GaN 器件的雷达，相比传统 Si器件和 GaAs 器件雷达，看的更远（超远距离探测） ，看的更清（反隐身） 。谁能更快更好的掌握 GaN 技术

12、，谁将掌握战场感知的主动权。 在民用领域，由于 GaN 器件能够在中低段频率和功率上全部覆 2 盖现有其它材料的半导体器件 （如图 1-1 所示） ， GaN 技术将是 5G 时代基站微波功率放大器（PA，power amplifier）的最佳选择。GaN 成为各国在 5G 时代争夺的核心器件技术制高点。 图 1-1 现有半导体材料在射频领域的能力对比 资料来源：Yole Development 1.2 发展背景及产业现状发展背景及产业现状 1.2.1 国外发展历程及主要企业国外发展历程及主要企业 国际上宽禁带半导体微波射频器件的研究始于 20 世纪 90 年代初。目前 GaN 已成为全球微波

13、射频半导体产业的前沿和热点，是各国竞相占领的战略技术制高点。 美国政府、学术界、工业界均对 GaN 微波射频器件高度重视。2002 年之前主要是学术界进行探索研究，1993 年南卡州立大学报道了国际上第一只 GaN HEMT 器件，1996 年美国 UCSB 大学报道了第一只具有微波特性的 GaN HEMT，2001 年美国报道了 SiC 基 GaN 射频微波器件在 10GHz 下功率密度达到 10.7W/mm。2002 年之后美国军方开始大力支持 GaN 射频器件研发，先后制定了两个庞大的研究 3 计划。2002 年，美国国防部先进研究项目局(DARPA，Defense Advanced R

14、esearch Projects Agency) 意识到 GaN 材料在微波/毫米波段领域的巨大潜力， 制定了“宽禁带半导体技术创新计划 （WBGSTI，Wide Bandgap Semiconductor Technology Initiative）”。到 2010 年，分三个阶段完成：开发高质量、大直径的 SiC 衬底；实现高效率、高可靠性、高性能的 GaN MMIC，并将其应用于几种类型的模块中；逐步将器件与电路模块应用于各种商用系统，包括雷达、智能武器、电子对抗和通信系统等， 最终实现工作频率达 40GHz， 工作寿命超千万小时的 GaN 微波射频器件。 为了把 GaN 技术再向前推进

15、一步， DARPA 其后又启动了“氮化物电子下一代技术计划 （NEXT， Nitride Electronic Next-Generation Technology）”。其目的是研发能够同时实现极高频率和电压的 GaN 制造工艺，并且该工艺能满足大规模集成的要求。NEXT 计划最终目标是实现适用于 500 GHz 高速混合信号处理的、 超过 1000 个晶体管的高良率 GaN（增强型/耗尽型模式）MMIC 技术。 日本新能源产业综合开发机构 （NEDO， New Energy and Industrial Science Development Organization）于 1999-2002

16、 年启动了“移动通讯和传感器领域 GaN 半导体器件应用开发区域性联合项目（Regional Consortim Project on Development of Nitride Semiconductor Electronic Devices for Mobile Communication and Sensors）”。此后，于 2002 年启动了“GaN 半导体低功耗高频器件开发计划 （Development of a Low-power High-frequency Device Using a Nitride Semiconductor）”。该计划的主要目的是开发 GaN 晶圆评价、

17、分析技术，在此基础上开发大 4 功率的微波 HEMT 及其制造技术， 最终目标是 2006 年底在 5 GHz 以及 26 GHz 下分别实现 200 W 以及 20 W 的射频输出。 欧洲防卫机构（EDA）于 2005 年启动了面向国防和商业应用的“Key Organization for Research on Integrated Circuits in GaN”（KORRIGAN）计划，涉及从衬底到模块的所有领域。KORRIGAN计划是在欧盟框架内组织一个大规模多国联合科研项目， 目的是创建一条独立的 GaN 微波器件供应链，为欧洲防务提供可靠的、最先进的 GaN 晶圆制造服务。而欧洲

