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1、 第三代半導體微波射頻技術路線圖 （2020 年版） 第三代半導體產業技術創新戰略聯盟第三代半導體產業技術創新戰略聯盟 2020 年年 4 月月 GaN 微波射頻技術路線圖（微波射頻技術路線圖（2020 版）版） 編委會名單編委會名單 顧問：顧問： 郝躍、沈波、蔡樹軍、張乃千 統稿人：統稿人： 張進成 分報告主筆人：分報告主筆人： 襯底、外延組：張進成 器件組：張志國 封裝模塊組：張志國、于洪宇 應用技術組：錢洪途、黃偉 專利分析組：段小玲、汪勇 編委會成員（按姓氏筆畫排序）編委會成員（按姓氏筆畫排序）: 于坤山、于洪宇、毛維、劉爽、劉志宏、劉曉雨、阮軍、朱航歐、何元浩、李仲揚、李剛、李小佳、

2、李娟、李海燕、汪青、汪勇、吳阿惠、張志國、張進成、楊蘭芳、楊斌、楊學林、楊凌、房玉龍、周弘、鄭雪峰、段小玲、郝玉蕾、郝建群、趙璐冰、錢洪途、黃偉、董毅敏、蔡道民 GaN 微波射頻技術路線圖（微波射頻技術路線圖（2020 版）版） 合作單位名單合作單位名單 高校（按筆畫排序） ：高校（按筆畫排序） ： 北京大學 西安電子科技大學 南方科技大學 復旦大學 廈門大學 科研院所（按筆畫排序） ：科研院所（按筆畫排序） ： 中國電子科技集團第十三研究所 陜西半導體與集成電路發展研究中心 深圳第三代半導體研究院 企業（按筆畫排序） ：企業（按筆畫排序） ： 北京華創智道知識產權咨詢服務有限公司 北京國聯萬

3、眾半導體科技有限公司 蘇州能訊高能半導體有限公司 序言序言 隨著 5G 網絡應用的到來和國防軍事領域的應用需求，特別是近期 5G 成為新基建的核心內容之一，預示著 GaN 微波射頻市場將快速發展。2019 年是 5G 元年，全球已經有超過 100 個國家進行 5G 網絡部署，美國、日本、韓國、中國及歐洲地區的 5G 部署進入落地階段。5G 具有大容量、低時延、低功耗、高可靠性等特點，要求射頻器件擁有更高的線性和更高的效率，相比現有的硅 LDMOS 和 GaAs解決方案，GaN 能夠提供下一代高頻電信網絡所需要的功率和效能，將成為無線通信基站放大器的主流選擇。 另外， GaN 基微波射頻器件高頻

4、、高功率的優點還特別適用于衛星通信、超寬頻帶通信（如有線電視） 、微波中繼通信等各種商用無線通信領域。 我國是全球最大的移動通信市場，國內市場需求龐大，但國產器件滲透較低，高校和研究機構雖具備 GaN 微波射頻技術積累，但仍存在不少技術問題亟待解決。因此聯盟于 2019 年組織國內大學、科研院所、優勢企業的知名教授、學者和專家，成立了編寫小組，正式啟動了第三代半導體微波射頻技術路線圖的編制工作。自編寫工作開展以來，工作組多次召開編寫研討會，通過采取遠程會議、專項會議討論、專家咨詢等多種方式，對初稿進行了反復修改。在全體工作組成員的共同努力下， 第三代半導體微波射頻技術路線圖 （2020版）終于

5、要正式發布。 本次發布的路線圖，主要聚焦于微波射頻領域，主要涉及民用商業方面 （無線基礎設施如基站等、 無人駕駛、 衛星通信、 有線電視等）以及軍事國防（包括相控雷達、電子對抗、導彈和無線電通信等）兩大方面，由于時間和編寫組成員所屬專業領域的限制，肯定存在遺漏和謬誤之處，希望各位讀者批評指正，我們將在后續的版本中不斷修訂。我們希望通過對產業背景、產業發展和技術路線的分析和預判，為業內提供參考，為國內 GaN 微波射頻產業發展提供支撐。 技術路線圖的編寫是一項純公益事業， 在此鄭重對所有積極參與技術路線圖編寫的顧問， 編委及組織團隊所做的非常繁雜和艱辛的工作表示衷心的感謝！ 感謝專家團隊的大力支

6、持！ 感謝張進成、 張志國、于洪宇、黃偉、錢洪途、蔡道民、董毅敏、吳阿惠、段小玲、汪青、汪勇等代表 4 個工作組執筆報告。感謝張進成統稿！感謝感謝西安電子科技大學、中國電科 13 所、復旦大學、南方科技大學、蘇州能訊高能半導體有限公司、陜西半導體與集成電路發展研究中心、北京華創智道知識產權咨詢服務有限公司等高校、 科研院所及企業的大力支持！這個過程全部是自愿自發！感謝大家的辛勤付出！感謝大家為了行業發展而自愿背負的壓力及責任！因時間倉促和能力水平有限，不足之處還請批評指正！ 深信在國家的支持和推動下， 在第三代半導體同仁們的同心協辦和共同奮斗下，我國第三代半導體技術及產業一定會實現快速發展，我

