GaN 技術(shù)的過去和現(xiàn)在

氮化鎵 (GaN) 晶體管于 20 世紀(jì) 90 年代亮相，目前廣泛應(yīng)用于商業(yè)和國防領(lǐng)域，但工程應(yīng)用可能大相徑庭。不相信？可以理解。但在您閱讀本書之后，可能會(huì)成為忠實(shí)支持者。

GaN 的普及根植于其高電源和高電壓功能。這些特性使其適用于許多應(yīng)用，包括微波射頻 (RF) 和功率開關(guān)應(yīng)用。

GaN 獨(dú)特的材料屬性使其成為許多應(yīng)用全新首選技術(shù)，如 5G 通信、汽車、照明、雷達(dá)和衛(wèi)星應(yīng)用。但 GaN 制造商和開發(fā)人員并不止步于此。他們繼續(xù)通過技術(shù)革命來推進(jìn) GaN 的發(fā)展。這些創(chuàng)新將在未來繼續(xù)開拓新的應(yīng)用領(lǐng)域。

本書提供了牢固的 GaN 基礎(chǔ)知識。它著眼于技術(shù)和 GaN 實(shí)現(xiàn)的驅(qū)動(dòng)因素，以幫助您了解普及 GaN 的益處。它還調(diào)查了目前各行各業(yè)使用 GaN 的成熟和前沿應(yīng)用。閱讀本書之后，您將了解 GaN 如何在電子工程行業(yè)掀起一場革命，及其如何繼續(xù)保持這一勢頭。

傻瓜式假設(shè)

之前提到，大多假設(shè)已不再關(guān)乎使用，盡管如此，我們?nèi)匀蛔龀鲆韵录僭O(shè)。我們主要假設(shè)您是技術(shù)或半導(dǎo)體行業(yè)的利益相關(guān)者，并且長期關(guān)注 GaN 等技術(shù)。您可能是工程師、設(shè)計(jì)架構(gòu)師、技術(shù)員、技術(shù)主管、銷售人員、技術(shù)學(xué)員或投資者。我們還假設(shè)您對半導(dǎo)體技術(shù)有一定的了解。因此，本書的主要受眾為了解一定技術(shù)的讀者，比如您。

果真如此的話，本書正適合您！如果都沒猜中，您也要讀下去。這本書很有用，讀完后，您會(huì)對 GaN 技術(shù)有一個(gè)初步的了解！

氮化鎵 (GaN) 技術(shù)是一項(xiàng)相對較新的半導(dǎo)體技術(shù)，正在徹底改變當(dāng)今世界。GaN 的優(yōu)勢源于其獨(dú)特的材料屬性 ：寬帶隙、高擊穿電壓、高熱導(dǎo)率、高電子遷移率和高飽和電子速度。

本章首先介紹關(guān)于 GaN 及其優(yōu)勢的一些基本事實(shí)，然后對使用 GaN 的行業(yè)和應(yīng)用進(jìn)行調(diào)查。

GaN ：過去和現(xiàn)在

20 世紀(jì) 90 年代初，人們首次認(rèn)識到 GaN 作為一種大功率和高頻半導(dǎo)體晶體管材料的潛力，并開始不斷探索。到 2000 年代中后期，GaN 就已經(jīng)用于國防和航天領(lǐng)域的生產(chǎn)應(yīng)用，以及固態(tài)照明發(fā)光二極管 (LED) 的商業(yè)應(yīng)用。

自那時(shí)起，GaN 逐漸被射頻 (RF) 電子領(lǐng)域接受，并廣泛部署于 5G 等商業(yè)無線應(yīng)用。GaN 材料的改進(jìn)可實(shí)現(xiàn)高功率密度、高效率射頻放大器，并推動(dòng)了射頻技術(shù)的應(yīng)用。