18、航天局（ESA）资助的是面向高可靠航天应用的“GREAT2” 计划，侧重于提高 GaN 基器件在空间应用中的可靠性。 为了进一步提高 GaN HEMT 的散热， 欧洲还启动了 Advanced GaN packaging（AGAPAC）计划，目的是解决 GaN 基器件在空间卫星应用中的封装问题，在 2011 年底建立与空间应用兼容的 GaN 微波器件封装供应链。 国外GaN微波射频器件的主要厂商包括美国的雷神（Raytheon，主要是国防产品）、诺斯罗普 格鲁曼（Northrop Grmman，主要是国防产品）、Macom、Wolfspeed（Cree分拆，包括收购的Infineon RF部门

19、）、Qorvo、Skyworks、英国的BAE、法国的Ommic（提供代工，已被中国企业四川益丰电子收购）、荷兰的恩智浦（NXP）、日本住友（Sumitomo Electric）、韩国RFHIC等欧美以及亚洲厂商。另外，我国台湾地区的稳懋半导体（Win）可以提供代工服务。 1.2.2 国内发展历程及主要机构国内发展历程及主要机构 5 中国政府、 学术界对第三代半导体微波射频高度重视。 自 2001 年以来， 实施了一系列围绕第三代半导体材料和微波射频器件的重大研究计划，包括各种基金、基础研究国家级项目。 初期 SiC 和 GaN 微波射频器件同时研究，2008 年之后逐步演进为 GaN 主攻微

20、波射频器件、SiC 主攻电力电子器件的格局。也正是2001 年开始，西安电子科技大学、北京大学、中科院半导体所和微电子所、中国电科等单位进入 GaN 微波射频研究领域。2001 年研制出第一台国产 GaN 外延用 MOCVD 设备，2005 年实现了 4GHz 下功率密度 3.6W/mm 的 GaN 微波射频器件，2010 年开始投入应用验证，2011 年 GaN 微波射频器件功率附加效率（73%）达到同期国际最高水平。 在民用方面，L-Ku 波段的 GaN 微波射频器件已经开始进入应用阶段。以北京国联万众、苏州能讯、三安集成为代表的公司，已推出可规模化量产的产品，为移动通信基站开始批量供货。

21、在 GaN 射频器件代工方面， 三安集成也已经有成熟产品推向市场。 同时南京国博、南京三乐、云南凝慧、英诺赛科、海威华芯等也在积极布局 GaN 射频器件。 1.3 市场现状及预测市场现状及预测 1.3.1 整体市场整体市场 随着技术进步， GaN 微波射频器件市场快速发展。 过去三年， GaN微波射频器件在无线通信以及国防领域的市场年增长率超过了 20%。 6 根据 Yole 数据预测，2019 年全球 GaN 射频器件市场规模 5.37 亿美元（不含国防应用） ，预计 2023 年将达到 13.24 亿美元的市场规模。目前，国防应用的雷达、卫星和民用的通信基础设施应用占比 80%以上，随着

22、Si 基 GaN 微波射频器件技术的成熟和成本的进一步降低，手机等移动通信终端的市场比例有望快速上升。 1.3.2 细分应用细分应用 1.3.2.1 民用通信市场民用通信市场 民用通信市场是 GaN 射频器件的主战场， 也是未来 5 年内 GaN射频器件最大的增长点， 是 GaN 射频器件产业是否能成功转型成为成熟产业的关键所在。 民用通信市场可细分为基站业务和手机业务。 基站建设是 GaN 市场成长的主要驱动力之一。 据市场调研公司Yole 统计，2018 年基站领域 GaN 射频器件规模为 1.5 亿美元，占GaN 射频器件市场 33%的份额。5G 时代基站领域的射频器件将以GaN 器件为

23、主，随着 5G 通信的实施，2019-2020 年射频器件市场规模会出现明显增长，GaN 在射频器件市场中渗透率将持续提高。预计到 2023 年，基站中的 GaN 射频器件的市场规模将达到 5.21 亿美元，2018-2023 年期间年均复合增长率（CAGR）达到 28%。据 Yole预测，至 2025 年，GaAs 市场份额基本维持不变的情况下，GaN 有望替代大部分 Si LDMOS（Lateral double-diffused MOSFET，横向双扩散金属氧化物半导体场效应管）份额，占据射频器件市场约 50%的份额。 手机应用将为 GaN 提供新的市场增长点。Si 基 GaN 厂商的另

