砷化镓GaAsHBT产业链与射频PA

射频美学 2022-11-30 07:00
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作为第二代半导体的“扛把子”,砷化镓(GaAs)具有高频率、高电子迁移率、高输出功率、高线性以及低噪声等特点,在光电和射频领域有着非常广泛的应用。



砷化镓是直接带隙材料,导带底和价带顶在K空间(K空间即傅里叶变化的频率空间)同一位置,电子吸收能量后可以直接跃迁进入激发态,无需声子参与;也可以直接从导带下落到价带,因此载流子寿命很短,电子和空穴直接复合可以发光。


所以砷化镓可以用来制作LED(发光二极管),主要是黄光、红光和红外光。氮化镓禁带更宽,主要用来发蓝光、绿光和紫外光。


砷化镓是发光材料,加上泵浦源和谐振腔,即可选频制成激光器650nm-1300nm波长的低功率激光器都可以用砷化镓材料设计,典型代表是VCSEL(垂直腔表面发射激光器),广泛应用在短距离数据中心光纤通信,TOF人脸识别等。


GaAs 的电子迁移率是硅的五倍,HBTFt高达45GHz0.25um E mode pHEMTFt更是高达70GHz,因此GaAs非常适合设计Sub-7GHz射频器件。蜂窝和WLAN PA常用GaAs HBT设计;开关、LNA等则采用pHEMT工艺。


除了LEDVCSELRF Device之外,GaAs凭借其优异性能在光电探测、调制驱动、卫星电视等领域也有大量应用,但主要还是靠“三巨头“出货。


GaAs一年出货约260万片(折合6寸),LED约占四成,RF Device约占三成, VCSEL约占8%。从单片价格来看,则是VCSEL>RF Device>LED,因此从销售额角度统计可能会是另一种结论。


不同的产品需要用不同的外延片加工。整个砷化镓产业链可以细分为衬底、外延、晶圆代工、芯片设计四个环节。至于封测,LGA/QFN都可以做,和硅基产品没明显区别。


衬底(Substrate)是产业链的源头,衬底厂采购金属镓和高纯砷后,采用 LEC 法(液封直拉法,Freiberger采用)、 HB 法(水平布里奇曼法)、 VB 法(垂直布里奇曼法,Sumitomo采用)或 VGF 法(垂直梯度凝固法,AXTFreiberger采用)等,生长出砷化镓晶体,切片研磨抛光后卖给外延厂。主流的砷化镓衬底厂主要有德国费里伯格(Freiberger)、日本住友电气(Sumitomo)、北京通美(AXT)、英国IQE、日本同和(Dowa)、云南锗业等。台湾企业一般翻译为基板。


外延厂(Epi)采购衬底后,采用MOCVD法(金属有机化学气相沉积,主流方案)或MBE法(分子束外延)在衬底上一层一层地长出掺杂和厚度都不同的薄膜,故而台湾企业翻译为磊晶(磊晶圆薄膜),非常直观形象。大陆企业翻译为“外延”,更注重“意”和“神”,颇有严复先生“信达雅”的遗风。主流的外延片厂主要有英国IQE、台湾全新光电、日本住友化学、台湾英特磊等。台湾联亚光电专注光电领域。


晶圆代工厂(Fab)与芯片厂和终端厂关系较紧密,也更为人所熟知。晶圆厂采购外延片后,按照芯片厂的设计进行光刻,加工出所需要的电路。根据所用衬底和工序的不同,迭代出不同的工艺。稳懋占据砷化镓代工公开市场的七成以上份额,优异的可靠性和一致性获得几乎所有芯片厂和终端厂的认可,三座fab均通过IATF16949车规认证。宏捷科的工艺来自美企射频大厂Skyworks,除了给Skyworks代工之外,也接受其他芯片设计厂的订单。环宇通讯运营在美国,4寸线成本较高,运营吃力,目前主要以技术授权形式参与产业链。三安的技术授权就来自GCS,早年更是准备收购GCS,被美国外国投资委员会否掉后转而合资成立公司,现已独立代工砷化镓,在LED领域份额很高。承芯的技术授权也来自GCS,当前以VCSEL为主。联颖来自联电的Fab 6,除了GaAs之外还代工CMOS/BCD/SAW等另类工艺。福联的技术授权来自联颖,虽成立较晚,但HBT0.25um E/D Mode pHEMT工艺均已成熟。立昂东芯自主研发了GaAs工艺,已获得不少芯片厂的订单,正在积极扩产。海威华芯技术来自中电29所,专注于pHEMT工艺,HBT工艺份额较少。


