氮化鎵在毫米波應(yīng)用中占有一席之地

了解 5G NR 新無(wú)線(xiàn)電

早在 1980 年代，俗話(huà)說(shuō)毫米波長(zhǎng)的使用“指日可待，而且永遠(yuǎn)都是”。可以說(shuō)，就在幾年前，你仍然可以提出這個(gè)論點(diǎn)。除了Ka波段衛(wèi)星通信，車(chē)輛高級(jí)駕駛輔助系統(tǒng)（ADAS）以及一些國(guó)防和科學(xué)應(yīng)用外，“那里”并沒(méi)有發(fā)生太多事情。但是，當(dāng)毫米波頻率被納入5G新無(wú)線(xiàn)電（NR）的標(biāo)準(zhǔn)時(shí)，情況發(fā)生了迅速變化，這在非常短的時(shí)間內(nèi)開(kāi)始了連續(xù)不斷的顯著成就。

片上射頻系統(tǒng)

例如，多家半導(dǎo)體制造商開(kāi)發(fā)了片上系統(tǒng) （SoC），其中包括整個(gè)射頻 （RF） 信號(hào)鏈和有源相控陣天線(xiàn)，該天線(xiàn)在微型封裝中集成了數(shù)十個(gè)元件。硅鍺（SiGe），雙極互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體（BiCMOS），絕緣體上硅（SoI）甚至磷化銦（InP）都在這些設(shè)備上投入使用，那么GaN在哪里適合這個(gè)圖景？

這個(gè)問(wèn)題的答案是，GaN可以為毫米波系統(tǒng)提供與較低頻率和相同原因的好處。GaN 在 2000 年代中期風(fēng)靡全球，因?yàn)樗墓β拭芏取⑿屎统惺芨邠舸╇妷旱哪芰?yōu)于硅或氮化鎵 （GaAs）。

功率應(yīng)用中的氮化鎵

首先以分立形式出現(xiàn)，然后作為單片微波集成電路（MMIC），碳化硅氮化鎵（SiC）已成為許多商業(yè)和國(guó)防應(yīng)用的“首選”技術(shù)。所有這些優(yōu)勢(shì)對(duì)于毫米波長(zhǎng)的GaN仍然有效，盡管實(shí)現(xiàn)高功率水平并不像在較低頻率下那么重要，因?yàn)橄嗫仃嚳梢赃_(dá)到增益，并且可以通過(guò)非常小的相控陣在窄波束中引導(dǎo)，它們可以由許多天線(xiàn)元件組成。

GaN的主要優(yōu)點(diǎn)之一是其功率密度（每單位芯片尺寸可以產(chǎn)生的功率量），明顯高于同類(lèi)產(chǎn)品。硅器件的功率密度為0.2 W/mm，GaAs達(dá)到約1 W/mm，而GaN的（理論）功率密度超過(guò)30 W/mm，SiC（用作GaN器件的襯底材料）為10 W/mm。盡管碳化硅基氮化鎵器件在達(dá)到30 W/mm之前還有很長(zhǎng)的路要走，但目前最先進(jìn)的碳化硅基氮化鎵器件至少達(dá)到了11 W/mm。這可能是一個(gè)低估，因?yàn)槌鲇陲@而易見(jiàn)的原因，制造商將這個(gè)指標(biāo)放在胸前。也就是說(shuō)，雖然實(shí)現(xiàn)巨大的功率密度非常令人印象深刻，但它也會(huì)產(chǎn)生同樣巨大的熱量，這些熱量必須從芯片開(kāi)始迅速分散，并延伸到基板和向外延伸。

為什么GaN的寬帶隙如此重要？

為了使GaN器件能夠在其結(jié)溫區(qū)內(nèi)“舒適”地工作并確保長(zhǎng)期可靠性，放大器設(shè)計(jì)人員必須在可實(shí)現(xiàn)的目標(biāo)與商業(yè)上可行的目標(biāo)之間進(jìn)行權(quán)衡。對(duì)于當(dāng)今的大多數(shù)系統(tǒng)，最先進(jìn)的熱管理技術(shù)將其限制在約5至7 W/mm2，盡管使用先進(jìn)（和更昂貴）的基板材料（如金剛石基板和鋁-金剛石基體復(fù)合散熱器）可以在一定程度上增加這一比例。

