制造 GaN
第一波 5G 基站已经部署。现在,设备制造商正在开发新的基于 GaN 的功率放大器芯片,希望抓住下一波 5G 基站部署浪潮。Cree、富士通、三菱、恩智浦、Qorvo、住友等公司在 RF GaN 器件市场上展开竞争。Yole 分析师 Ahmed Ben Slimane 表示:“此外,在中美贸易战之后,许多中国公司正试图在内部开发用于 5G 基础设施的 GaN RF,而一些美国公司则失去了市场份额。”
在最近的 IMS2020 会议上,各个实体发表了关于 RF GaN 下一步发展的论文。他们之中:
Fraunhofer 展示了工作频率超过 200GHz 的 G 波段 GaN 功率放大器。
恩智浦描述了一款效率为 65% 的 300W GaN 功率放大器。
Qorvo 披露了其最新的 90nm GaN 工艺。GaN 晶体管的峰值 PAE 为 51%。
HRL 开发了 PAE 为 75% 的渐变沟道 GaN HEMT。
RF GaN 不断改进,但相对昂贵。提高效率是另一个挑战。有时,GaN 会受到所谓的动态导通电阻的影响。
作为回应,RF GaN 供应商正在通过迁移到更大的晶圆尺寸、改进晶圆厂的工艺流程等步骤来降低成本。
如前所述,GaN HEMT 是具有源极、栅极和漏极的横向器件。据 Qorvo 称,栅极长度决定了器件的速度。较小的门转化为更快的器件。“电压与栅极长度成比例。当您采用更小的栅极几何结构时,您将无法摆动那么多的电压,这会限制您的功率能力,”Qorvo 的 Nelson 说。
在 RF GaN 中,最先进的栅极长度是 90nm。供应商主要运送栅极长度为 0.15μm 至 0.5μm 的 RF GaN 芯片。
据 Qorvo 称,缓冲层是基于掺杂碳或铁的 GaN 材料,可防止电子进入基板。基于氮化铝镓 (AlGaN),势垒将栅极和沟道隔离开来。
Veeco产品营销高级经理 Ronald Arif 表示:“顶层通常是薄的 AlGaN 层,在下面覆盖几微米厚的 GaN 层,以形成高速导电通道所需的 2D 电子气。” “通过 MOCVD 生长 GaN-on-SiC 是一个成熟的工艺。出于成本和集成的原因,业界更喜欢在硅衬底上生长 GaN 材料。但这在材料质量、均匀性和缺陷方面提出了重大挑战。”
尽管如此,下一步是在器件顶部形成源极和漏极。然后,在结构上沉积一层氮化硅。
下一步是形成浇口。在设备上,蚀刻系统蚀刻出一个小开口。金属沉积在开口中,形成栅极。
栅极蚀刻工艺有效。但有时,该工艺会损坏 GaN 表面的底部和侧壁。
因此,供应商正在探索将原子层蚀刻(ALE) 用于 GaN。ALE 在原子尺度上去除材料,但这是一个缓慢的过程。因此,ALE 可能会与传统的 GaN 蚀刻工艺结合使用。
“它可能需要一套蚀刻工艺来解决 GaN HEMT 和 MIMIC 制造的独特挑战,”Lam 的 Haynes 说。“这些包括使用 ALE 来实现原子级精确、超低损伤和高选择性蚀刻 GaN/AlGaN 结构。使用这种方法,我们已经证明,与传统的稳态蚀刻工艺相比,蚀刻后的 GaN 薄层电阻降低了 2 倍,表面粗糙度相当于沉积的外延膜。这种改进对改进设备性能和可靠性有直接影响。”
最后,基板被减薄,底部被金属化。据 Qorvo 称,过孔形成在基板的顶部和底部之间,这会降低电感。
结论
多年来,供应商一直在谈论在智能手机中使用 GaN 作为功率放大器。今天的手机功率放大器使用砷化镓 (GaAs) 工艺。
GaN 对于智能手机来说太贵了。另一方面,GaN 在其他几个市场中越来越受欢迎,使其成为众多值得关注的技术之一。