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GaN如何面对5G的挑战?

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发表于 2018-11-13 17:04:09 | 显示全部楼层 |阅读模式
如今,电子业正迈向4G的终点、5G的起点。 后者发展上仍有不少进步空间,但可以确定,新一代无线电网络势必需要更多组件、更高频率做支撑。对此,市研机构Yole发布的「2017年RF功率市场与科技报告」指出,RF功率市场可望以将近二位数的年复合成长率(GAGR)迅速成长;同时,氮化镓(GaN)将逐渐取代横向扩散金属氧化物半导体(LDMOS),成为市场主流技术。


不同材料的能隙与击穿电压对比

现行GaN功率元件以GaN-on-SiC及GaN-on-Si两种晶圆进行制造,其中GaN-on-SiC强调适合应用在高温、高频的操作环境,因此在散热性能上具优势,其以5G基地台应用最多,预期SiC基板未来在5G商用带动下,具有庞大市场商机。

典型GaN射频器件的工艺流程
典型的GaN射频器件的加工工艺主要包括如下环节:外延生长-器件隔离-欧姆接触(制作源极、漏极)-氮化物钝化-栅极制作-场板制作-衬底减薄-衬底通孔等环节。


外延生长
采用金属氧化物化学气相沉积(MOCVD)或分子束外延(MBE)方式在SiC或Si衬底上外延GaN材料。
器件隔离
采用离子注入或者制作台阶(去除掉沟道层)的方式来实现器件隔离。射频器件之间的隔离是制作射频电路的基本要求。
欧姆接触
形成欧姆接触是指制作源极和漏极的电极。对GaN材料而言,制造欧姆接触需要在很高的温度下完成。
氮化物钝化
在源极和漏极制作完成后,GaN半导体材料需要经过钝化过程来消除悬挂键等界面态。GaN的钝化过程通常采用SiN(氮化硅)来实现。
栅极制作
在SiN钝化层上开口,然后沉积栅极金属。至此,基本的场效应晶体管的结构就成型了。
场板制作
栅极制作完成后,继续沉积额外的几层金属和氮化物,来制作场板、互连和电容,此外,也可以保护器件免受外部环境影响。
衬底减薄
衬底厚度减薄至100μm左右,然后对减薄后的衬底背部进行金属化。
衬底通孔
通孔是指在衬底上表面和下表面之间刻蚀出的短通道,用于降低器件和接地(底部金属化层)之间的电感。

5G高频特性,GaN技术伸展空间巨大

目前基地台用功率放大器(Power Amplifier,PA)主要为基于硅的横向扩散金属氧化物半导体LDMOS技术,不过LDMOS技术仅适用于低频段,在高频应用领域存在局限性。

换言之,GaN优势在于更高功率密度及更高截止频率(Cutoff Frequency,输出讯号功率超出或低于传导频率时输出讯号功率的频率),尤其在5G多输入多输出(Massive MIMO)应用中,可实现高整合性解决方案,例如模块化射频前端元件,以毫米波(Millimeter Wave,mmWave)应用为例,GaN高功率密度特性可有效减少收发通道数及尺寸,实现高性能目标,然短期LDMOS会与GaN共存,主要原因在于低频应用仍会采用LDMOS,例如2GHz以下应用领域。
通常来说,采用GaN技术可降低天线阵列功耗,透过整合式多通道模块、3~6GHz及28/39GHz频段在射频前端产品的布局,更加强调高性能、低功耗、高整合度、高易用性等目标达成。


Qorvo3月推出的GaN-on-SiC晶体管QPD1025来看,其无需结合放大器的复杂操作便可实现数千瓦的解决方案,能够大幅节省客户的时间和成本。与LDMOS相比,QPD1025的漏极效率有了显著提升,效率高出近15个百分点。


由于GaN具有更高功率密度特性,能实现更小元件封装,满足Massive MIMO和主动天线单元(Active Antenna Unit,AAU)技术下射频前端高度整合需求。目前GaN运用以5G基础设施(如基地台)为主,手机较难采用GaN技术。主要挑战包括:

(1)GaN成本高;
(2)GaN供电电压高;

无论如何,GaN已成为高频、大功耗应用技术首选,包括需高功率水平的传输讯号或长距离应用,例如基地台收发器、雷达、卫星通信等。Qorvo提供业内种类最多、最具创意的GaN-on-SiC产品组合,其产品具有高功率密度、小尺寸、增益出色、高可靠性和工艺成熟的特点,早在2000年就开始批量生产。


点击视频查看Qorvo如何在GaN-on-SiC毫米波FEMs上的发展创造了更高效, 更强大的基站,同时为5G无线基础设施的发展奠定了基础。



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发表于 2018-11-16 18:20:21 | 显示全部楼层
以前曾经用过Qorvo (那时还叫Triqunt)的GaN做功放,最后发现线性度太差,也就是IM3过高,不得不放弃了
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 楼主| 发表于 2018-11-19 13:18:41 | 显示全部楼层
cariban 发表于 2018-11-16 18:20
以前曾经用过Qorvo (那时还叫Triqunt)的GaN做功放,最后发现线性度太差,也就是IM3过高,不得不放弃了 ...

也不知道现在工艺有没有进步呢
TriQuint和RFMD应该是在15年合并成Qorvo的吧,感觉年代也有点久远~管管也不是很懂,欢迎大神来论坛交流哦~
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