24、一 7 个目标市场是大规模消费类 5G 手机功放市场，GaN 器件大带宽的优势将能够合并放大器，减少其数量，从而减少手机系统的复杂度，降低成本，提高可靠性，如果成功，将在未来五年开辟新的市场机遇。但是受制于成本和供电电压过高的挑战，目前 GaN 功率放大器应用到手机还存在很多技术难题需要克服。如果引入新型异质结结构、降低材料的方阻和欧姆接触电阻， 实现低电压工作， GaN 射频器件将适合于手机应用，从而开辟一个新的巨大市场机会。 1.3.2.2 射频能量（射频能量（RF Energy）市场）市场 目前固态射频能源市场主要使用磁控管， 存在无法现场测量和改变输出能量、 强室内辐射和反射的能量的缺

25、点。 GaN 固态射频功放具有更高的效率、更优的控制能力，使用寿命比磁控管长 10 倍，具有更高的可靠性。 因此在微波炉、射频脉冲肿瘤消融/热疗、汽车点火等领域存在巨大的应用市场。以微波炉市场为例，估计每年全球微波炉的销量在7000万台以上。 消费品微波炉的传输功率范围大致在600W-1500W 之间，微波炉的总射频功率需求范围为 42GW-105GW。但是各厂商对应用的技术路线尚未明确， 其成熟产品的推出需要解决成本与应用市场相匹配的问题。这个市场预计未来 10 年内将迎来新的增长点。 1.3.2.3 军事国防市场军事国防市场 目前为止，在军用雷达、卫星领域，GaN 器件已经代替了大部分 G

26、aAs 和部分 Si LDMOS 及行波管，占据了大部分市场。随着新型 GaN 基有源电子扫描阵列（AESA）雷达系统的应用，基于 GaN 8 的军用雷达预计将主导 GaN 军品市场。 对于需要高频高输出的卫星通信应用，GaN 也有望逐步取代 GaAs 的解决方案。 9 2 技术发展趋势分析技术发展趋势分析 GaN 材料具有宽带隙、 高电子漂移速度、 高热导率、 耐高电压、耐高温、抗腐蚀、耐辐照等突出优点。GaN 材料制作的器件工作电压很高，所以能得到很高的功率密度。此外，GaN 材料体系易于形成如AlGaN/GaN 等异质结构，在异质结界面上存在极强的自发极化与压电极化效应， 诱导产生的二维

27、电子气 （2DEG） 的浓度高达 1013 cm-2，且同时具有高达 2000 cm2/Vs 的电子迁移率， 因此基于异质结构的晶体管往往又被称为高电子迁移率晶体管 （HEMT） 。 高电子迁移率的特性适合用来制作高频微波器件。 基于GaN的HEMT器件被认为是100 GHz 范围内最理想的微波功率器件， 另外目前国际上基于 InAlN/GaN异质结构的 HEMT 器件的截止频率已超过 400 GHz，已显示出其在更高频率如 THz 领域的应用潜力。 目前市场上比较成熟的产品为 SiC 基 GaN 射频器件，包括面向雷达应用的 UHF、L、S、C、X、Ku、K、Ka 波段功率放大器；面向通信基

28、站应用的 Sub-6GHz 功率放大器和毫米波功率放大器；以及面向射频能量的 2.45 GHz 功率晶体管。未来技术的重点发展趋势包括面向 5G 移动通信基站和终端应用的低成本、高性价比的 Si 基GaN 功率放大器和面向国防大功率高性能应用的金刚石基 GaN 功率放大器。 GaN 微波射频器件的关键技术包括：衬底和外延材料、器件、封装和应用技术，以下我们就从这四个方面具体分析 GaN 微波射频器件的发展趋势。 10 2.1 衬底、外延技术发展趋势衬底、外延技术发展趋势 基于 SiC、Si 等异质衬底外延材料制备的 GaN 微波射频器件是当前及未来一段时期的主要选择，而大尺寸 4-6 英寸半绝

29、缘 GaN 自支撑衬底技术还未成熟，而且成本高，尺寸小，技术提升和成本降低周期更长，所以短期内用于 GaN 微波射频领域的希望不大。金刚石基 GaN 微波射频器件由于散热好，可应用在高功率密度情况下，备受关注，但是大尺寸金刚石衬底还很不成熟，有待进一步发展。 SiC 基 GaN 材料外延生长技术相对成熟。材料缺陷和位错密度小，方块电阻、迁移率等电学参数最好，SiC 衬底导热性好，适合于大功率应用，衬底电阻率高降低了射频损耗，因此 SiC 基 GaN 微波射频器件成为目前市场的绝对主流。 Si 基 GaN 材料外延生长因其具备低成本潜力被寄予厚望。尤其是大尺寸的 Si 衬底成本比 SiC 低很多