像砷化鎵 (GaAs) 和磷化銦鎵 (InGaP) 一樣，GaN 是一種 III-V 直接帶隙半導(dǎo)體技術(shù)。III-V 化合物半導(dǎo)體是一種含有元素周期表中 III 和 V 族元素的合金。（我們將在第 2 章詳細(xì)地討論這些內(nèi)容。）

許多半導(dǎo)體市場分析師仍將 GaN 描述為一項(xiàng)相對較新的技術(shù)。然而，在短短的幾年時(shí)間里，GaN 已經(jīng)從新秀一躍成為許多應(yīng)用領(lǐng)域的領(lǐng)跑者。GaN 不僅取代了根深蒂固的現(xiàn)有硅技術(shù)，如橫向擴(kuò)散金屬氧化物半導(dǎo)體 (LDMOS)，而且在與 GaAs 等其他技術(shù)組合使用時(shí)，還有助于提高整體系統(tǒng)性能。

GaN 能夠補(bǔ)充 GaAs 等現(xiàn)有技術(shù)的不足，從而有助于加快其在國防與商業(yè)應(yīng)用領(lǐng)域的普及。GaN 還有助于提高系統(tǒng)性能，以滿足下一代系統(tǒng)對更高功率、頻率和效率的要求。因此，它開始成為帶寬更寬、頻率更高的全新射頻應(yīng)用的首選技術(shù)。

了解 GaN 的全球市場影響力

GaN 市場已經(jīng)突破了 10 億美元大關(guān)。GaN 能夠滿足極端溫度、寬帶寬、大功率、高電壓和高輸入功率等要求，這些獨(dú)特的優(yōu)勢使其能夠同時(shí)進(jìn)入許多市場領(lǐng)域，如圖 1-1 中所示。

主要市場為國防、航天、電信基礎(chǔ)設(shè)施和衛(wèi)星通信。但 GaN 還可用于許多其他應(yīng)用。為了保持完整性，這里有一個(gè)更全面的列表，描述了圖 1-1 所示每個(gè)高級市場的次級市場 ：

圖 1-1 ：GaN 射頻技術(shù)和市

? 國防和航天

? 電子戰(zhàn)干擾發(fā)射器

? 國防通信，包括戰(zhàn)術(shù)無線電、衛(wèi)星通信、數(shù)據(jù)鏈路

? 國防雷達(dá)，包括空中、陸基和海軍雷達(dá)

? 民用雷達(dá)，包括航空交通管制和氣象雷達(dá)

? 衛(wèi)星通信，包括國防和民用衛(wèi)星通信

? 無線基礎(chǔ)設(shè)施

? 宏/微基站，包括遠(yuǎn)程無線電頭端 (RRH) 和有源天線系統(tǒng) (AAS)

? 小基站

? 無線回程

? 有線寬帶

? 射頻能量

? 醫(yī)學(xué)

? 工業(yè)

? 科學(xué)

? 汽車

? 測試與測量

GaN 用于國防領(lǐng)域

GaN 在國防領(lǐng)域一直處于領(lǐng)先，并將繼續(xù)保持領(lǐng)先地位。GaN 在提高軍事系統(tǒng)性能方面發(fā)揮著關(guān)鍵作用，如有源電子掃描陣列 (AESA) 雷達(dá)和電子戰(zhàn) (EW) 系統(tǒng)，這兩種系統(tǒng)都需要大功率、小巧外形和高效散熱性能。在滿足許多國防應(yīng)用的高功率密度、高效率、寬帶寬和長使用壽命需求方面，GaN 可提供有效的解決方案。

GaN 用于 5G 電信領(lǐng)域

通過實(shí)現(xiàn)大規(guī)模 MIMO 無線基站，5G 開創(chuàng)了多輸入 / 多路輸出 (MIMO) 技術(shù)的新時(shí)代。當(dāng)您推出 5G 基礎(chǔ)設(shè)施時(shí)，大規(guī)模 MIMO 系統(tǒng)可幫助無線網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營商提高性能，最小化成本并提高容量。

