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前言
2016 年的氮化镓器件市场异常活跃，因为氮化镓逐渐成为主流并开始渗透一些批量需求的商业市场。
GaN 已经在大部分高功率军事应用中占据强有力的稳固地位，，并已占领一些有线电视和蜂窝基础设施市场，但是 LDMOS 目前仍占据基础设施和工业市场的绝大部分份额。但这种情况可能很快就会改变，因为 GaN 性能与 LDMOS 基本相当甚至更胜一筹。也许 LDMOS 现在的唯一优势就是价格了，但这一优势也逐渐不保：Qorvo 公司最近宣布将重心转移到 6 英寸碳化硅基 GaN 上；MACOM 公司也宣布将尝试在成本较低的 CMOS 生产线上生产 8 英寸硅基 GaN；（法国 OMMIC 已实现 6 寸线的硅基 GaN，且 2017 年将量产）。这些举动都有利于提高 GaN 的成本竞争优势，有可能使其具有与 LDMOS 相竞争的能力。在许多高频电力市场。
此外，GaN 在高功率应用市场上还在挑战 GaAs 的地位，并且在大部分面向未来的军事应用中已经取代了 GaAs，这些军事应用最重要的性能指标就是功率。
您的公司如果没有 RF GaN 器件的制造能力，那么你就需要找到一个可靠的 GaN 制造服务商。尽管世界各地有许多 RF GaN 晶片制造设施， 但是其中许多是专用的，需要将其产品委托制造的设计公司则无法使用。有关 RF GaN 代工服务的一般适用信息似乎不多，所以 Microwave Journal 调查了尽可能多的 GaN 代工服务商，并总结了相关调查结果。
总体情况
北美有几家 GaN 的代工厂（其中一家在加拿大），欧洲有两家，还有被称作是最大的不受管制类化合物半导体制造厂家：中国台湾的稳懋半导体（WIN Semiconductors）。尽管日本的射频 GaN 市场份额占有率高，但我们也没发现有任何日本的公司提供代工服务，其中包括最大的 GaN 制造厂商之一的 Sumitomo。
中国正在积极的收购及成立半导体公司，打算快速地构建模拟市场和数字化市场。成都的海威华芯（HiWafer）半导体公司和厦门的三安集成电路公司（San’an Integrated Circuit）提供化合物半导体的代工服务，而且这两家公司都对外宣布说他们的 6 英寸 GaN 生产线已投产或正在建设。
美国的大多数客户选择 Wolfspeed（原 Cree 旗下公司，2016 年 7 月被英飞凌收购），而很多欧洲的企业，特别是在做航天航空和防务领域的企业，通常都会选择 UMS（United Monolithic Semiconductors）公司或者 OMMIC 公司。
一些公司与特定的制造厂有战略合作关系，其专有的工艺不向其它公司开放，说白了就是将渠道独享，不分享给其他的公司。举例来说，总部位于加利福尼亚州的托伦斯 Torrance 的 GCS 公司拒绝提为本项调查提供工艺信息，因为 GCS 是典型的受 ITAR（国际武器贸易条例）控制的公司，他们确实为一些公司提供射频 GaN 的制造服务。
还有几个专用的 RF GaN 制造商，像雷声（Raytheon），MACOM 和 Qorvo。根据我们收到的反馈，之前作为独立的公司，RFMD 和 TriQuint 都提供 GaN 制造服务，但自从合并为 Qorvo 以来，它们则只与“战略”客户合作。
衬底
大多数射频 GaN 器件的衬底都是 SiC，因为 SiC 和 GaN 具有良好的晶格匹配，，而且 SiC 还具有 GaN 需要的高热导率的性能，因为 GaN 器件相对于其他的一些器件来说，其功率密度很高。将热量从器件中散出是一个巨大的挑 战，所以衬底和外面封装材料同样至关重要。