产业链接总结如下。


GaAs主要有HBTpHEMT两种技术。HBT是纵向器件,对光刻精度要求不高,一般为1-3um,将发射极改用InGaP材料可以形成异质结,从而使发射区轻掺杂,基区重掺杂,提高载流子注入效率,减小基极电阻,发射结电容,提高震荡频率,增加厄利电压。pHEMT是横向器件,器件性能受栅宽制约,需要更高的光刻精度,一般为0.5-0.15um,因为成本较高,所以在PA的应用不如HBT多,主要用在LNA和开关上。



(能坚持看到这里的读者绝对是对技术、对产业都有浓厚的兴趣,能静下心来研究,接下来才是本文最有价值的内容。)


因为pHEMT工艺吃光刻,成本较高,因此在射频领域HBT是绝对的王者。射频PA基本都采用InGaP/GaAs HBT工艺加工,16层光刻,有湿法刻蚀和干法刻蚀之分。

头部的三家芯片厂都是IDM模式。Skyworks在美国有两座6寸厂,并会在稳懋和宏捷科代工。Qorvo有多座4/6/8寸晶圆厂,产能充足,自给自足。Broadcom有两座6寸厂,仍会找稳懋代工。


高通是fabless模式,RF360设计的MMMB PALPAMiD/LPAMiF基本都在稳懋生产。村田的LPAMiD除了稳懋代工之外,也会和Skyworks合作。海思在制裁之前陪着三安打磨工艺。唯捷创芯以PA业务为主,MMMB PATXMLPAMiFWi-Fi FEM主要在稳懋生产,为了扩产和降本也会去宏捷科。飞骧和稳懋有过一段不愉快的往事,MMMB PATXMLPAMiFWi-Fi FEM现在主要在三安生产,在宏捷科和联颖也有扩产。昂瑞微的Phase 5N MMMB PA可谓一绝,另有MMMB PATXMLPAMiF产品,主要在稳懋、联颖和立昂生产。慧智微以UHB LPAMiF一战成名,MMMB PATXM等主要在稳懋代工,与三安也开始合作。锐石后发先至,MMMB PATXMLPAMiFWi-Fi FEM布局较快,主要在稳懋、三安和宏捷科代工。卓胜以接收模组和分立器件切入,Wi-Fi FEMLPAMiF进展神速,主要在福联和联颖生产。


在需求侧,以国内手机、物联网模块和网通路由等产品为基础,die size按照主流型号均值估算,射频芯片国内月需求约25,0006寸等效GaAs HBT晶圆。考虑海外苹果和三星支持频段更多,GaAs需求量更大,预估海外需求约15,000片。Wi-Fi FEM可以采用SiGe设计,性能和功耗都很好,对GaAs需求影响不大。因此全球GaAs HBT总需求约40,0006寸等效晶圆。


这里需要更正公众的一个认知,射频不是一个频段(Band)用一颗PA,而是一段频段用一颗PA,常规做法是0.6-1GHz一颗,1.8-2.2GHz一颗,2.3-2.7GHz一颗,即通常说的低频(LB),中频(MB),高频(HB)。至于新增的n77/78,因为是一段频段,覆盖3.3-4.2GHz,也是一颗PAn79单独一颗。而Wi-Fi则分为2.4G5G,分别用一颗。根据设备支持的MIMO(多入多出)数量,会适当增加PA颗数。当然,在终端看到的时候,sub-3G的经常会集成在一起变成一颗大PA芯片,sub-6g会集成在一起变成一颗大PA芯片。


在供给侧,公开代工厂GaAs总产能约14万六寸片,GaAs HBT46,000片足够满足全球需求。


另外SkyworksQorvoBroadcom自有工厂也可以生产GaAs HBT,公开代工厂都在大力扩厂,未来GaAs HBT很可能出现产能过剩,虽然mini LEDVCSEL需求增长迅速,但体量短期仍无法和射频PA相比。


接下来只能期待国产芯片替代欧美品牌,大陆代工厂替代海外代工厂了。


——END——




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