30、，但是目前尚未开始大规模应用，主要原因是外延材料缺陷和位错密度较高，外延片翘曲影响加工成品率，衬底和外延层射频损耗较大。随着技术的不断成熟，以及手机终端、微波炉等应用 GaN 射频器件的需求不断加大，6-8 英寸低成本 Si 基 GaN 材料外延技术已经成为近年来微波射频领域关注的热点及重要发展趋势。 金刚石基 GaN 材料外延生长成为前瞻性研究热点。由于金刚石衬底极佳的导热性能，国外研究报道，金刚石基 GaN 器件的输出功率密度是 SiC 衬底器件的 3 倍以上，在国防应用的大功率微波功率 11 放大器方面具有很大的优势，因此金刚石衬底制备及外延生长 GaN也是近年来一个重要发展方向。 2.

31、1.1 技术发展驱动力综述技术发展驱动力综述 国防和军用市场对微波射频器件的大功率和高效率性能的迫切需求促进了 SiC 基 GaN 和金刚石基 GaN 外延技术的发展；民用无线通信基站、移动通信终端的低成本的需求促进了大尺寸 Si 基 GaN 外延材料的开发。从成本角度考虑，大尺寸 Si 基 GaN 外延材料的开发在未来几年是发展重点。现有 Si 基 GaN 外延材料的缺陷密度普遍在109cm-2量级，SiC 基 GaN 外延材料的缺陷密度比 Si 基大约低 1-2 个量级，未来为了进一步降低 GaN 外延材料的缺陷密度和提高器件的长期可靠性，开发 GaN 自支撑衬底技术和 GaN 同质外延技

32、术也是选择之一。 目前 SiC 基的 GaN 微波射频器件产品的工作电压一般在 20V-60 V，更高电压的产品面对散热的压力，需要开发具有更高导热性能的金刚石基 GaN 材料。低工作电压的产品（5 V）一般应用于手机等移动通信终端，需要开发大尺寸的 Si 基 GaN 材料技术。面向 5G 移动通信的毫米波通信频段，几种衬底的 GaN 外延材料均可胜任。但是面向未来 6G 移动通信的太赫兹通信频段， 目前只有 SiC 基 GaN 材料满足要求，Si 基 GaN 材料需要进一步提高质量。从封装散热的角度出发，Si 基 GaN 的衬底热导率较低，对封装散热的要求比较高，尤其是对于大功率的放大器。

33、对器件的能量转换效率性能的要求促使GaN 外延材料生长技术的进一步提高， 以降低面电阻和提高材料的导 12 热率。 同时为了提升器件的增益、 线性度、 频率等指标， InAlN/GaN、InAlGaN/GaN、AlN/GaN 等各种新型 GaN 异质结构材料外延也是重要的发展方向。从目前的产品来看，SiC 基、Si 基和金刚石基 GaN 外延材料制备的微波射频器件的可靠性均能满足应用需求。 2.1.2 关键技术发展趋势关键技术发展趋势 下面列出了 SiC 基 GaN 外延、Si 基 GaN 外延、GaN 自支撑衬底同质外延材料的关键指标和参数发展趋势。 2.1.2.1 SiC 基基 GaN 衬

34、底及外延材料衬底及外延材料 SiC 基 GaN 材料的器件散热性能上最具优势， 适合应用在高温、高频的领域，因此在大功率输出的雷达、卫星、5G 基站具有广阔的应用前景。 2.1.2.1.1 半绝缘半绝缘 SiC 衬底材料衬底材料 半绝缘SiC单晶是制备GaN 微波射频器件的衬底材料。 高功率、高频器件需要使用半绝缘 SiC 衬底材料， 以达到低射频损耗和低器件寄生响应。要使生长的 SiC 单晶具有半绝缘电学性质，有两种生长方法：高纯半绝缘单晶生长和掺杂半绝缘单晶生长。 相比于蓝宝石（Sapphire，Al2O3）衬底和 Si 衬底，SiC 衬底与GaN 之间有更小的晶格失配和热失配，因此 Si