7、們的努力一定會為中國從制造大國發展到強國增添動力！ 吳 玲 第三代半導體產業技術創新戰略聯盟理事長 2020 年 5 月 I 目 錄 1 產業及市場發展現狀與趨勢產業及市場發展現狀與趨勢 . 1 1.1 概述. 1 1.2 發展背景及產業現狀 . 2 1.2.1 國外發展歷程及典型企業 . 2 1.2.2 國內發展歷程及典型機構 . 4 1.3 市場現狀及預測 . 5 1.3.1 整體市場 . 5 1.3.2 細分應用 . 6 2 技術發展趨勢分析技術發展趨勢分析 . 9 2.1 襯底、外延技術發展趨勢 . 10 2.1.1 技術發展驅動力綜述 . 11 2.1.2 關鍵技術發展趨勢 . 12

8、 2.2 器件技術發展趨勢 . 25 2.2.1 技術發展驅動力綜述 . 26 2.2.2 關鍵技術發展趨勢 . 26 2.3 封裝模塊技術發展趨勢 . 35 2.3.1 封裝形式 . 35 2.3.2 技術發展驅動力綜述 . 36 2.3.3 關鍵技術發展趨勢 . 37 2.4 應用技術發展趨勢分析 . 45 2.4.1 GaN 射頻器件的現狀 . 45 2.4.2 GaN 射頻器件的發展趨勢 . 47 2.4.3 GaN 射頻器件應用的整體技術路線 . 49 II 2.4.4 民用通信領域技術路線 . 53 2.4.5 射頻能量技術路線 . 55 2.4.6 軍事國防領域技術路線 . 56

9、 2.4.7 其他細分領域技術路線 . 57 3 GaN 微波射頻技術專利分析微波射頻技術專利分析 . 58 3.1 專利數據簡述 . 58 3.2 專利分析 . 59 3.2.1 專利態勢分析 . 60 3.2.2 申請人分析 . 62 3.3 專利地圖 . 64 3.4 結論. 65 4 產業技術路線圖產業技術路線圖 . 67 4.1 市場發展路線圖 . 67 4.2 產品發展路線圖 . 67 4.3 技術發展路線圖 . 71 4.4 GaN 射頻技術路線圖總圖 . 74 4.4.1 第一階段（2022 年） . 75 4.4.2 第二階段（2025 年） . 75 4.4.3 第三階段（

10、2030 年） . 76 4.5 發展建議 . 77 1 1 產業及市場發展現狀與趨勢產業及市場發展現狀與趨勢 1.1 概述概述 以氮化鎵（GaN）材料為基礎的微波射頻器件近年來得到蓬勃發展。與以硅（Si）為代表的第一代半導體材料、以砷化鎵（GaAs）為代表的第二代半導體材料相比，第三代半導體 GaN 微波射頻（RF）器件具有高輸出功率、高效率、高頻率、大帶寬、可高溫環境工作、抗輻照能力強等優良特性，是迄今為止最為理想的微波功率器件，因此成為 4G/5G 移動通信系統、新一代有源相控陣雷達等系統中首選的核心微波射頻器件。 GaN 微波射頻器件的典型器件結構是高電子遷移率晶體管（HEMT） 。自

11、從 1993 年美國南卡州立大學 Khan 報道了第一個具有直流特性的 GaN HEMT 電子器件以來， GaN 微波射頻 HEMT 器件的學術研究和產業開發有了快速發展。GaN 微波功率器件在 2006 年后開始進行商業應用，目前正向更高頻如 W 和 THz 波段發展；GaN 單片微波集成電路（MMIC）也在快速發展，產品的壽命也達到商業應用的標準。 在軍事領域， GaN 射頻功率器件主要應用于電子對抗、 相控陣雷達、精確制導、微波通信等領域。采用 GaN 器件的雷達，相比傳統 Si器件和 GaAs 器件雷達，看的更遠（超遠距離探測） ，看的更清（反隱身） 。誰能更快更好的掌握 GaN 技術

12、，誰將掌握戰場感知的主動權。 在民用領域，由于 GaN 器件能夠在中低段頻率和功率上全部覆 2 蓋現有其它材料的半導體器件 （如圖 1-1 所示） ， GaN 技術將是 5G 時代基站微波功率放大器（PA，power amplifier）的最佳選擇。GaN 成為各國在 5G 時代爭奪的核心器件技術制高點。 圖 1-1 現有半導體材料在射頻領域的能力對比 資料來源：Yole Development 1.2 發展背景及產業現狀發展背景及產業現狀 1.2.1 國外發展歷程及主要企業國外發展歷程及主要企業 國際上寬禁帶半導體微波射頻器件的研究始于 20 世紀 90 年代初。目前 GaN 已成為全球微波

