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砷化镓GaAs HBT产业链与射频PA

来源:射频学堂发布时间:2022-12-09

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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，HBT的Ft高达45GHz，0.25um E mode pHEMT的Ft更是高达70GHz，因此GaAs非常适合设计Sub-7GHz的射频器件。蜂窝和WLAN PA常用GaAs HBT设计；开关、LNA等则采用pHEMT工艺。

除了LED、VCSEL、RF 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，AXT和Freiberger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HBT和0.25um 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HBT和pHEMT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MMMBPA和LPAMiD/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 PA、TXM、LPAMiF、Wi-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 PA、TXM、LPAMiF、Wi-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 5NMMMB PA可谓一绝，另有MMMB PA、TXM、LPAMiF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 PA和TXM等主要在稳懋代工，与三安也开始合作。锐石后发先至，MMMB PA、TXM、LPAMiF、Wi-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-FiFEM和LPAMiF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25,000片6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40,000片6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PA，n79单独一颗。而Wi-Fi则分为2.4G和5G，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。