35、C 衬底上的 GaN 薄膜有更低的缺陷密度、更低的翘曲度和更高的材料性能。目前主流的半绝缘 SiC 衬底是 4-6 英寸，并逐步向 8 英寸发展。预计到 2020 年，4英寸半绝缘衬底的市场保持在 4 万片， 而 6 英寸半绝缘衬底的市场迅 13 速提升至 4-5 万片；2025-2030 年，4 英寸半绝缘衬底逐渐退出市场，而 6 英寸衬底将增长至 20 万片。 国际上半绝缘 SiC 单晶衬底材料的产业化公司主要有美国科锐（Cree）、美国贰陆（II-VI）、德国 SiCrystal（被日本罗姆 Rohm 收购）、瑞典 Norstel（被意法半导体 ST 收购）等公司，其半绝缘 SiC衬底产

36、品覆盖 4 英寸和 6 英寸。国内主要半绝缘 SiC 单晶衬底材料的产业化公司主要包括山东天岳、北京天科合达、河北同光、中国电科 2 所、46 所等，已经开发出成熟的 4 英寸半绝缘 SiC 单晶衬底产品，并已经研发出 6 英寸衬底样品。 目前，对于 4 英寸半绝缘 SiC 衬底，其单价约为 1-1.5 万元人民币。随着大尺寸 SiC 晶圆生长技术的成熟，单位面积成本会进一步降低。 问题与挑战问题与挑战 国产大尺寸 SiC 衬底已经取得明显的进步， 目前有多家企业可提供批量供货，但是与国际先进水平还存在明显差距。主要表现在 6-8英寸 SiC 衬底的研发水平进度滞后，4 英寸量产产品还存在成品

37、率不高、片内均匀性以及批次一致性、稳定性等问题，以及因为成品率低等引起的成本偏高等问题。 因此未来需要发展大尺寸 SiC 衬底技术的同时降低衬底的成本、提升衬底的质量一致性与成品率。 潜在解决方案潜在解决方案 半绝缘 SiC 衬底性能的提升主要依赖于 SiC 单晶生长炉的改进、高纯碳粉和硅粉的制备、SiC 单晶生长工艺的自动精确控制等。进一 14 步需要在晶体生长炉的温度场设计与实现、 高纯碳粉硅粉以及低缺陷密度籽晶的制备、大尺寸单晶生长工艺与低缺陷密度的综合控制、消除残余应力的厚单晶生长工艺开发、SiC 衬底切磨抛工艺以及大尺寸衬底的 Epi-ready 制备工艺等方面进一步进行技术攻关。

38、2.1.2.1.2 SiC 基基 GaN 外延材料外延材料 对于 SiC 基 GaN，如何不断提升功率、效率、增益、线性度、可靠性等器件指标是永恒的话题， 也是各家企业长期保持其竞争力的关键。 从当前微波射频器件的应用频段来看， 器件制备工艺方面， 0.5m、0.25m、0.15/0.1m 等三代工艺会是长期的主流，而且各家企业均已基本掌握。因此未来 SiC 基 GaN 器件指标不断提升很难继续依靠制备工艺，主要技术途径将是新型异质结构材料外延、器件关键工艺、新型器件结构等。 特别是新型异质结构材料外延已经成为近年来各家公司产品性能升级换代的主要途径。 如降低缓冲层厚度可以大大提升散热特性，已

39、从过去的 2m 降低到 1m、500nm 甚至 300nm。如InAlN/GaN、InAlGaN/GaN 以及多异质结构材料外延技术，已在日本住友、德国 UMS 等公司开始规模化使用。如采用超晶格结构生长的AlGaN势垒层， 栅极漏电可降低1-2个数量级， 有效提升了器件效率。 问题与挑战问题与挑战 SiC 基 GaN 外延技术上，面临的挑战包括在高工作温度下仍保持良好高阻特性的缓冲层、 从室温到高温下保持高迁移率的二维电子气、异质结构的精细优化、高一致性和高均匀性的材料生长工艺以及各种新型异质结构的设计与生长。实现高阻的缓冲层，以获得低射频 15 损耗的器件；同时要设计更合理的外延结构和新型

