GaN在射频功率领域应用前景,你怎么看?

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氮化镓(GaN)这种宽带隙材料将引领射频功率器件新发展并将砷化镓(GaAs)和LDMOS(横向扩散金属氧化物半导体)器件变成昨日黄花?看到 一些媒体文章、研究论文、分析报告和企业宣传文档后你当然会这样认为,毕竟,GaN比一般材料有高10倍的功率密度,而且有更高的工作电压(减少了阻抗变 换损耗),更高的效率并且能够在高频高带宽下大功率射频输出,这就是GaN,无论是在硅基、碳化硅衬底甚至是金刚石衬底的每个应用都表现出色!帅呆了!


至少现在看是这样,让我们回顾下不同衬底风格的GaN:硅基、碳化硅(SiC)衬底或者金刚石衬底。

硅基氮化嫁:这种方法比另外两种良率都低,不过它的优势是可以使用全球低成本、大尺寸CMOS硅晶圆和大量射频硅代工厂。因此,它很快就会以价格为竞争优势对抗现有硅和砷化镓技术,理所当然会威胁它们根深蒂固的市场。


碳化硅衬底氮化镓:这是射频氮化镓的“高端”版本,SiC衬底氮化镓可以提供最高功率级别的氮化镓产品,可提供其他出色特性,可确保其在最苛刻的环境下使用。

金刚石衬底氮化镓:将这两种东西结合在一起是很难的,但是好处也是巨大的:在世界上所有材料中工业金刚石的热导率最高(因此最好能够用来散热)。使用金刚石代替硅、碳化硅、或者其他基底材料可以把金刚石高导热率优势发挥出来,可以实现非常接近芯片的有效导热面。

金刚石衬底GaN主要是应用于美国国防部高级研究计划署(DARPA)的近结热传输项目(NJTT),始于2011年,在这个项目中TriQuint和布 里 斯托大学第四研究室是合作伙伴,而且洛克希德·马丁公司也是参与者。该团队在2013年宣布他们已经实现了连续三次提高了GaN-on-SiC的功率密 度。这意味着可以把金刚石衬底氮化镓芯片缩小三倍或把其射频功率提升3倍,该项目完成了设计测试评估,很可能金刚石衬底GaN将在5年内满足其制造性要 求。

这里谈下TriQuint公司,该公司的氮化镓技术研发专长和在广泛的高功率、高频率工艺流程方面的领先地位为其赢得了美国国防部先进 研究项目局(DARPA) 的许多合同,包括最近与该局的Near Junction Thermal Transport (NJTT)、Microscale Power Conversion (MPC) 以及“NEXT”计划有关的项目。另外,TriQuint还为Defense Production Act Title III氮化镓计划提供持续制造技术改进支持。还有其他一些先进的TriQuint氮化镓研发项目受到Tri-Services实验室(包括美国空军、陆军 及海军)的资助。TriQuint研发人员是新型超快高功率直流-直流开关、集成式高效率放大器和复杂、高动态范围混合信号器件研发领域的开路先锋。

Qorvo 由 RFMD 和 TriQuint 两家企业合并而成,是移动设备射频解决方案的领先供应商。凭借行业最广泛的技术组合,Qorvo 在核心射频解决方案领域实力雄厚,可同时提供集成式和分立式封装设计,从而帮助客户提高 4G 智能手机的整体性能,同时节省功耗并减小尺寸。Qorvo RF Flex™ 是 Qorvo 射频前端解决方案系列的新增成员,具备出类拔萃的性能和灵活性,可扩展和优化全球市场解决方案,同时为移动设备以及 4G LTE 标准缩短上市时间。

好了,我们继续聊:

氮化镓、砷化镓和LDMOS将共存吗?
在这些领域,砷化镓和LDMOS技术将在可预见的未来继续发挥作用:

无线基础设施、工业和一些雷达应用项目:LDMOS 是一个完全成熟的技术,由于它可以提供单器件高射频功率(大于1kW)因此在这些市场的基础牢固。LDMOS可以无损的承受阻抗不匹配,并且采用先进的低 热阻塑料封装,同时可以保持低成本。其局限性是最高可用频率低于4 GHz且只在一个窄带能有最佳性能表现。LDMOS可用于有空间安置多级放大器(不是MMIC)且工作在窄带频率范围的雷达上。
低功耗电池供电设备:智能手机、平板等几乎所有产品都采用GaAs MMIC以及分立器件。砷化镓很符合它们的接收和传输信号链,且得益于30年的发展积累,有众多供应商可以提供系列产品,且成本低,外形小。


小单元,分布式天线系统和一些微波链路:砷 化镓MMIC在这些市场的优势是射频功率低,TriQuint 半导体T2G4005528-FS(图1)是GaN竞争的典型代表,这种碳化硅衬底的氮化镓HEMT(高电子迁移率晶体管)工作在从直流到3.5 GHz的频率范围,并在3.3 GHz频率上提供64W 3dB增益压缩(P3dB)。

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图1:TriQuint 半导体的宽频带的T2G4005528-FS封装的GaN-on-SiC的射频功率晶体管