13、射頻半導體產業的前沿和熱點，是各國競相占領的戰略技術制高點。 美國政府、學術界、工業界均對 GaN 微波射頻器件高度重視。2002 年之前主要是學術界進行探索研究，1993 年南卡州立大學報道了國際上第一只 GaN HEMT 器件，1996 年美國 UCSB 大學報道了第一只具有微波特性的 GaN HEMT，2001 年美國報道了 SiC 基 GaN 射頻微波器件在 10GHz 下功率密度達到 10.7W/mm。2002 年之后美國軍方開始大力支持 GaN 射頻器件研發，先后制定了兩個龐大的研究 3 計劃。2002 年，美國國防部先進研究項目局(DARPA，Defense Advanced R

14、esearch Projects Agency) 意識到 GaN 材料在微波/毫米波段領域的巨大潛力， 制定了“寬禁帶半導體技術創新計劃 （WBGSTI，Wide Bandgap Semiconductor Technology Initiative）”。到 2010 年，分三個階段完成：開發高質量、大直徑的 SiC 襯底；實現高效率、高可靠性、高性能的 GaN MMIC，并將其應用于幾種類型的模塊中；逐步將器件與電路模塊應用于各種商用系統，包括雷達、智能武器、電子對抗和通信系統等， 最終實現工作頻率達 40GHz， 工作壽命超千萬小時的 GaN 微波射頻器件。 為了把 GaN 技術再向前推進

15、一步， DARPA 其后又啟動了“氮化物電子下一代技術計劃 （NEXT， Nitride Electronic Next-Generation Technology）”。其目的是研發能夠同時實現極高頻率和電壓的 GaN 制造工藝，并且該工藝能滿足大規模集成的要求。NEXT 計劃最終目標是實現適用于 500 GHz 高速混合信號處理的、 超過 1000 個晶體管的高良率 GaN（增強型/耗盡型模式）MMIC 技術。 日本新能源產業綜合開發機構 （NEDO， New Energy and Industrial Science Development Organization）于 1999-2002

16、 年啟動了“移動通訊和傳感器領域 GaN 半導體器件應用開發區域性聯合項目（Regional Consortim Project on Development of Nitride Semiconductor Electronic Devices for Mobile Communication and Sensors）”。此后，于 2002 年啟動了“GaN 半導體低功耗高頻器件開發計劃 （Development of a Low-power High-frequency Device Using a Nitride Semiconductor）”。該計劃的主要目的是開發 GaN 晶圓評價、

17、分析技術，在此基礎上開發大 4 功率的微波 HEMT 及其制造技術， 最終目標是 2006 年底在 5 GHz 以及 26 GHz 下分別實現 200 W 以及 20 W 的射頻輸出。 歐洲防衛機構（EDA）于 2005 年啟動了面向國防和商業應用的“Key Organization for Research on Integrated Circuits in GaN”（KORRIGAN）計劃，涉及從襯底到模塊的所有領域。KORRIGAN計劃是在歐盟框架內組織一個大規模多國聯合科研項目， 目的是創建一條獨立的 GaN 微波器件供應鏈，為歐洲防務提供可靠的、最先進的 GaN 晶圓制造服務。而歐洲

18、航天局（ESA）資助的是面向高可靠航天應用的“GREAT2” 計劃，側重于提高 GaN 基器件在空間應用中的可靠性。 為了進一步提高 GaN HEMT 的散熱， 歐洲還啟動了 Advanced GaN packaging（AGAPAC）計劃，目的是解決 GaN 基器件在空間衛星應用中的封裝問題，在 2011 年底建立與空間應用兼容的 GaN 微波器件封裝供應鏈。 國外GaN微波射頻器件的主要廠商包括美國的雷神（Raytheon，主要是國防產品）、諾斯羅普 格魯曼（Northrop Grmman，主要是國防產品）、Macom、Wolfspeed（Cree分拆，包括收購的Infineon RF部門

19、）、Qorvo、Skyworks、英國的BAE、法國的Ommic（提供代工，已被中國企業四川益豐電子收購）、荷蘭的恩智浦（NXP）、日本住友（Sumitomo Electric）、韓國RFHIC等歐美以及亞洲廠商。另外，我國臺灣地區的穩懋半導體（Win）可以提供代工服務。 1.2.2 國內發展歷程及主要機構國內發展歷程及主要機構 5 中國政府、 學術界對第三代半導體微波射頻高度重視。 自 2001 年以來， 實施了一系列圍繞第三代半導體材料和微波射頻器件的重大研究計劃，包括各種基金、基礎研究國家級項目。 初期 SiC 和 GaN 微波射頻器件同時研究，2008 年之后逐步演進為 GaN 主攻微

20、波射頻器件、SiC 主攻電力電子器件的格局。也正是2001 年開始，西安電子科技大學、北京大學、中科院半導體所和微電子所、中國電科等單位進入 GaN 微波射頻研究領域。2001 年研制出第一臺國產 GaN 外延用 MOCVD 設備，2005 年實現了 4GHz 下功率密度 3.6W/mm 的 GaN 微波射頻器件，2010 年開始投入應用驗證，2011 年 GaN 微波射頻器件功率附加效率（73%）達到同期國際最高水平。 在民用方面，L-Ku 波段的 GaN 微波射頻器件已經開始進入應用階段。以北京國聯萬眾、蘇州能訊、三安集成為代表的公司，已推出可規?；慨a的產品，為移動通信基站開始批量供貨。