但 MACOM 公司决定逆潮流而上，它们的知识产权中包括 IR 公司（2015 年被德国英飞凌公司收购）有关硅基 GaN（MACOM 收购 Nitronex 获得的）的原始专利。相比于碳化硅衬底，硅衬底的成本低得多， 但热导率较低。可以说，较低的热导率使硅相比于碳化硅处于劣势。然而， MACOM 已公布的数据显示，通过合理设计，硅基 GaN 与碳化硅基 GaN 在许多应用上同样可靠。硅基 GaN 的优势或在于其可在标准低成本 CMOS 生产线上的更大晶圆上进行处理。但 MACOM 并不提供制造服务，它们与 GCS 合作生产硅基 GaN 器件的工艺是一个不可用于其他公司的排他性工艺。我们确实发现 OMMIC 提供硅基 GaN 的制造服务。
OMMIC 是我们发现的除 MACOM 外唯一提供硅基 GaN 器件的公司，但我们并没有发现 OMMIC 公司提供硅基 GaN 代工服务。
所有的相关制造厂商都在关注 3 英或 4 英寸的 GaN 晶圆，但随着需求的不断提升，也有很多打算将重心转移到 6 英寸的 GaN 晶圆生产上。一些公司已经宣布会在接下来的一到两年内转到 6 英寸生产上。这是因为转到 6 英寸上利用率会更高，成本会稍降。举个例子：据 BAE 系统公司估计，若从 4 英寸晶圆生产转到 6 英寸晶圆生产（见图一），每平方毫米成本将会从 3 美元降到 1.5 美元。这是因为其可用面积会增加一倍。
图 1 6 inch GaN on SiC wafer (courtesy BAE Systems)
制造工艺概览
总体上，大部分制造厂商提供 2 到 3 个标准工艺：
0.5 微米，高压（40 到 50V），主要主要处理频率低于约 8GHz 的高功率器件；
0.25 微米，中压（28 到 30V），主要瞄准高频率（高达 18GHz）的器件；
有的制造厂提供第三个选项，即更小的栅极长度更小的栅长（大概 0.15 微米），主要瞄准毫米波器件（频率高达 100GHz）。
表一：七家公司提供的 RF 射频制造工艺的完整列表。
最大功率密度范围为 6 至 8W/mm，其中 Wolfspeed 公司提供的 50V 0.4μm G50V3 工艺可高达 8W/mm。6W/mm 或更大的其它高功率密度工艺可从 BAE Systems、Fraunhofer，National Research Council、WIN 和 Wolfspeed 获得。运行频率最高的工艺是 Fraunhofer 的 GaN10，其 0.1μm 器件工作在 94GHz，以及 OMMIC 的 D006GH（开发中），其 60 nm 器件工作到 100 GHz。
几家代工厂的效率超过 60%，包括 BAE、Fraunhofer、Wolfspeed、UMS 和 WIN。大多数工艺都包含砀板或作为一个选项提供。所有调查的铸造厂使用 3 或 4 英寸晶圆，有两家计划很快改为 6 英寸晶圆。
BAE Systems
BAE Systems 在 2000 年收购了 Lockheed Martin Sanders 公司的设施。它们基于碳化硅衬底的 GaN 工艺可获得最佳热性能，被用于要求高性能的军事应用（以及某些双用途的商业市场，当它 们的工艺和 / 或设计专长正好适合时）。 2005 年，这个应用于军事应用的方法由 DARPA 在宽能隙半导体 - 射频项目中首次确定为可用的初始版本的工艺。当前的晶片尺寸为 4 英寸。到 2014 年，它们发布了基于 6 英寸晶圆的 MMIC 功率放大器（PA）高产量工艺流程，使用其场板 （FP）GaN 工艺 2，目前正筹划到 2017 年发布一个 6 英寸晶圆基的“无场板” （NFP）产品。
BAE 公司的 0.2µm 场板工艺，最初开发时间为 2005 到 2008 年，现在成为了一个行业标准工艺，市场上已经有很多公司都能提供。它们更新的 NFP 工艺性能高且价格低廉。这包括高达 50GHz 时的高功率、高增益和高效率。采用 2mil 厚的晶片，可以在每个源下放置小过孔 实现低电感接地。这与输出电容（Cds）减少了的元件相结合，使宽带放大器可 提高增益和功率附加效率（PAE）。NFP 工艺的 140V 典型 BVgd 具有 PA 设计中 对瞬时高电压的高度耐受性，以及低噪声放大器（LNA）的高 Pin 生存能力。6 英寸的 NFP GaN 工艺成本将更低，并可利用 BAE 运行 6 英寸 PHEMT 工艺达 10 年以上的经验。
