GaN逐步向RF領(lǐng)域的發(fā)展之路

　　目前，氮化鎵(GaN)技術(shù)已經(jīng)不再局限于功率應(yīng)用，其優(yōu)勢也在向射頻/微波行業(yè)應(yīng)用的各個(gè)角落滲透，而且對射頻/微波行業(yè)的影響越來越大，不容小覷。因?yàn)樗梢詫?shí)現(xiàn)從太空、軍用雷達(dá)到蜂窩通信的應(yīng)用。

　　雖然GaN通常與功率放大器(PA)相關(guān)度很高，但它也有其他用例。自推出以來，GaN的發(fā)展歷程令人矚目，隨著5G時(shí)代的到來，它可能會(huì)更加引人關(guān)注。

　　GaN在雷達(dá)和太空領(lǐng)域的作用

　　GaN技術(shù)的兩種變體是GaN-on-silicon(GaN-on-Si)和GaN-on-silicon-carbide(GaN-on-SiC)。據(jù)Microsemi射頻/微波分立產(chǎn)品部門工程總監(jiān)Damian McCann介紹，GaN-on-SiC對太空和軍用雷達(dá)的應(yīng)用貢獻(xiàn)很大，今天，RF工程師正在尋找新的應(yīng)用和解決方案，以利用GaN-on-SiC器件所實(shí)現(xiàn)的不斷提高的功率和效率性能水平，特別是在太空和軍事雷達(dá)應(yīng)用中。

　　“GaN是一種寬禁帶半導(dǎo)體材料，具有高硬度、機(jī)械穩(wěn)定性、熱容量、對電離輻射的極低靈敏度和導(dǎo)熱性，以及通過巧妙的設(shè)計(jì)可實(shí)現(xiàn)更好的尺寸、重量和功率(SWaP)優(yōu)勢。我們還看到GaN-on-SiC超越了多個(gè)與之競爭的技術(shù)，即使在較低的頻率下也是如此。”

　　系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員將受益于GaN-on-SiC技術(shù)。McCann解釋說，“熱耦合和高度集成的層壓板技術(shù)，與GaN-on-SiC結(jié)合使用，使系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員可以尋求更高水平的集成，特別是擴(kuò)展主雷達(dá)，以覆蓋同一物理區(qū)域中的多個(gè)波段，增加二級雷達(dá)功能。而在太空應(yīng)用中，最近看到GaN-on-SiC可行性正在增加，特別是在GaN的效率與在更高頻率下工作的能力相輔相成的應(yīng)用中。

　　他補(bǔ)充說：“毫米波(mmWave)GaN的功率密度帶來了一套新的設(shè)計(jì)技術(shù)，可以尋找更高水平的補(bǔ)償。解決方案必須超越功率補(bǔ)償中的功率和線性，還需要在需要功率控制或運(yùn)行到可變的VSWR級別?！?/p>

　　McCann還指出，GaN-on-SiC技術(shù)可以替代舊的速調(diào)管技術(shù)。他說，“有源電子掃描陣列(AESAs)和相控陣元件在軍事和商業(yè)太空應(yīng)用中的普及也希望GaN-on-SiC基的單片微波集成電路(MMIC)達(dá)到新的功率水平，甚至在某些情況下取代老化的速調(diào)管技術(shù)。

　　“然而，合格的0.15微米GaN-on-SiC晶圓代工廠數(shù)量有限，是市場上的稀缺資源，需要進(jìn)一步投資解決?！?/p>

　　GaN和5G通信

　　GaN技術(shù)不僅限于太空和雷達(dá)應(yīng)用。它正在推動(dòng)蜂窩通信領(lǐng)域的創(chuàng)新。在未來的5G網(wǎng)絡(luò)中，GaN有什么作用呢?

　　Somit Joshi是Veeco Instruments的金屬有機(jī)化學(xué)氣相沉積(MOCVD)產(chǎn)品營銷高級總監(jiān)，他說，“5G的蓬勃發(fā)展有望顛覆傳統(tǒng)的蜂窩通信，為運(yùn)營商和服務(wù)提供商創(chuàng)造新的機(jī)會(huì)。5G目前正在計(jì)劃中，移動(dòng)寬帶(手機(jī)/平板電腦/筆記本電腦)的傳輸速度超過10 Gbps，與此同時(shí)，物聯(lián)網(wǎng)(IoT)應(yīng)用的可實(shí)現(xiàn)超低延遲。

　　Joshi補(bǔ)充道，“今天，GaN正在逐步取代特定應(yīng)用中的硅(Si)(即4G / LTE基站的RF放大器)。下一代5G部署將使用GaN技術(shù)，而在5G初期，在宏蜂窩網(wǎng)絡(luò)中會(huì)越來越多地使用GaN-on-SiC。5G將引入GaN-on-Si以與GaN-on-SiC設(shè)計(jì)相媲美，并進(jìn)入小型蜂窩應(yīng)用，然后可能進(jìn)入毫微微蜂窩/家用路由器，甚至手機(jī)中。”

　　Joshi表示，就5G網(wǎng)絡(luò)使用的更高頻率而言，GaN技術(shù)將至關(guān)重要。他解釋說：“5G將在多個(gè)頻段逐步部署，有兩個(gè)主要頻率范圍，分別是用于廣域覆蓋的sub-6-GHz，以及用于體育場、機(jī)場等高密度區(qū)域的20 GHz(mmWave)以上頻帶。要想滿足嚴(yán)格的5G技術(shù)(更快的數(shù)據(jù)速率，低延遲，大規(guī)模寬帶)要求，需要新的GaN技術(shù)來實(shí)現(xiàn)更高的目標(biāo)頻率(即28 GHz和39 GHz頻段)。”

