从5G元年到“超越5G”
目前GaN hemt的发展还在继续发展
增加晶圆直径和减小封装尺寸的挑战
许多芯片可以从一个大直径的晶圆上切割出来。在量产初期的一个重要主题是通过增加晶圆直径来降低成本。氮化镓hemt的大规模生产开始使用两英寸晶圆。2007年实现了使用3英寸晶圆的生产，2011年实现了使用4英寸晶圆的生产。晶圆加工涉及约100道工序，改变晶圆直径意味着整个设备和材料的重新排列。为了优化生产工艺，问题被逐一解决。Hitoshi Haematsu目前在SEDI的设备生产工程部门工作，他是参与这项挑战的成员之一。
“晶圆加工包括形成电极的前表面工艺和将晶圆薄化并切割成芯片的后表面工艺。用于衬底的碳化硅是一种极其坚硬的材料。碳化硅晶圆细化技术在世界上任何地方都没有。我们尝试使用坚固的磨石强行研磨晶圆，但成品率很差，加工速度也很低。我们联系了一家背面磨床制造商，开发了一种创新的研磨技术。与传统方法相比，处理速度提高了数十倍。由研磨引起的缺陷几乎被消除了，”Haematsu回忆道。
还努力缩小封装以适应GaN HEMT芯片。吉村Norihiro Yoshimura，目前在SEDI的电子设备开发部门1号工作，是负责成员之一。
“我们必须满足客户的成本要求。这是击败Si-LDMOS晶体管的一个重要因素。包装的缩小直接转化为成本的降低。我们通过改变封装中的电路系统和设计方法来减小尺寸。与2006年相比，规模已经缩小到四分之一，实现了总成本的降低，”吉村说。
GaN hemt的低功耗也有助于降低基站的成本。GaN hemt逐渐被市场所接受。使用GaN hemt的通信运营商对其高输出、高速传输、低功耗等特点大加赞赏，并得到了市场的认可。GaN hemt开始被称为“怪物设备”。随着通信协议从3G转向4G，随着高速大容量通信时代的到来，所需的频率带宽扩大，GaN hemt迅速被市场接受。值得注意的是，GaN hemt对基站的缩小做出了贡献。GaN hemt的功耗较低，实现了低热量产生，并消除了对风冷风扇和其他部件的需求。这有助于减小基站的尺寸和重量，使安装工作变得容易，并扩大了安装面积。被称为远程无线电头的小型基站数量急剧增加。GaN hemt也被用于地面数字广播发射机和天空树广播电台。 In 2013, the sales of GaN HEMTs skyrocketed in line with the growing demand outside Japan. In 2014, SEDI won the Minister of Education, Culture, Sports, Science and Technology Prize at the Technology Management and Innovation Awards for various accomplishments in the telecommunications field.
扩大GaN hemt的全球市场份额
2020年被称为5G元年。在作为基站晶体管的GaN HEMTs和Si-LDMOSs之间的市场竞争一直很激烈。SEDI在用于基站的GaN hemt市场份额最大，2019年其销售额接近Si-LDMOSs的最大供应商。GaN hemt的销售一直非常强劲，但形势不容乐观。全球Si-LDMOS制造商一直在准备在GaN HEMTs成为主流之前淘汰SEDI。为了确保差异化，有必要改进GaN hemt。在住友电气工业有限公司传输装置实验室电子装置部工作的Isao Makabe是负责人之一。从事GaN HEMTs的核心技术——薄膜晶体生长技术的开发。
“5G及以上高频设备的模具收缩已经进一步加速。研制适合这种结构的晶体是很重要的。目前的GaN hemt具有一种结构，其中GaN和AlGaN晶体分层，在键合界面上产生电子。关于GaN的有趣之处在于，通过控制Al-Ga比和薄膜厚度，可以显著改变器件行为。我的任务是追求新型GaN HEMT晶体，满足特性，大规模生产力和成本优势，”Makabe说。
传输设备实验室5g无线电部门的Ken Kikuchi负责GaN HEMT芯片的运行分析和建模。
“设备需求因客户和应用而异。负责识别基站设备实际运行过程中可能存在的风险和问题，并反馈给设备开发团队。评价与仿真技术的发展是一个重要的研究课题。GaN hemt的潜力非常大，仍有很大的发展空间。我们在技术开发(包括晶体生长)和产品设计之间充当中介，以加速设备开发，”菊池说。
随着这些努力，晶圆加工技术已被开发，这是由Inoue监督。
“GaN HEMTs对高频波段的适应需要进一步的工艺收缩。例如，电极必须在纳米级制造，这比AlGaN和GaN层更薄。但是，半导体加工需要很高的能量。由于加工能量的增加，晶片收缩和hemt变薄会对半导体造成损伤。我们正在制定清除障碍的程序。我们设想的通信技术将超越5G。频带为28ghz及以上的毫米波波段。高频频段使用的扩大意味着设备将变得更薄。在这种情况下，工艺开发将变得更加重要，”Inoue说。