Fraunhofer IAF (Freiburg, Germany)
Fraunhofer 的工艺效率和性能都高。该公司生产的产品用于研究、基站、电子战、点对点的无线电链路和雷达。对于 4 英寸晶片碳化硅基 GaN， Fraunhofer 拥有涵盖从 DC 到 100GHz 范 围的三种工艺：1）栅极长度 0.5µm， 工作电压 50V，频率范围高达 6GHz； 2）0.25µm，28V，频率达 20GHz；3） 0.1µm，15V，频率达 94GHz。0.5µm 工 艺的效率为 65%，功率密度为 6W/mm。 0.5µm 和 0.25µm 工艺制作于 4mil 厚的晶 片上，带 50µm 的过孔，而 0.1µm 工艺 则在 3mil 厚晶片上，带 30µm 的过孔。 Fraunhofer 提供多项目晶圆服务，每 4 个月一次，用比萨罩（pizza mask），支持几乎任意尺寸的小批量芯片。总的来说，它们通过三种栅极长度覆盖了很广的频率范围，并能提供高效率。
National Research Council of Canada (Ottawa, Canada)
令我们吃惊的是，加拿大政府通过国家研究理事会（NRC）提供一系列完整的 GaN 制造工艺，这是加拿大 GaN 电子器件的唯一来源。为了支持加拿大的工业和技术——但不限制工作于加拿大境内——凭借其显著的工艺技术，NRC 同时向学术和商业市场提供产品。它们拥有一个 0.5µm 和两个 0.15µm 的工艺，工作频率高达 35GHz，包含可能是市场上唯一的增强模式工艺。0.15µm 耗尽模式工艺的功率密度为 7W/mm，0.5µm 工艺则具有 180V 的高击穿电压。
OMMIC (Limeil-Brévannes, France)
OMMIC 的硅基 D01GH GaN 工艺与碳化硅基 GaN 相比具有成本上的优势，该公司用其来提供制造服务和客户定制的设计。该工艺有 0.1µm 栅极长度，运行在 3 英寸晶圆，计划在 2017 发展到 6 英寸。这一工艺是为功率应用开发的，功率密度为 3.3W/mm，这很适合于从 15 到 50GHz 的 LNA，在 30GHz 时噪声系数达到 1dB。凭借其欧姆接触再生工艺， D01GH 器件具有非常低的噪声，相当于最先进的 GaAs 工艺。原位钝化将栅极滞 后效应限制于不足 10%，使得其在像雷达这样的开关模式应用中具有更好的性能。OMMIC 的低偏置 30V 击穿器件，对于 PA 的偏置大约为 12V VDD，带约 5V 供电的低噪声放大器(LNA)。这要低于市场上主要工作在 28V 的其他工艺。
OMMIC 的 D006GH 是栅极长度 60nm 的碳化硅基 GaN 工艺。将在 2017 第一季度发布多项目晶圆服务。其目的是支持从 40 至 100GHz 的功率和低噪声应用。 OMMIC 的发展重点集中在 Ka 波段、卫星通信用的功率放大器（PA）和军事应用的 X 及 Ku 波段低噪声放大器。四川益丰电子将其收购之后进行了重大的战略调整，在今后三年中，它们计划把重点放在商业市场，比如需要 Ka 及 W 波段发送 / 接收芯片的 5G 基站、需要覆盖直流 到 67GHz 且在 1dB 压缩时输出功率为 32dBm 的仪表。
United Monolithic Semiconductors (Yvette, France)