40、异质结构，以获得高的频率、 高线性度、 功率性能和可靠性。 相比于 Si 和蓝宝石衬底，SiC 基 GaN 在外延厚度上面临的挑战较小，主要在于需合理控制多层结构外延材料间的应力问题、漏电问题和陷阱问题。目前，SiC 基GaN 的位错密度相比于 Si 和蓝宝石衬底外延的 GaN 要低一些，但由于晶格失配导致的位错密度仍然高达 108 cm-2，面临的主要问题仍然是提高异质外延的材料质量和调控二维电子气的分布， 抑制器件在高温高压下的漏电及其性能退化。 需要进一步通过材料结构的精细化设计，通过应力调整与缺陷控制，提高材料质量的同时获得更高电学性能的异质结外延材料， 并通过与器件工艺的反复迭代优化

41、以获得最佳器件性能的外延材料结构。 潜在解决方案潜在解决方案 急需将以材料性能提升为核心的材料结构设计与工艺优化研究转变为以器件性能提升为核心的材料结构设计与工艺优化研究， 这是重要的理念转变。 在材料研究者眼中最好的材料并不见得可以获得最佳的器件性能， 因为迄今为止尚未建立材料结构参数、 生长工艺参数、材料性能指标与器件性能指标之间的稳定依赖关系， 因此围绕一种器件性能指标的获得，需要对材料结构和工艺进行大量迭代实验优化，也可能存在多种材料方案，因此长期来看，很难出现一种标准化的GaN 外延材料结构。 当然， 从材料角度， 仍存在很多明确的优化方向。为获得低缓冲层射频损耗，需要对 GaN 缓

42、冲层进行铁或碳的补偿掺杂， 通过杂质补偿作用实现高阻缓冲层。 AlGaN 背势垒结构也通常被 16 用来提高器件的高温电特性、微分输出阻抗和功率增益特性，提高AlGaN 势垒层材料的生长质量， 减小铁和碳掺杂引起的深能级陷阱的引入和电流崩坍效应，满足新型异质结构对高质量 AlGaN 的需求。优化外延层的生长结构，通过超晶格等插入层控制薄膜中的应力。采用高温 MOCVD 设备， 提高 AlN 及高 Al 组分 AlGaN 层的生长质量。 2.1.2.2 Si 基基 GaN 衬底及外延材料衬底及外延材料 2.1.2.2.1 高阻高阻 Si 衬底材料衬底材料 由于 GaN 射频器件中的 GaN 及其

43、他 III 族氮化物都是纤锌矿结构，Si 的（111）面在晶格对称性上与氮化物的 c 面兼容，通常以 Si的（111）面外延氮化物材料。另外不同于电力电子器件，考虑到衬底导电性带来的射频损耗， Si基GaN射频器件的Si衬底要求高阻特性，阻值越高，射频损耗越小。一般来说，Si 基 GaN 的 Si 衬底的电阻率要求在 5000 cm 以上。 单晶 Si 衬底有两种基本的制备方法:直拉法 （CZ） 和区熔 （FZ）法。直拉法制备的单晶 Si 衬底 C、氧杂质浓度比较高，纯度容易受到坩埚污染，电阻率比较低并且不均匀，适合于制备中低电阻率（50%（5.8GHz） 。国内目前海威华芯具备 6 英寸 S

44、i 基射频器件量产能力，目前量产的产品主要是面向 5G 移动通信的微基站应用，频率应用范围覆盖 6GHz 以下，输出功率 2-20W；其正在开发的 Si 基 GaN 栅长 0.15m GaN HEMT工艺已经取得突破性进展， 器件功率增益截止频率fmax达到180GHz，40GHz 下功率负载牵引扫描，峰值输出功率密度达到 1W/mm，该工艺可以应用于 5G 通信高频段。此外，公开报道中提到已有 6 英寸 Si基功率 GaN 器件工艺的三安集成正在开发 6 英寸 Si 基 GaN 射频器件工艺。 学术界方面，传统 AlGaN/GaN 外延结构中，中科院苏州纳米所在势垒层掺入少量 In，大幅提高

45、载子迁移率，搭配 55nm 栅长，截止频率达 145/220GHz（fT/fmax） 。我国台湾国立清华大学使用欧姆/肖特基复合漏极，提高器件跨导（Gm）与降低栅极-漏极电阻（Rgd） ，搭 31 配 0.2m 栅极长， 截止频率达 49.1/49.9GHz （fT/fmax） 。 德国 Fraunhofer IAF 在 Si 基板生长 SiC，再进行 GaN 等外延，搭配无金欧姆接触工艺 （Rc =0.13/mm） 与 80nm 栅极长， 截止频率达 70/176GHz （fT/fmax） 。此外， InAlN 势垒层因与 GaN 晶格常数匹配且有较佳极化系数， 逐渐吸引研究团队开发。我国台