雖然其他競(jìng)爭(zhēng)者可以在Ka波段實(shí)現(xiàn)幾瓦的RF輸出功率，但GaN的高功率密度可以在更高的頻率下以較小的尺寸提供10倍的功率。例如，GaN MMIC已經(jīng)證明它們能夠在47至90 GHz范圍內(nèi)產(chǎn)生超過(guò)140 mW的功率。

因此，GaN MMIC被用于取代行波管放大器（TWTA）也就不足為奇了，直到最近，行波管放大器是唯一在毫米波長(zhǎng)下產(chǎn)生可觀(guān)的RF功率的設(shè)備。與GaAs贗態(tài)高電子遷移率晶體管（pHEMT）相比，它們的功率密度使GaN MMIC能夠減少80%以上的材料需求，因此由于在MMIC和模塊級(jí)別降低了片上組合損耗，因此它們可以提供更高的效率。

例如，雷神公司前段時(shí)間表示，與砷化鎵MMIC相比，有源電子掃描陣列（AESA）搜索雷達(dá)可以在相同的時(shí)間內(nèi)實(shí)現(xiàn)五倍的搜索量，使用更小50%的天線(xiàn)陣列尺寸，以相同的靈敏度實(shí)現(xiàn)50%的范圍。

GaN的大部分實(shí)力來(lái)自于它是一種寬帶隙（WBG）材料。WBG器件可以消除目前在AC-DC和DC-AC電力轉(zhuǎn)換過(guò)程中發(fā)生的高達(dá)90%的功率損耗，工作電壓比硅基器件高10倍，工作溫度高于300°C。

為了更好地理解這些特征，我們需要深入研究物理學(xué)。基本上，固體中的電子存在于結(jié)合形成能帶的能級(jí)上。頂部的帶稱(chēng)為導(dǎo)帶，下一個(gè)較低的帶稱(chēng)為價(jià)帶。價(jià)帶和導(dǎo)帶之間的區(qū)域是帶隙。

氮化鎵中的極化電荷

在WBG材料中，當(dāng)價(jià)帶中的電子被外部激發(fā)足夠多時(shí)，它們可以向上移動(dòng)到導(dǎo)帶。導(dǎo)體（例如銅）沒(méi)有帶隙，因?yàn)閮蓚€(gè)能帶重疊。絕緣材料的間隙非常寬，以至于需要太多的能量來(lái)橋接它。但是半導(dǎo)體更接近導(dǎo)體（因此稱(chēng)為“半導(dǎo)體”），并允許一定量的能量在價(jià)帶和導(dǎo)帶之間交叉。

該能量的量決定了半導(dǎo)體在帶隙層次結(jié)構(gòu)中的位置。參考材料通常是硅，因?yàn)樗膸稙?.1電子伏特（eV）或砷化鎵（1.4eV）。相比之下，GaN的帶隙為3.4 eV，當(dāng)與具有3 eV帶隙能量的SiC襯底結(jié)合使用時(shí)，GaN可以實(shí)現(xiàn)更高的擊穿和工作電壓。

了解氮化鎵技術(shù)

盡管今天GaN的好處是在較低頻率上實(shí)現(xiàn)的，但它們?cè)诤撩撞l率上的使用正在快速增長(zhǎng)，特別是對(duì)于在較高頻率下出現(xiàn)威脅的防御系統(tǒng)，需要比低地球軌道對(duì)應(yīng)物更高的有效輻射功率的地球同步衛(wèi)星以及5 GHz及以上的60G網(wǎng)絡(luò)，其中中繼器的使用正在減少覆蓋給定區(qū)域所需的小型蜂窩數(shù)量。隨著無(wú)線(xiàn)行業(yè)進(jìn)入第六代，GaN將發(fā)揮更大的作用，因?yàn)楣ぷ黝l率增加到遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)100 GHz，在GaN的最大截止頻率范圍內(nèi)。

審核編輯：郭婷