UMS 已经开发出经认证合格的两个碳化硅基 GaN 工艺，服务于军事、航天和商业（主要是电信基础设施和汽车）市场。0.5µm 的 GH5010 工艺适用于最大工作到 C 波段的功率放大器且提供 5W/ mm 及 50V 偏压。这个工艺已经被列入 European Space Agency（ESA）的欧洲上市首选零件清单（EPPL）。0.25µm 的 GH25MMIC 工艺流程超过 4W/mm、 效率高、频率达 Ku 波段（图 3）。典型工作电压为 30V。这个工艺也有良好的 噪声性能，通常在 15GHz 的噪声系数 为 1.8dB，相关增益为 11dB。超过 60 个 GH25 制造项目已经启动。
为了应对高至 K 和 Ka 波段的高频率 应用，UMS 正在开发一个 0.15µm 的工 艺。UMS 引用其 EPPL 清单表明其工艺技 术的高质量和可靠性。它们的制造技术和 UMS 产品之间存在密切联系，以确保 工艺和模型符合设计师的需求，并得到 及时更新和持续改进。它们为短周期需求提供加急生产的晶圆。
WIN Semiconductors (Tao Yuan City, Taiwan)
稳懋半导体是最大的化合物半导体制造厂，拥有两个 GaN 工艺。作为一个纯粹的制造企业，WIN 通过非竞争性的商业模式使客户与潜在冲突 和供应链风险相隔离来提供这种技术。WIN 的 GaN 工艺利用其广泛的砷化镓（GaAs）生产能力，支持离散晶体管以及 MMIC。 它们还提供 6 英寸砷化镓晶圆上的一个 28V、高功率无源器件工艺，并为经济高效的混合 GaN 产品提供高 Q 无源器件。
稳懋半导体的 GaN 技术的主要商业市场 是无线基础设施中 使用的功率放大器（PA）。对于军事应用，其技术着重解决用于雷达系统的 PA 和 LNA。WIN 目前拥有两种 GaN HEMT 技术：NP25 和 NP45。这两种都是在 4 英寸的碳化硅衬底上制造的。NP25 的栅极为 0.25µm，带有源耦合场板，工作在 28V。典型功率密度为 4W/mm，其 1.25mm 单元在 6GHz、偏置 28V 和 100mA/mm 时测得的效率大于 50%。线 性增益为 17dB。在 15GHz，该工艺的性 能大于 12dB 线性增益和 4.2W/mm，效率 高于 40%。NP45 工艺的栅极为 0.45µm， 带有源耦合场板，工作在 50V。4mm 单元调节峰值输出功率在 2.7GHz 和 50V 偏 置时测得的典型器件性能为：线性增 益大于 16dB、大于 6.5W/mm 且效率达 60%。同样的设备调整后测得的最大效率（也在 2.7GHz 和 50V 偏压时）达到 75%，约 5W/mm，增益大于 17dB。这是所报告的最高效率。
Wolfspeed (Durham, N.C.)
Wolfspeed 是 Cree 的一家子公司(2016 年 7 月德国英飞凌宣布收购)， 它是最多被使用的制造厂，拥有四个工艺且都是基于 4 吋晶圆的。它们的工艺适合许多军事和商业应用，如无线基础设施、雷达（商用和军用）、ISM、LMR、卫星通信、航空电子设备、数据链、空间和 CATV。它们有栅长 0.4µm 的工艺，工作电压 50V 和 28V，电压更高的工艺则功率密度为 8W/mm，击穿电压超过 150V。我们发现这在 GaN 工艺所报告的功率密度中是最高的。对于更高频率的应用，Wolfspeed 提供偏置 40V 和 28V 的 0.25µm 工艺，覆盖高达 18GHz。它们所有工艺的效率都为 65%，这在所有报 告的工艺中是非常有竞争力的。
最近 Wolfspeed 宣布，他们的分立晶体管和多级 GaN MMIC 已经超过了 1000 亿小时的现场操作，这是任何国内 GaN 供应商积累的最大的已知体积数据。日本住友可能是唯一可能积累了这种现场操作历史的其他射频 GaN 供应商。Wolfspeed 通过国防微电子学活动（DMEA）认证获得了第 1A 类信任代工厂的地位。 此外，它们已经被美国国防部（DoD）评估为制造准备等级 8 或更高。
可靠性