隨著向大規(guī)模 MIMO 過渡，業(yè)界開始從 LDMOS 功率放大器轉(zhuǎn)向運(yùn)行溫度更低、外形更小巧、功率更大的 GaN 基解決方案。下面是與 LDMOS 相比，碳化硅 (SiC) 基 GaN 技術(shù)用于基站的一些關(guān)鍵優(yōu)勢 ：

? 陣列更小 ：因?yàn)榕c LDMOS 相比，GaN on SiC 具有更高的功率輸出和出色的散熱性能，所以無線網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營商可利用較小型陣列實(shí)現(xiàn)相同的輸出功率。GaN on SiC 的陣列大小最多比 LDMOS 小 20%。

? 可靠性 ：即使在高溫條件下，GaN 也能可靠運(yùn)行。這對于 5G 基站來說至關(guān)重要，因?yàn)檫@些系統(tǒng)開始從無線發(fā)射塔下方的空調(diào)房間搬到塔頂。即使在惡劣的塔頂環(huán)境下，GaN on SiC 也具有較高的可靠性。

? 散熱性能更出色 ：GaN on SiC 的熱導(dǎo)率比 LDMOS 更高，所以可以更有效地散熱，從而實(shí)現(xiàn)運(yùn)行溫度更低的系統(tǒng)。

? 工作頻率更高 ：與 LDMOS 不同的是，GaN on SiC 可在 5G 使用的 6 GHz 以下和毫米波 (mmWave) 頻率范圍內(nèi)工作，同時(shí)效率提高 10% 到 15%。

? 重量更輕 ：重量是基站應(yīng)用的一個(gè)重要因素，也是更小巧外形之所以重要的關(guān)鍵原因。GaN 的效率更高，因而可使用尺寸更小的散熱器，從而可縮減整個(gè)系統(tǒng)的尺寸和重量。對于在塔上安裝 5G 的人員來說，這是非常重要，因?yàn)橹亓扛p意味著安裝更簡單。

要想充分發(fā)揮 5G 的多 Gbps 數(shù)據(jù)傳輸速度和超低延遲潛力，移動(dòng)運(yùn)營商必須提高系統(tǒng)性能。這意味著，它們需要對頻譜采集、網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施和傳輸技術(shù)進(jìn)行大量投資。在 6 GHz 以下和毫米波頻率范圍內(nèi)運(yùn)行的大規(guī)模 MIMO 無線基站是其中一項(xiàng)最重要的 5G 傳輸技術(shù)。

大規(guī)模 MIMO 基站使用許多天線傳輸和接收數(shù)據(jù)，而不是傳統(tǒng)無線通信中通常使用的單天線。這些大規(guī)模 MIMO 系統(tǒng)支持空間復(fù)用，其中每個(gè)信道都向接收器傳送獨(dú)立信息。這可提高信號可靠性，并大幅提升吞吐量。

那么，5G 大規(guī)模 MIMO 基站系統(tǒng)需要什么樣的射頻前端 (RFFE) 組件呢？它們必須為具有高線性度、極高效率和低功耗的集成組件。GaN 滿足這些要求。此外，在 RFFE 中使用 GaN 可減少大規(guī)模 MIMO 陣列所需有源元件的數(shù)量，以滿足基站系統(tǒng)輸出功率要求，如等效全向輻射功率 (EIRP)。

EIRP 是在給定天線增益和射頻子系統(tǒng)發(fā)射器功率的情況下，天線陣列所能輻射的最大功率。通過使用 GaN，系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員可以輕松地實(shí)現(xiàn)每個(gè)塔的 5G 指定 EIRP 級別。此外，他們還可以使用更少、更小的天線來實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，從而以更低的資本支出更快速地進(jìn)入市場。

比較 GaN 與其他技術(shù)

盡管 GaN 逐漸在越來越多的市場領(lǐng)域取代其他技術(shù)，但仍有一些現(xiàn)有技術(shù)直接與 GaN 競爭。最后，GaN 可為系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員和設(shè)備工程師提供另一種技術(shù)選擇，以打造一流產(chǎn)品，同時(shí)最小化系統(tǒng)與用戶需求之間的權(quán)衡。