21、在 GaN 射頻器件代工方面， 三安集成也已經有成熟產品推向市場。 同時南京國博、南京三樂、云南凝慧、英諾賽科、海威華芯等也在積極布局 GaN 射頻器件。 1.3 市場現狀及預測市場現狀及預測 1.3.1 整體市場整體市場 隨著技術進步， GaN 微波射頻器件市場快速發展。 過去三年， GaN微波射頻器件在無線通信以及國防領域的市場年增長率超過了 20%。 6 根據 Yole 數據預測，2019 年全球 GaN 射頻器件市場規模 5.37 億美元（不含國防應用） ，預計 2023 年將達到 13.24 億美元的市場規模。目前，國防應用的雷達、衛星和民用的通信基礎設施應用占比 80%以上，隨著

22、Si 基 GaN 微波射頻器件技術的成熟和成本的進一步降低，手機等移動通信終端的市場比例有望快速上升。 1.3.2 細分應用細分應用 1.3.2.1 民用通信市場民用通信市場 民用通信市場是 GaN 射頻器件的主戰場， 也是未來 5 年內 GaN射頻器件最大的增長點， 是 GaN 射頻器件產業是否能成功轉型成為成熟產業的關鍵所在。 民用通信市場可細分為基站業務和手機業務。 基站建設是 GaN 市場成長的主要驅動力之一。 據市場調研公司Yole 統計，2018 年基站領域 GaN 射頻器件規模為 1.5 億美元，占GaN 射頻器件市場 33%的份額。5G 時代基站領域的射頻器件將以GaN 器件為

23、主，隨著 5G 通信的實施，2019-2020 年射頻器件市場規模會出現明顯增長，GaN 在射頻器件市場中滲透率將持續提高。預計到 2023 年，基站中的 GaN 射頻器件的市場規模將達到 5.21 億美元，2018-2023 年期間年均復合增長率（CAGR）達到 28%。據 Yole預測，至 2025 年，GaAs 市場份額基本維持不變的情況下，GaN 有望替代大部分 Si LDMOS（Lateral double-diffused MOSFET，橫向雙擴散金屬氧化物半導體場效應管）份額，占據射頻器件市場約 50%的份額。 手機應用將為 GaN 提供新的市場增長點。Si 基 GaN 廠商的另

24、一 7 個目標市場是大規模消費類 5G 手機功放市場，GaN 器件大帶寬的優勢將能夠合并放大器，減少其數量，從而減少手機系統的復雜度，降低成本，提高可靠性，如果成功，將在未來五年開辟新的市場機遇。但是受制于成本和供電電壓過高的挑戰，目前 GaN 功率放大器應用到手機還存在很多技術難題需要克服。如果引入新型異質結結構、降低材料的方阻和歐姆接觸電阻， 實現低電壓工作， GaN 射頻器件將適合于手機應用，從而開辟一個新的巨大市場機會。 1.3.2.2 射頻能量（射頻能量（RF Energy）市場）市場 目前固態射頻能源市場主要使用磁控管， 存在無法現場測量和改變輸出能量、 強室內輻射和反射的能量的缺

25、點。 GaN 固態射頻功放具有更高的效率、更優的控制能力，使用壽命比磁控管長 10 倍，具有更高的可靠性。 因此在微波爐、射頻脈沖腫瘤消融/熱療、汽車點火等領域存在巨大的應用市場。以微波爐市場為例，估計每年全球微波爐的銷量在7000萬臺以上。 消費品微波爐的傳輸功率范圍大致在600W-1500W 之間，微波爐的總射頻功率需求范圍為 42GW-105GW。但是各廠商對應用的技術路線尚未明確， 其成熟產品的推出需要解決成本與應用市場相匹配的問題。這個市場預計未來 10 年內將迎來新的增長點。 1.3.2.3 軍事國防市場軍事國防市場 目前為止，在軍用雷達、衛星領域，GaN 器件已經代替了大部分 G

26、aAs 和部分 Si LDMOS 及行波管，占據了大部分市場。隨著新型 GaN 基有源電子掃描陣列（AESA）雷達系統的應用，基于 GaN 8 的軍用雷達預計將主導 GaN 軍品市場。 對于需要高頻高輸出的衛星通信應用，GaN 也有望逐步取代 GaAs 的解決方案。 9 2 技術發展趨勢分析技術發展趨勢分析 GaN 材料具有寬帶隙、 高電子漂移速度、 高熱導率、 耐高電壓、耐高溫、抗腐蝕、耐輻照等突出優點。GaN 材料制作的器件工作電壓很高，所以能得到很高的功率密度。此外，GaN 材料體系易于形成如AlGaN/GaN 等異質結構，在異質結界面上存在極強的自發極化與壓電極化效應， 誘導產生的二維