一些军事雷达可工作在高频(HF)到超高频(UHF)频率:LDMOS仍是这些系统最佳候选,虽然随着硅基氮化镓器件可以覆盖更广的带宽,可用于提供有竞争力的CW RF射频输出、增益、效率以及线性度,随着成本的下降它们将更有吸引力。
还有许多其他应用项目,比如有线电视分配放大器,在这些应用中,砷化镓和LDMOS的优势无可替代。简而言之,砷化镓和LDMOS技术在这些领域不会消失。

GaN赢在哪里?
下面列出GaN的几个突出优点:

1.有源相控阵(AESA)雷达和电子战(EW)系统:这些是碳化硅衬底氮化镓(或者是金刚石衬底)晶体管或者单片微波集成电路(MMIC)的关键应用, 而且多年来已经成为这个领域的事实标准,因为当前或再过几年都没有其他技术可以可供碳化硅衬底氮化镓的功率密度和其他优势。
下 图显示了Ka波段砷化镓和碳化硅衬底氮化镓MMIC射频功率放大器(如图2所示)的构成。两者都由TriQuint制造。每个放大器在30GHz提供6W 射频功率,不过,氮化镓所需的有源器件更少,所以MMIC只需要一个简单的四路功率合成器。砷化镓MMIC放大器需要更多的器件而且电路更复杂,因为它必 须包含32路功率合成器,它影响了MMIC的最终尺寸。砷化镓MMIC大约是铅笔橡皮擦顶部面积那么大小,而GaN 放大器则大约是生米粒大小。
 

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图2:砷化镓MMIC大约是铅笔橡皮擦顶部面积那么大小,而GaN 放大器大约是生米粒大小。


显然笼统来看这两个器件都不大,但当考虑应用的时候例如相控阵雷达时氮化镓的优势就很明显了。AESA雷达可能有70000个部件,每一个由基于MMIC 的 发射/接收模块伺服,相对于砷化镓MMIC来说,氮化镓MMIC的尺寸可以更小,再结合氮化镓的高功率输出和更高的工作频率,氮化镓q器件在相控阵雷达中 取代砷化镓是理所当然的了。

2.工作在4 GHz以上大功率、宽带系统:除了氮化镓没有其他技术可以提供这些系统所需要的性能。从非常小的用于卫星通信合成孔径终端(VSATs)到更高频段的微波链路,氮化镓将是其不二的选择。

3.一些低噪声放大器(lna):尽管GaN和GaAs在噪声性能方面不分伯仲,但是GaN可以处理已经失真或失效的更大幅度信号。氮化镓在这些低噪声放大器领域不会很快取代砷化镓、硅锗(锗硅)或任何其他技术。然而在处理高电平信号时,GaN有其独特的优势。


4. 高功率射频开关和其他控制组件:GaN的高击穿电压和电流处理能力使其比基于砷化镓MMIC更适合做开关。它们也可以工作在高效宽带领域,它们有相同的低 插入损耗和高隔离的PIN二极管开关,可以处理更高功率且电流消耗低,TriQuint的TGS2354 碳化硅衬底氮化镓SPDT反射开关裸片(图3)覆盖了500MHz到6GHz频段,可处理40 W射频功率,开关速度不到50 ns,亏损仅为0.8 dB或更少并且隔离度大于25dB。
 

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图3:TriQuint的TGS2354 GaN-on-SiC开关die适合适合大功率应用的要求。

前途一片光明
假如将GaN在RF领域的发展分成几个章节;在第一章完成初始开发之后,现在我们刚刚完成了第二章。到目前为止,已经建立了一个商业市场,已经确定了设备 可 靠性和制造能力,晶圆尺寸已经达到6英寸,许多公司已经展示了材料的潜力,这一切都在2000年前后实现,自从1980年代开始发展砷化镓MMIC以来, 这是取得的最瞩目的成就。

在接下来的章节中,GaN将开始获取更多发展潜力。热管理技术,其技术进步的主要因素是解决使用金刚石作为衬底和 热辊材料(在铝-金刚石模型复合材料中),散热片的进步通过使用高导热系数的材料和其他技术。这些其他方法可让功率密度增加。而今天晶体管门功率密度实际 是低于10 W / mm(砷化镓不超过1.5 W /毫米),现在一个非常简单的器件就可以有高达3 b;

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图4:Cree的碳化硅HEMT可提供比硅和砷化镓晶体管更大的功率密度和更宽的带宽。带宽的系列范围从10 Mhz通过18Ghz。

氮化镓就像之前的砷化镓一样,在国防系统中将是至关重要的,主要用于但不限于AESA雷达和电子战以满足下一代需求。有几个非常大的项目在未来或多或少都 依 赖它。因此,氮化镓MMIC在商业市场将激增并且国防承包商将开始部署它们。GaN在商业应用未来如无线基础设施一样绝对是前途一片光明,但进一步的接受 程度取决于其成本是否进一步降低。


简而言之,氮化镓现在才是刚刚发力,十年内其前途辉煌。整个发展故事值得好好读读,随着GaN所向披靡,那么砷化镓和LDMOS终将会成为历史。

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