在任何射頻系統(tǒng)中，最優(yōu)技術(shù)都取決于設(shè)計(jì)人員所要實(shí)現(xiàn)的性能參數(shù)。在大多數(shù)應(yīng)用中，技術(shù)選擇取決于頻率、功率水平、效率、尺寸和價(jià)格?？捎玫闹饕夹g(shù)選項(xiàng)包括碳化硅 (SiC) 基 GaN、硅 (Si) 基 GaN、GaAs 和 LDMOS。表 1-1 比較了它們的特性及適用的射頻應(yīng)用。

快速瀏覽此表，您就會(huì)明白為什么全球開始拋棄 LDMOS。GaN 可為進(jìn)行系統(tǒng)開發(fā)的設(shè)計(jì)人員提供全面的競爭優(yōu)勢，滿足其功率、寬帶寬、高工作電壓和高散熱性能等要求。

因此，許多工程師都想知道 GaN 最終是否會(huì)取代 LDMOS 等技術(shù)。要回答這個(gè)問題，我們先來看看以下這些關(guān)鍵問題 ：

? GaN 是否支持現(xiàn)有應(yīng)用和新應(yīng)用？

? 它是否易于使用？是否提供即插即用的替換件？

? 它是與當(dāng)前技術(shù)一樣可靠，還是比當(dāng)前技術(shù)更加可靠？

GaN 已經(jīng)能夠滿足取代現(xiàn)有技術(shù)的所有先決條件，尤其是在 5G 等新應(yīng)用領(lǐng)域。5G 領(lǐng)域的 GaN 已經(jīng)支持更快的數(shù)據(jù)傳輸速度、更大的射頻范圍、更高的溫度穩(wěn)定性、較高輸入功率水平穩(wěn)定性、更小巧的尺寸以及更高效的功耗。

如前所述，GaN 射頻系統(tǒng)得益于其獨(dú)特的材料屬性：寬帶隙、高電荷密度、高電子遷移率和高溫耐受性。這些屬性可轉(zhuǎn)化為高功率附加效率 (PAE)、高功率輸出、小巧外形、寬帶寬和耐用性等射頻優(yōu)勢。通過利用 GaN 的高 PAE 和高工作電壓優(yōu)點(diǎn)，系統(tǒng)能夠以更低的工作電流和成本運(yùn)行。此外，系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員還可以減少系統(tǒng)設(shè)計(jì)所需的組件數(shù)量，從而節(jié)省設(shè)計(jì)時(shí)間，加快上市步伐。除了高熱導(dǎo)率外，GaN 還因其低輻射靈敏度而知名。

從表 1-1 中我們可以猜測出，GaN 的制造工藝主要使用碳化硅或硅基板（分別為 GaN on SiC 和 GaN on Si）。每種基板都有其自己的優(yōu)勢。與碳化硅相比，硅基板的成本相對更低。然而，從許多方面來看，與 GaN on Si 相比，GaN on SiC 的可靠性和功率性能更高，因此更具優(yōu)勢，如圖 1-2 中所示。這使得 GaN on SiC 成為 5G 電信、國防、航天等許多應(yīng)用領(lǐng)域的最佳之選。

圖 1-2 ：GaN on SiC 和 GaN on Si 的優(yōu)勢比較

圖 1-2 突出顯示了 GaN on SiC 和 GaN on Si 基板之間區(qū)別。此外，我們還發(fā)現(xiàn)人造金剛石是另一種替代基板材料。Si 基板的成本最低，但散熱性能也最低，而金剛石基板的成本最高，但散熱性能最高。然而，成本和散熱性能之間的最佳平衡是 SiC 基板材料。因此，SiC 基板最常用于高功率、高效率的應(yīng)用，尤其是國防和基礎(chǔ)設(shè)施領(lǐng)域。

文章來源： Qorvo半導(dǎo)體

審核編輯 黃宇