27、電子氣 （2DEG） 的濃度高達 1013 cm-2，且同時具有高達 2000 cm2/Vs 的電子遷移率， 因此基于異質結構的晶體管往往又被稱為高電子遷移率晶體管 （HEMT） 。 高電子遷移率的特性適合用來制作高頻微波器件。 基于GaN的HEMT器件被認為是100 GHz 范圍內最理想的微波功率器件， 另外目前國際上基于 InAlN/GaN異質結構的 HEMT 器件的截止頻率已超過 400 GHz，已顯示出其在更高頻率如 THz 領域的應用潛力。 目前市場上比較成熟的產品為 SiC 基 GaN 射頻器件，包括面向雷達應用的 UHF、L、S、C、X、Ku、K、Ka 波段功率放大器；面向通信基

28、站應用的 Sub-6GHz 功率放大器和毫米波功率放大器；以及面向射頻能量的 2.45 GHz 功率晶體管。未來技術的重點發展趨勢包括面向 5G 移動通信基站和終端應用的低成本、高性價比的 Si 基GaN 功率放大器和面向國防大功率高性能應用的金剛石基 GaN 功率放大器。 GaN 微波射頻器件的關鍵技術包括：襯底和外延材料、器件、封裝和應用技術，以下我們就從這四個方面具體分析 GaN 微波射頻器件的發展趨勢。 10 2.1 襯底、外延技術發展趨勢襯底、外延技術發展趨勢 基于 SiC、Si 等異質襯底外延材料制備的 GaN 微波射頻器件是當前及未來一段時期的主要選擇，而大尺寸 4-6 英寸半絕

29、緣 GaN 自支撐襯底技術還未成熟，而且成本高，尺寸小，技術提升和成本降低周期更長，所以短期內用于 GaN 微波射頻領域的希望不大。金剛石基 GaN 微波射頻器件由于散熱好，可應用在高功率密度情況下，備受關注，但是大尺寸金剛石襯底還很不成熟，有待進一步發展。 SiC 基 GaN 材料外延生長技術相對成熟。材料缺陷和位錯密度小，方塊電阻、遷移率等電學參數最好，SiC 襯底導熱性好，適合于大功率應用，襯底電阻率高降低了射頻損耗，因此 SiC 基 GaN 微波射頻器件成為目前市場的絕對主流。 Si 基 GaN 材料外延生長因其具備低成本潛力被寄予厚望。尤其是大尺寸的 Si 襯底成本比 SiC 低很多

30、，但是目前尚未開始大規模應用，主要原因是外延材料缺陷和位錯密度較高，外延片翹曲影響加工成品率，襯底和外延層射頻損耗較大。隨著技術的不斷成熟，以及手機終端、微波爐等應用 GaN 射頻器件的需求不斷加大，6-8 英寸低成本 Si 基 GaN 材料外延技術已經成為近年來微波射頻領域關注的熱點及重要發展趨勢。 金剛石基 GaN 材料外延生長成為前瞻性研究熱點。由于金剛石襯底極佳的導熱性能，國外研究報道，金剛石基 GaN 器件的輸出功率密度是 SiC 襯底器件的 3 倍以上，在國防應用的大功率微波功率 11 放大器方面具有很大的優勢，因此金剛石襯底制備及外延生長 GaN也是近年來一個重要發展方向。 2.

31、1.1 技術發展驅動力綜述技術發展驅動力綜述 國防和軍用市場對微波射頻器件的大功率和高效率性能的迫切需求促進了 SiC 基 GaN 和金剛石基 GaN 外延技術的發展；民用無線通信基站、移動通信終端的低成本的需求促進了大尺寸 Si 基 GaN 外延材料的開發。從成本角度考慮，大尺寸 Si 基 GaN 外延材料的開發在未來幾年是發展重點?，F有 Si 基 GaN 外延材料的缺陷密度普遍在109cm-2量級，SiC 基 GaN 外延材料的缺陷密度比 Si 基大約低 1-2 個量級，未來為了進一步降低 GaN 外延材料的缺陷密度和提高器件的長期可靠性，開發 GaN 自支撐襯底技術和 GaN 同質外延技

32、術也是選擇之一。 目前 SiC 基的 GaN 微波射頻器件產品的工作電壓一般在 20V-60 V，更高電壓的產品面對散熱的壓力，需要開發具有更高導熱性能的金剛石基 GaN 材料。低工作電壓的產品（5 V）一般應用于手機等移動通信終端，需要開發大尺寸的 Si 基 GaN 材料技術。面向 5G 移動通信的毫米波通信頻段，幾種襯底的 GaN 外延材料均可勝任。但是面向未來 6G 移動通信的太赫茲通信頻段， 目前只有 SiC 基 GaN 材料滿足要求，Si 基 GaN 材料需要進一步提高質量。從封裝散熱的角度出發，Si 基 GaN 的襯底熱導率較低，對封裝散熱的要求比較高，尤其是對于大功率的放大器。