BAE 系统公司其可靠性测试比较严格，军用 GaN 单片微波集成电路（MMIC）均强制性实施了可靠性评价。所有工艺流程均被测试，来满足苛刻的要求。而且其测试是在不同工作温度下进行的，其激活能的估计和平均无故障时间的计算都是在实际工作的温度下进行计算的。0.18μmNFP 工艺测试数据：MTTF（平均无故障工作时间）：107 小时（200℃、30V）。
Fraunhofer 公司的测试：对 GaN50、GaN25 工艺采取直流、高温反偏（high temperature reverse bias HTRB）和在 2、10GHz 工作下的测试。对 GaN10 工艺只测试了 10GHz 工作模式。
NRC 报道称 GaN150 的可靠性测试还在进展中。GaN800 工艺过程的 MTTF：2.5×107 小时（200℃）。
OMMIC 的测试：外壳 80℃、直流电下工作 2000 小时无明显变化，其源漏电压 12V，电流 200mA/mm，和在 200℃下工作的结果相同。其他的可靠性测试还在进行中。
UMS 进行测试的科目有：存储、高温反向偏压、高温寿命和直流寿命，以及射频递进应力和射频寿命测试。以上的测试确保产品能够达到 200℃下至少工作 20 年。这类质量鉴定测试是在单位基元上进行测试的，特别是那些有分离器件和有更大栅长的 MMIC 上。
稳懋半导体则为客户提供了全套的测试鉴定报告，包括四个温度的平均无故障工作时间结果。
Wolfspeed 已经完成了超过 1000 亿小时的外场工作测试，在测试时间内，其 FIT（Failure in time 工作时间失效率）失效率低于每十亿器件小时 5 个失效（包括分立 GaN 晶体管和集成电路）。这一公司在近期宣布，他们的 GaN 射频功率晶体管通过了 NASA 的卫星和太空系统可靠性标准。其器件还符合 NASA 的 EEE-INST-0021 级可靠性测试。
后道服务
BAE 系统公司提供晶圆测试和晶圆切割、芯片的挑选和检查。还有些客户给提供初级封装。例如，他们提供在热膨胀系数匹配垫片上烧结芯片，或者再封装到封装壳体中。
Fraunhofer 的所有 SiC 工艺包括所有的背面加工处理，包括客户要求的金属通孔。他们提供全面的检测（直流、小信号和负载牵引圆片数据图），以及全套的 MMIC 的检测。他们为大功率特性提供快速条状功率封装。
NRC 提供晶圆测试，但其他检测还有之后的封装服务不提供。
OMMIC 提供晶圆测试服务，外观检验（商用和太空级）、还有为太空项目所作的大量验收测试（LAT）和晶圆验收测试（WAT）。所有的设计都能够进行 QFN（达到 30GHz 工作）或者是直接封装。他们也为太空器件提供气密外封装服务，，同时在中国国内有配套的四川益丰电子具备后端划片、测试服务。
UMS 提供的售后服务范围很广而且比较灵活，包括晶圆片上噪声和功率测试。并且帮忙进行外表检测、挑选和封装。
稳懋半导体为 GaN 客户提供高电压直流产品测试，切割和检查服务。
Wolfspeed 提供切割、晶圆上直流、交流探针测试和固定的直流 / 交流特征化测试。
BAE 系统公司的软件系统服务是一家一家做的。他们为客户提供专属软件设计服务。这家公司拥有一个自主研发的 Angelov 非线性模型，在设计时提供所有需要的器件模型，并且为这些制造厂商提供信息。可兼容 ADS 系统的 PDK 套件们预计在 2016 年年底能开发出来。
弗劳恩霍夫有安捷伦（Keysight）PDK 系统，为微带线服务；有接地共面传输线，为 ADS 系统（ADS 数据记录）服务，还包括所有自动陈列的功能。
对 GaN500 工艺，NRC 既提供 Root 模型，也提供在 ADS 系统上的 Angelov 模型。对 GaN150 工艺，只提供 Root 模型。而对于 0.15μm 的 E-GaN 工艺则没有模型提供。
