碳化硅上的氮化鎵還是硅上的氮化鎵？

最終用戶對(duì)數(shù)據(jù)有著貪婪的胃口，這已經(jīng)不是什么秘密了。根據(jù)思科的年度視覺網(wǎng)絡(luò)指數(shù)，從今天到 2022 年，全球年度 IP 流量預(yù)計(jì)將增加兩倍以上，到 4 年達(dá)到每年 8.2022 ZB，從 1 年的 5.2017 ZB。到2022年，來自無線和移動(dòng)設(shè)備的流量將占總數(shù)的71%，每年達(dá)到驚人的3.41澤字節(jié)。

為了提供滿足不斷增長(zhǎng)的需求所需的帶寬，無線行業(yè)正在全力以赴地從今天的4G網(wǎng)絡(luò)向5G邁進(jìn)。與此同時(shí)，電信運(yùn)營(yíng)商專注于提供最佳的客戶體驗(yàn)，同時(shí)控制資本和運(yùn)營(yíng)支出。因此，它們需要能夠提供性能、效率和價(jià)值的基礎(chǔ)設(shè)施和技術(shù)。5G承諾更大的帶寬和更低的延遲，但運(yùn)行在比傳統(tǒng)蜂窩網(wǎng)絡(luò)更高的頻段，這使得實(shí)現(xiàn)這些目標(biāo)成為技術(shù)和運(yùn)營(yíng)方面的挑戰(zhàn)。

下一代無線基站（包括宏基站和小型蜂窩）需要采用能夠滿足這些性能、效率和價(jià)值要求的技術(shù)，氮化鎵 （GaN） 已成為一個(gè)至關(guān)重要的組成部分。然而，在評(píng)估氮化鎵解決方案時(shí)，出現(xiàn)了一個(gè)常見的爭(zhēng)論：對(duì)于射頻應(yīng)用，硅（Si）上的氮化鎵（GaN）和碳化硅（SiC）上的氮化鎵（GaN）哪個(gè)更好？

雖然每種方法都有其優(yōu)點(diǎn)，但“基礎(chǔ)設(shè)施設(shè)計(jì)師選擇提供最佳整體價(jià)值的解決方案，”Wolfspeed的聯(lián)合創(chuàng)始人兼首席技術(shù)官John Palmour說?！芭c碳化硅相比，硅是一種相對(duì)便宜的襯底，但也有一些明顯的缺點(diǎn)。與硅相比，SiC器件可降低系統(tǒng)成本并改善性能，正因?yàn)槿绱?，SiC上的GaN被證明具有最佳的整體價(jià)值。

SiC上的GaN（一種寬帶隙技術(shù)）有幾個(gè)關(guān)鍵特性，共同使其成為電信和無線行業(yè)的最佳選擇：

導(dǎo)熱

SiC上的GaN的主要優(yōu)點(diǎn)是其導(dǎo)熱性優(yōu)勢(shì)。SiC上的GaN的導(dǎo)熱性是Si上的GaN的三倍，允許器件在更高的電壓和更高的功率密度下運(yùn)行。Palmour解釋說：“如果射頻設(shè)備每平方厘米輸出高瓦特，你也必須每平方厘米耗散高瓦特。導(dǎo)熱性越好，就越容易排出熱量。碳化硅具有很高的導(dǎo)熱性，比硅好得多。

完美（材料）匹配

GaN和SiC是晶格匹配的，這意味著外延層之間的晶格結(jié)構(gòu)允許在不改變SiC襯底材料的晶體結(jié)構(gòu)的情況下形成帶隙變化的區(qū)域。這樣可以降低晶體的缺陷密度，減少泄漏，提高可靠性并創(chuàng)造整體卓越的產(chǎn)品。相比之下，Si上的GaN是一種不匹配的材料系統(tǒng);Si的晶體結(jié)構(gòu)與GaN不太對(duì)齊。為了使GaN在硅上生長(zhǎng)，需要更復(fù)雜的外延結(jié)構(gòu)來防止晶圓翹曲，從而影響半導(dǎo)體的時(shí)間，成本和性能。

晶體缺陷密度決定了可以從晶圓中獲得多少“好”器件。硅基氮化鎵比碳化硅上的氮化鎵提供更少的好器件，因?yàn)樗哂懈叩娜毕菝芏?。Wolfspeed射頻產(chǎn)品開發(fā)和應(yīng)用高級(jí)總監(jiān)Simon Wood說，SiC上的GaN可以在比Si上的GaN更高的電場(chǎng)下工作，而且 - 由于衍生出更多好的器件 - SiC芯片上的GaN可以比使用Si上的GaN的GaN芯片小約20%?！拔覀兛梢栽?英寸晶圓上投入比在硅上GaN更多的瓦特。我們的論點(diǎn)是，彌補(bǔ)了硅的任何價(jià)格差異，“他說。

這是針對(duì)基站占用空間很重要的5G應(yīng)用進(jìn)行設(shè)計(jì)的一個(gè)好處。

效率問題

雖然硅在室溫下具有高電阻率，但無線基礎(chǔ)設(shè)施通常運(yùn)行“熱”。在高溫下，硅是導(dǎo)電的，并且會(huì)發(fā)生與基板的RF耦合。當(dāng)它被冷卻時(shí)，GaN會(huì)比硅襯底收縮得更多。這樣，基板的一些RF功率就會(huì)損失，從而降低了效率。由于其與GaN的緊密匹配，SiC上的GaN不會(huì)受到這些相同的溫度變化問題的影響。

此外，在硅上生長(zhǎng)GaN外延的成本高于在碳化硅上生長(zhǎng)GaN外延的成本。這使得SiC上的GaN比Si上的GaN具有顯著的效率和成本優(yōu)勢(shì)。

了解生命周期總成本

最后，對(duì)于構(gòu)建網(wǎng)絡(luò)以支持不斷增長(zhǎng)的數(shù)據(jù)需求的服務(wù)提供商來說，這一切都與生命周期成本有關(guān)——千瓦時(shí)和他們?nèi)紵哪茉础?/p>

“硅供應(yīng)商的GaN說SiC更昂貴，如果你只衡量頂線成本，這可能是真的，”Palmour說?！暗珡恼w價(jià)值的角度來看，SiC上的GaN帶來的優(yōu)勢(shì)使得Si上的GaN和SiC上的GaN在價(jià)格上具有可比性，而無可爭(zhēng)議的技術(shù)優(yōu)勢(shì)是SiC上的GaN。

寬帶隙半導(dǎo)體

SiC半導(dǎo)體上的GaN屬于寬帶隙半導(dǎo)體類別，即“允許設(shè)備在比硅和砷化鎵等傳統(tǒng)半導(dǎo)體材料高得多的電壓，頻率和溫度下運(yùn)行的半導(dǎo)體材料。寬帶隙是指更高能量的電子帶隙，當(dāng)電子在兩個(gè)能級(jí)之間切換時(shí)，產(chǎn)生半導(dǎo)體作用的能級(jí)差異，“根據(jù)維基百科。

審核編輯：郭婷