33、對器件的能量轉換效率性能的要求促使GaN 外延材料生長技術的進一步提高， 以降低面電阻和提高材料的導 12 熱率。 同時為了提升器件的增益、 線性度、 頻率等指標， InAlN/GaN、InAlGaN/GaN、AlN/GaN 等各種新型 GaN 異質結構材料外延也是重要的發展方向。從目前的產品來看，SiC 基、Si 基和金剛石基 GaN 外延材料制備的微波射頻器件的可靠性均能滿足應用需求。 2.1.2 關鍵技術發展趨勢關鍵技術發展趨勢 下面列出了 SiC 基 GaN 外延、Si 基 GaN 外延、GaN 自支撐襯底同質外延材料的關鍵指標和參數發展趨勢。 2.1.2.1 SiC 基基 GaN 襯

34、底及外延材料襯底及外延材料 SiC 基 GaN 材料的器件散熱性能上最具優勢， 適合應用在高溫、高頻的領域，因此在大功率輸出的雷達、衛星、5G 基站具有廣闊的應用前景。 2.1.2.1.1 半絕緣半絕緣 SiC 襯底材料襯底材料 半絕緣SiC單晶是制備GaN 微波射頻器件的襯底材料。 高功率、高頻器件需要使用半絕緣 SiC 襯底材料， 以達到低射頻損耗和低器件寄生響應。要使生長的 SiC 單晶具有半絕緣電學性質，有兩種生長方法：高純半絕緣單晶生長和摻雜半絕緣單晶生長。 相比于藍寶石（Sapphire，Al2O3）襯底和 Si 襯底，SiC 襯底與GaN 之間有更小的晶格失配和熱失配，因此 Si

35、C 襯底上的 GaN 薄膜有更低的缺陷密度、更低的翹曲度和更高的材料性能。目前主流的半絕緣 SiC 襯底是 4-6 英寸，并逐步向 8 英寸發展。預計到 2020 年，4英寸半絕緣襯底的市場保持在 4 萬片， 而 6 英寸半絕緣襯底的市場迅 13 速提升至 4-5 萬片；2025-2030 年，4 英寸半絕緣襯底逐漸退出市場，而 6 英寸襯底將增長至 20 萬片。 國際上半絕緣 SiC 單晶襯底材料的產業化公司主要有美國科銳（Cree）、美國貳陸（II-VI）、德國 SiCrystal（被日本羅姆 Rohm 收購）、瑞典 Norstel（被意法半導體 ST 收購）等公司，其半絕緣 SiC襯底產

36、品覆蓋 4 英寸和 6 英寸。國內主要半絕緣 SiC 單晶襯底材料的產業化公司主要包括山東天岳、北京天科合達、河北同光、中國電科 2 所、46 所等，已經開發出成熟的 4 英寸半絕緣 SiC 單晶襯底產品，并已經研發出 6 英寸襯底樣品。 目前，對于 4 英寸半絕緣 SiC 襯底，其單價約為 1-1.5 萬元人民幣。隨著大尺寸 SiC 晶圓生長技術的成熟，單位面積成本會進一步降低。 問題與挑戰問題與挑戰 國產大尺寸 SiC 襯底已經取得明顯的進步， 目前有多家企業可提供批量供貨，但是與國際先進水平還存在明顯差距。主要表現在 6-8英寸 SiC 襯底的研發水平進度滯后，4 英寸量產產品還存在成品

37、率不高、片內均勻性以及批次一致性、穩定性等問題，以及因為成品率低等引起的成本偏高等問題。 因此未來需要發展大尺寸 SiC 襯底技術的同時降低襯底的成本、提升襯底的質量一致性與成品率。 潛在解決方案潛在解決方案 半絕緣 SiC 襯底性能的提升主要依賴于 SiC 單晶生長爐的改進、高純碳粉和硅粉的制備、SiC 單晶生長工藝的自動精確控制等。進一 14 步需要在晶體生長爐的溫度場設計與實現、 高純碳粉硅粉以及低缺陷密度籽晶的制備、大尺寸單晶生長工藝與低缺陷密度的綜合控制、消除殘余應力的厚單晶生長工藝開發、SiC 襯底切磨拋工藝以及大尺寸襯底的 Epi-ready 制備工藝等方面進一步進行技術攻關。

38、2.1.2.1.2 SiC 基基 GaN 外延材料外延材料 對于 SiC 基 GaN，如何不斷提升功率、效率、增益、線性度、可靠性等器件指標是永恒的話題， 也是各家企業長期保持其競爭力的關鍵。 從當前微波射頻器件的應用頻段來看， 器件制備工藝方面， 0.5m、0.25m、0.15/0.1m 等三代工藝會是長期的主流，而且各家企業均已基本掌握。因此未來 SiC 基 GaN 器件指標不斷提升很難繼續依靠制備工藝，主要技術途徑將是新型異質結構材料外延、器件關鍵工藝、新型器件結構等。 特別是新型異質結構材料外延已經成為近年來各家公司產品性能升級換代的主要途徑。 如降低緩沖層厚度可以大大提升散熱特性，已