　　此外，GaN技術(shù)將非常適合5G手機(jī)。Joshi補(bǔ)充道，“從技術(shù)角度來看，5G存在衰減問題，需要多個(gè)天線才能使用空間復(fù)用技術(shù)來提高信號(hào)質(zhì)量。每個(gè)天線都需要專用的RF前端芯片組。與砷化鎵(GaAs)和Si相比，GaN在相同功率水平下具有更少的天線數(shù)量。由此產(chǎn)生的外形尺寸優(yōu)勢使GaN非常適合5G手機(jī)應(yīng)用。”

　　此外，更高的功率效率和更低的傳輸損耗可顯著降低功耗。單片集成多個(gè)GaN晶體管開辟了新的功能和能力。而在較低電壓(低于5 V)下工作時(shí)，GaN存在一些局限性，目前，工藝專家、IDM廠商和相關(guān)研究機(jī)構(gòu)正在研究并力求解決這些問題。

　　在制造方面，最近，在GaN-on-Si上有效生長GaN層的工藝技術(shù)取得了進(jìn)步，但是，依然有一些問題需要解決，包括外延和下游器件加工和封裝的成本，還有電荷捕獲和電流崩潰。一些半導(dǎo)體設(shè)備廠商正在積極解決這些問題，以滿足可靠性要求。

　　Veeco正在與領(lǐng)先的設(shè)備公司和研究機(jī)構(gòu)合作，從事著GaN-on-Si的研發(fā)工作。首先，必須在整個(gè)晶圓上沉積具有合適厚度和結(jié)構(gòu)組成均勻的外延層，其通常包括超晶格?？蛻暨€要求使用尖銳的接口進(jìn)行精確的摻雜劑控制，以優(yōu)化器件特性。還要求具備零存儲(chǔ)器缺陷，以在特定層中有效地?fù)饺胫T如Mg和Fe的摻雜劑。

　　針對上述需求，一種名為單晶圓TurboDisc的技術(shù)可以解決晶體管性能、RF損耗、諧波失真和器件可靠性等嚴(yán)峻挑戰(zhàn)，該技術(shù)可提供領(lǐng)先的摻雜劑控制和成分均勻性，同時(shí)降低每晶圓外延生長成本。這是通過利用Propel MOCVD系統(tǒng)的薄膜沉積控制來實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量緩沖生長及其摻入此類摻雜劑的能力。

　　圖1：GaN MOCVD系統(tǒng)提供的薄膜沉積控制有助于提高緩沖質(zhì)量

　　由于相關(guān)工具和工藝仍需要成熟以提高產(chǎn)能，因此，GaN-on-Si和GaN-on-SiC的市場規(guī)模很小，挑戰(zhàn)仍然存在，然而，隨著5G應(yīng)用程序的流程和技術(shù)改進(jìn)，用例繼續(xù)激增，其發(fā)展?jié)摿薮蟆?/p>

　　超越功率放大器：基于GaN的低噪聲放大器

　　在RF /微波應(yīng)用中，GaN技術(shù)通常與功率放大器相關(guān)聯(lián)。但是，一家名為Custom MMIC的公司 正在通過開發(fā)基于GaN技術(shù)的低噪聲放大器(LNA)來證明GaN確實(shí)具有其他用例。

　　“我們經(jīng)常被問到：GaAs pHEMT LNA技術(shù)很成熟，且應(yīng)用廣泛，為什么還要在微波頻率上開發(fā)一系列GaN HEMT LNA?”Custom MMIC的高級應(yīng)用工程師Chris Gregoire說：“原因很簡單：GaN提供的不僅僅是低噪聲?！?/p>

　　首先，GaN具有更高的輸入功率生存能力，可以大大減少或消除通常與GaAs pHEMT LNA相關(guān)的前端限制器。通過消除限制器，GaN還可以回收這種電路的損耗，從而進(jìn)一步降低噪聲系數(shù)。其次，GaN LNA具有比GaAs pHEMT更高的輸出三階交調(diào)截點(diǎn)(IP3)，這提高了接收器的線性度和靈敏度。

　　Gregoire表示：“與GaAs工藝相比，GaN具有這種優(yōu)勢的一個(gè)主要原因是其固有的高擊穿電壓。當(dāng)LNA過載時(shí)，柵極 - 漏極擊穿會(huì)導(dǎo)致失效。GaAs pHEMT器件的典型擊穿電壓為5至15 V，嚴(yán)重限制了這些LNA可承受的最大RF輸入功率。而GaN工藝的擊穿電壓范圍可擴(kuò)展到50至100V，從而允許更高的輸入功率水平。此外，較高的擊穿電壓允許GaN器件在較高的工作電壓下偏置，這可以直接轉(zhuǎn)化為更高的線性度?！?/p>

　　“我們已經(jīng)學(xué)會(huì)了如何最大化GaN的優(yōu)勢，并創(chuàng)造出具有最低噪聲系數(shù)以及高線性度和高生存能力的先進(jìn)LNA。因此，GaN是所有高性能接收器系統(tǒng)的首選LNA技術(shù)，特別是在對抗擾性要求極高時(shí)，更加適用。”

　　總而言之，GaN技術(shù)已成為射頻/微波行業(yè)的主要力量。未來，隨著5G通信的成熟，其作用會(huì)進(jìn)一步擴(kuò)大。雖然GaN和PA齊頭并進(jìn)，但人們不應(yīng)忽視業(yè)界正在利用該技術(shù)開發(fā)LNA的工作。現(xiàn)在是時(shí)候?qū)⒕唾Y源投入到GaN的研發(fā)工作中去了，因?yàn)樗奈磥砗芄饷鳌?/p>