OMMIC 的 PDK 可联网使用，其 ADS 版本是最新的 32 位和 64 位，可满足 NI/AWR 微波办公室设计系统。64 位 NI/AWR 设计正在研发中。所有的套件设计都在全温度下提供非线性模型和噪声模型。这家公司也提供 DRC 和 LVS 的查询服务。他们雇佣了一个团队，跟踪用户需求，并提供多层圆片设计（多层掩膜）服务，每一过程每年要启动 4 次，因为其原型数量很少。
UMS 的 GH25 工艺的 PDK 套件是可以与微波办公室和 ADS 兼容的。他们包括非线性、面向功率生成而设计的量化热 - 电模型。为 LNA 设计的线性模型，为开关和二极管设计的冷 FET 模型、还有为 MMIC 设计的无源元件。他们的 PDK 套件包括增加的 DRC（数字版图纠正）和为三维电磁仿真设计的 3D 视图。
稳懋半导体设计套件是能够用在 ADS 和 NI/AWR 平台上的，包括自适应和最优非线性模型，微信号和噪声、负载牵引数据模型。稳懋半导体运用基于互联网的工具——WebDRC，提供 24 小时设计检查工作，他们既通过 Cadence 也通过 ADS 和 AWR 的平台来进行设计的确认。
Wolfspeed 提供基于 ADS 系统和 NI/AWR 的微波办公室 PDK。
市场机遇
GaN 现在和 GaAs 器件的发展类似，期望 GaN 的市场能够成熟起来，让其可做的器件变得多起来，特别是在高功率市场方面。随着技术的更新换代和成本的降低，预测 GaN 将会为功率放大器提供最好的价值功能，找到最优的平衡。现在在军民融合的大潮下，性能的要求更加凸显：发射功率、效率、线性度、频率、带宽、工作温度……GaN 在这些性能上表现得比 GaAs 和 Si 更好。例如，在军事器件中，GaN 改善了尺寸、重量和功率（SWaP），并且将继续融入这些系统中。
多数 GaN 供应商将基站和卫星市场视为短期内的主要的增长方向。至于毫米波，5G 也是一个巨大的机遇，目前 GaN 在宽频带、高频器件上表现良好。在射频能源市场 GaN 也适应得较好，制造厂商关注的航天以及防务市场在快速增长，这包括宽禁带，高功率放大器电子战、相控阵雷达和广泛的毫米波应用。
未来
GaN 的主要竞争对手是在射频领域的 LDMOS，在高频领域是 GaAs。LDMOS 依然主宰着高功率器件市场。目前 GaN 不会完全的取代任何一项技术，但它也会继续的渗透进这些市场，使自己更具价格竞争力。LDMOS 每年也会进一步研发提高性能，所以这些市场上两者将会继续竞争下去，在未来，GaN 必将出现亮眼的表现。
BAE 系统公司认为在一段很长的时间内，GaN 的微波应用将持续繁荣。主要在高功率领域，频率从 1 到 100GHz。尽管如此，GaN 也不会完全的替代 GaAs 和 Si，毕竟 GaAs 和 Si 都有独特的性能，而且其相关的经济体也会确保这些材料的持续生存。GaN 的爆发是要在其高产技术成熟而且晶圆尺寸扩大，成本降低的时候。现在来看，GaN 显然是一个市场的颠覆性技术，至少在下个十年内，没有什么半导体技术能够撼动它的地位。
期待 GaN 后续的技术发展，像节约成本的 Si 基 GaN、增强热导性能的金刚石基 GaN。GaN 也将会更广泛的应用，不仅仅在功率放大器上，还要应用到其它像是低噪声放大器啦，开关啦，还有多功能集成电路啦等等。GaN 十分适合应用在低噪声放大器 / 限幅器上，因为它结合了低噪特性和高击穿电压，后者对限幅比较有利。
未来器件的战争将会在 GaN/SiC 或者是 GaN/Si 之间打响。工业上会有哪项技术出局么？
Si 基 GaN 有着低成本的良好前景——提供了更大的晶圆直径和更低成本衬底以及加工成本。如果表现出的特性非常接近 GaN/SiC 的表现，那么，硅基氮化镓成本优势将会变成 SiC 基氮化镓制造的首要难题。
但从另一方面来说，SiC 拥有导热性能是一些器件所需要的，也会为这两种技术继续存活留下空间。
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