39、從過去的 2m 降低到 1m、500nm 甚至 300nm。如InAlN/GaN、InAlGaN/GaN 以及多異質結構材料外延技術，已在日本住友、德國 UMS 等公司開始規?；褂?。如采用超晶格結構生長的AlGaN勢壘層， 柵極漏電可降低1-2個數量級， 有效提升了器件效率。 問題與挑戰問題與挑戰 SiC 基 GaN 外延技術上，面臨的挑戰包括在高工作溫度下仍保持良好高阻特性的緩沖層、 從室溫到高溫下保持高遷移率的二維電子氣、異質結構的精細優化、高一致性和高均勻性的材料生長工藝以及各種新型異質結構的設計與生長。實現高阻的緩沖層，以獲得低射頻 15 損耗的器件；同時要設計更合理的外延結構和新型

40、異質結構，以獲得高的頻率、 高線性度、 功率性能和可靠性。 相比于 Si 和藍寶石襯底，SiC 基 GaN 在外延厚度上面臨的挑戰較小，主要在于需合理控制多層結構外延材料間的應力問題、漏電問題和陷阱問題。目前，SiC 基GaN 的位錯密度相比于 Si 和藍寶石襯底外延的 GaN 要低一些，但由于晶格失配導致的位錯密度仍然高達 108 cm-2，面臨的主要問題仍然是提高異質外延的材料質量和調控二維電子氣的分布， 抑制器件在高溫高壓下的漏電及其性能退化。 需要進一步通過材料結構的精細化設計，通過應力調整與缺陷控制，提高材料質量的同時獲得更高電學性能的異質結外延材料， 并通過與器件工藝的反復迭代優化

41、以獲得最佳器件性能的外延材料結構。 潛在解決方案潛在解決方案 急需將以材料性能提升為核心的材料結構設計與工藝優化研究轉變為以器件性能提升為核心的材料結構設計與工藝優化研究， 這是重要的理念轉變。 在材料研究者眼中最好的材料并不見得可以獲得最佳的器件性能， 因為迄今為止尚未建立材料結構參數、 生長工藝參數、材料性能指標與器件性能指標之間的穩定依賴關系， 因此圍繞一種器件性能指標的獲得，需要對材料結構和工藝進行大量迭代實驗優化，也可能存在多種材料方案，因此長期來看，很難出現一種標準化的GaN 外延材料結構。 當然， 從材料角度， 仍存在很多明確的優化方向。為獲得低緩沖層射頻損耗，需要對 GaN 緩

42、沖層進行鐵或碳的補償摻雜， 通過雜質補償作用實現高阻緩沖層。 AlGaN 背勢壘結構也通常被 16 用來提高器件的高溫電特性、微分輸出阻抗和功率增益特性，提高AlGaN 勢壘層材料的生長質量， 減小鐵和碳摻雜引起的深能級陷阱的引入和電流崩坍效應，滿足新型異質結構對高質量 AlGaN 的需求。優化外延層的生長結構，通過超晶格等插入層控制薄膜中的應力。采用高溫 MOCVD 設備， 提高 AlN 及高 Al 組分 AlGaN 層的生長質量。 2.1.2.2 Si 基基 GaN 襯底及外延材料襯底及外延材料 2.1.2.2.1 高阻高阻 Si 襯底材料襯底材料 由于 GaN 射頻器件中的 GaN 及其

43、他 III 族氮化物都是纖鋅礦結構，Si 的（111）面在晶格對稱性上與氮化物的 c 面兼容，通常以 Si的（111）面外延氮化物材料。另外不同于電力電子器件，考慮到襯底導電性帶來的射頻損耗， Si基GaN射頻器件的Si襯底要求高阻特性，阻值越高，射頻損耗越小。一般來說，Si 基 GaN 的 Si 襯底的電阻率要求在 5000 cm 以上。 單晶 Si 襯底有兩種基本的制備方法:直拉法 （CZ） 和區熔 （FZ）法。直拉法制備的單晶 Si 襯底 C、氧雜質濃度比較高，純度容易受到坩堝污染，電阻率比較低并且不均勻，適合于制備中低電阻率（50%（5.8GHz） 。國內目前海威華芯具備 6 英寸 S

44、i 基射頻器件量產能力，目前量產的產品主要是面向 5G 移動通信的微基站應用，頻率應用范圍覆蓋 6GHz 以下，輸出功率 2-20W；其正在開發的 Si 基 GaN 柵長 0.15m GaN HEMT工藝已經取得突破性進展， 器件功率增益截止頻率fmax達到180GHz，40GHz 下功率負載牽引掃描，峰值輸出功率密度達到 1W/mm，該工藝可以應用于 5G 通信高頻段。此外，公開報道中提到已有 6 英寸 Si基功率 GaN 器件工藝的三安集成正在開發 6 英寸 Si 基 GaN 射頻器件工藝。 學術界方面，傳統 AlGaN/GaN 外延結構中，中科院蘇州納米所在勢壘層摻入少量 In，大幅提高