46、湾国立清华大学 InAlN/GaN 外延结构搭配 0.11m 栅极长，截止频率达 60/101GHz（fT/fmax） 。瑞士苏黎世联邦理工学院 AlInN/GaN 外延结构搭配再生长的重 N 型掺杂欧姆接触（Rc=0.22/mm） 与 50nm 栅极长， 工作频率达 141/232GHz （fT/fmax） ，输出功率1.35W/mm （94GHz） ， PAE 12% （94GHz） 。 新加坡SMART使用 AlInN/GaN 外延结构搭配再生长的重 N 型掺杂欧姆接触（Rc=0.2/mm） 、短源极-漏极长度（0.3m-0.7m） 、40nm 栅极长，截止频率达 250/600GHz（

47、fT/fmax） ，为已报导的 Si 基 GaN 射频器件最高的截止频率。此外，鱼鳍栅极器件近年已证实可改善器件线性度，代表性开发团队为新加坡 SMART，其结合介电层的鱼鳍栅极器件有较宽的等效通道宽度，成功改善线性度。搭配 80nm 栅极长，截止频率 68GHz（fT） ，OIP3 达 39dBm（相同长度的水平器件，截止频率129GHz （fT） ， OIP3为28dBm） 。 德国Fraunhofer IAF也演示了AlN/GaN鱼鳍栅极器件制备的 1.5W MMIC，栅极长 100nm，因具有较佳的栅极控制能力提高器件跨导， 截止频率达 120/300GHz （fT/fmax） ， P

48、AE 8%（86 GHz -94GHz） 。 问题与挑战问题与挑战 近年在线性度方面突破的 GaN 器件通常为三维鱼鳍结构，然而 32 该结构引入过多寄生电容， 通常工作频率不如平面器件， 且工艺复杂。场板虽然证实可改善 DC-RF 色散问题与漏极-栅极寄生电容，但引入额外电容导致器件工作频率下降。 商业化产品通常同时提供有场板与无场板方案， 有场板器件用以提高工作电压及抑制器件的电流崩塌效应而非提高 PAE（功率附加效率） 。一般提高 PAE 方式： （1）提高器件的栅极肖特基接触质量，降低器件的栅极泄漏电流； （2）改善欧姆接触电阻与钝化层，但低欧姆接触的工艺通常需额外掺杂或再生长，较为复

49、杂，且掺杂深度及浓度难以控制，会产生附加的漏电通道，降低器件的击穿电压。另外氧化物与 GaN 形成的氧化镓会在界面产生深级能态， 因此常见用于半导体的氧化物(如氧化铝、 氧化硅或氧化铪等)通常不适合用于器件钝化层，目前最广为使用的钝化层为氮化硅。 潜在解决方案潜在解决方案 在线性度方面，有别于改善源栅间的沟道电阻与三维器件，以工艺方式使器件具备多个不同开启电压的寄生器件并联，可使器件 Gm-Vg曲线平坦化， 例如西安电子科大使用光刻与刻蚀工艺实现具有梯度厚度的势垒层，等效于多个不同势垒层厚度的器件并联。钝化工艺方面，氮化铝已证实可提供较氮化硅更佳的钝化，目前质量足够用于钝化的氮化铝仅能用电浆辅

50、助原子层沉积生长，沉积速率不利于生产。 2、 器件结构器件结构 发展趋势发展趋势 由于 GaN 射频器件漏极耐压通常不高，为追求低接入电阻与低载流子沟道延时，器件的栅极长度、源栅间距、栅漏间距等尽可能的 33 微缩，通常相应尺寸分别为小于 500 nm、小于 1 m、小于 5 m，且通常使用 T 形栅极结构。 此外， 毫米波器件为避免细栅时的短沟道效应（例如开启电压降低与关态漏电提高） ，势垒层厚度也需减薄至10nm 以下，以增强栅极对沟道电子的控制能力，提高跨导。为进一步降低关态漏电，引入背势垒层结构，将电子限制于异质结的三角形量子阱附近，以提高跨导。早期部分团队亦利用缓冲层的梯度掺杂实现类