45、載子遷移率，搭配 55nm 柵長，截止頻率達 145/220GHz（fT/fmax） 。我國臺灣國立清華大學使用歐姆/肖特基復合漏極，提高器件跨導（Gm）與降低柵極-漏極電阻（Rgd） ，搭 31 配 0.2m 柵極長， 截止頻率達 49.1/49.9GHz （fT/fmax） 。 德國 Fraunhofer IAF 在 Si 基板生長 SiC，再進行 GaN 等外延，搭配無金歐姆接觸工藝 （Rc =0.13/mm） 與 80nm 柵極長， 截止頻率達 70/176GHz （fT/fmax） 。此外， InAlN 勢壘層因與 GaN 晶格常數匹配且有較佳極化系數， 逐漸吸引研究團隊開發。我國臺

46、灣國立清華大學 InAlN/GaN 外延結構搭配 0.11m 柵極長，截止頻率達 60/101GHz（fT/fmax） 。瑞士蘇黎世聯邦理工學院 AlInN/GaN 外延結構搭配再生長的重 N 型摻雜歐姆接觸（Rc=0.22/mm） 與 50nm 柵極長， 工作頻率達 141/232GHz （fT/fmax） ，輸出功率1.35W/mm （94GHz） ， PAE 12% （94GHz） 。 新加坡SMART使用 AlInN/GaN 外延結構搭配再生長的重 N 型摻雜歐姆接觸（Rc=0.2/mm） 、短源極-漏極長度（0.3m-0.7m） 、40nm 柵極長，截止頻率達 250/600GHz（

47、fT/fmax） ，為已報導的 Si 基 GaN 射頻器件最高的截止頻率。此外，魚鰭柵極器件近年已證實可改善器件線性度，代表性開發團隊為新加坡 SMART，其結合介電層的魚鰭柵極器件有較寬的等效通道寬度，成功改善線性度。搭配 80nm 柵極長，截止頻率 68GHz（fT） ，OIP3 達 39dBm（相同長度的水平器件，截止頻率129GHz （fT） ， OIP3為28dBm） 。 德國Fraunhofer IAF也演示了AlN/GaN魚鰭柵極器件制備的 1.5W MMIC，柵極長 100nm，因具有較佳的柵極控制能力提高器件跨導， 截止頻率達 120/300GHz （fT/fmax） ， P

48、AE 8%（86 GHz -94GHz） 。 問題與挑戰問題與挑戰 近年在線性度方面突破的 GaN 器件通常為三維魚鰭結構，然而 32 該結構引入過多寄生電容， 通常工作頻率不如平面器件， 且工藝復雜。場板雖然證實可改善 DC-RF 色散問題與漏極-柵極寄生電容，但引入額外電容導致器件工作頻率下降。 商業化產品通常同時提供有場板與無場板方案， 有場板器件用以提高工作電壓及抑制器件的電流崩塌效應而非提高 PAE（功率附加效率） 。一般提高 PAE 方式： （1）提高器件的柵極肖特基接觸質量，降低器件的柵極泄漏電流； （2）改善歐姆接觸電阻與鈍化層，但低歐姆接觸的工藝通常需額外摻雜或再生長，較為復

49、雜，且摻雜深度及濃度難以控制，會產生附加的漏電通道，降低器件的擊穿電壓。另外氧化物與 GaN 形成的氧化鎵會在界面產生深級能態， 因此常見用于半導體的氧化物(如氧化鋁、 氧化硅或氧化鉿等)通常不適合用于器件鈍化層，目前最廣為使用的鈍化層為氮化硅。 潛在解決方案潛在解決方案 在線性度方面，有別于改善源柵間的溝道電阻與三維器件，以工藝方式使器件具備多個不同開啟電壓的寄生器件并聯，可使器件 Gm-Vg曲線平坦化， 例如西安電子科大使用光刻與刻蝕工藝實現具有梯度厚度的勢壘層，等效于多個不同勢壘層厚度的器件并聯。鈍化工藝方面，氮化鋁已證實可提供較氮化硅更佳的鈍化，目前質量足夠用于鈍化的氮化鋁僅能用電漿輔

50、助原子層沉積生長，沉積速率不利于生產。 2、 器件結構器件結構 發展趨勢發展趨勢 由于 GaN 射頻器件漏極耐壓通常不高，為追求低接入電阻與低載流子溝道延時，器件的柵極長度、源柵間距、柵漏間距等盡可能的 33 微縮，通常相應尺寸分別為小于 500 nm、小于 1 m、小于 5 m，且通常使用 T 形柵極結構。 此外， 毫米波器件為避免細柵時的短溝道效應（例如開啟電壓降低與關態漏電提高） ，勢壘層厚度也需減薄至10nm 以下，以增強柵極對溝道電子的控制能力，提高跨導。為進一步降低關態漏電，引入背勢壘層結構，將電子限制于異質結的三角形量子阱附近，以提高跨導。早期部分團隊亦利用緩沖層的梯度摻雜實現類