【無(wú)線(xiàn)射頻芯片】-GaN在射頻功率領(lǐng)域會(huì)所向披靡嗎

1/1GaN在射頻功率領(lǐng)域會(huì)所向披靡嗎？

氮化鎵(GaN)這種寬帶隙材料將引領(lǐng)射頻功率器件新進(jìn)展并將砷化鎵(GaAs)和LDMOS(橫向集中金屬氧化物半導(dǎo)體)器件變成昨日黃花？看到一些媒體文章、討論論文、分析報(bào)告和企業(yè)宣揚(yáng)文檔后你當(dāng)然會(huì)這樣認(rèn)為，究竟，GaN比一般材料有高10倍的功率密度，而且有更高的工作電壓(削減了阻抗變換損耗)，更高的效率并且能夠在高頻高帶寬下大功率射頻輸出，這就是GaN，無(wú)論是在硅基、碳化硅襯底甚至是金剛石襯底的每個(gè)應(yīng)用都表現(xiàn)精彩！帥呆了！

至少現(xiàn)在看是這樣，讓我們回顧下不同襯底風(fēng)格的GaN：硅基、碳化硅（SiC）襯底或者金剛石襯底。

硅基氮化嫁：這種方法比另外兩種良率都低，不過(guò)它的優(yōu)勢(shì)是可以使用全球低成本、大尺寸CMOS硅晶圓和大量射頻硅代工廠。因此，它很快就會(huì)以?xún)r(jià)格為競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)對(duì)抗現(xiàn)有硅和砷化鎵技術(shù)，理所當(dāng)然會(huì)威逼它們根深蒂固的市場(chǎng)。

碳化硅襯底氮化鎵：這是射頻氮化鎵的"高端'版本，SiC襯底氮化鎵可以供應(yīng)最高功率級(jí)別的氮化鎵產(chǎn)品，可供應(yīng)其他精彩特性，可確保其在最苛刻的環(huán)境下使用。

金剛石襯底氮化鎵：將這兩種東西結(jié)合在一起是很難的，但是好處也是巨大的：在世界上全部材料中工業(yè)金剛石的熱導(dǎo)率最高(因此最好能夠用來(lái)散熱)。使用金剛石代替硅、碳化硅、或者其他基底材料可以把金剛石高導(dǎo)熱率優(yōu)勢(shì)發(fā)揮出來(lái)，可以實(shí)現(xiàn)特別接近芯片的有效導(dǎo)熱面。

金剛石襯底GaN主要是應(yīng)用于美國(guó)國(guó)防部高級(jí)討論方案署（DARPA）的近結(jié)熱傳輸項(xiàng)目（NJTT），始于2023年，在這個(gè)項(xiàng)目中TriQuint和布里斯托高校第四討論室是合作伙伴，而且洛克希德馬丁公司也是參加者。該團(tuán)隊(duì)在2023年宣布他們已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了連續(xù)三次提高了GaN-on-SiC的功率密度。這意味著可以把金剛石襯底氮化鎵芯片縮小三倍或把其射頻功率提升3倍，該項(xiàng)目完成了設(shè)計(jì)測(cè)試評(píng)估，很可能金剛石襯底GaN將在5年內(nèi)滿(mǎn)意其制造性要求。

這里談下TriQuint公司，該公司的氮化鎵技術(shù)研發(fā)專(zhuān)長(zhǎng)和在廣泛的高功率、高頻率工藝流程方面的領(lǐng)先地位為其贏得了美國(guó)國(guó)防部先進(jìn)討論項(xiàng)目局(DARPA)的很多合同，包括最近與該局的NearJunctionThermalTransport(NJTT)、MicroscalePowerConversion(MPC)以及"NEXT'方案有關(guān)的項(xiàng)目。另外，TriQuint還為DefenseProductionActTitleIII氮化鎵方案供應(yīng)持續(xù)制造技術(shù)改進(jìn)支持。還有其他一些先進(jìn)的TriQuint氮化鎵研發(fā)項(xiàng)目受到Tri-Services試驗(yàn)室（包括美國(guó)空軍、陸軍及海軍）的資助。TriQuint研發(fā)人員是新型超快高功率直流-直流開(kāi)關(guān)、集成式高效率放大器和簡(jiǎn)單、高動(dòng)態(tài)范圍混合信號(hào)器件研發(fā)領(lǐng)域的開(kāi)路先鋒。

氮化鎵、砷化鎵和LDMOS將共存嗎？

在這些領(lǐng)域，砷化鎵和LDMOS技術(shù)將在可預(yù)見(jiàn)的將來(lái)連續(xù)發(fā)揮作用：

無(wú)線(xiàn)基礎(chǔ)設(shè)施、工業(yè)和一些雷達(dá)應(yīng)用項(xiàng)目：LDMOS是一個(gè)完全成熟的技術(shù)，由于它可以供應(yīng)單器件高射頻功率（大于1kW）因此在這些市場(chǎng)的基礎(chǔ)堅(jiān)固。LDMOS可以無(wú)損的承受阻抗不匹配，并且采納先進(jìn)的低熱阻塑料封裝，同時(shí)可以保持低成本。其局限性是最高可用頻率低于4GHz且只在一個(gè)窄帶能有最佳性能表現(xiàn)。LDMOS可用于有空間安置多級(jí)放大器（不是MMIC）且工作在窄帶頻率范圍的雷達(dá)上。

低功耗電池供電設(shè)備：智能手機(jī)、平板等幾乎全部產(chǎn)品都采納GaAsMMIC以及分立器件。砷化鎵很符合它們的接收和傳輸信號(hào)鏈，且得益于30年的進(jìn)展積累，有眾多供應(yīng)商可以供應(yīng)系列產(chǎn)品，且成本低，形狀小。

小單元，分布式天線(xiàn)系統(tǒng)和一些微波鏈路：砷化鎵MMIC在這些市場(chǎng)的優(yōu)勢(shì)是射頻功率低，TriQuint半導(dǎo)體T2G4005528-FS(圖1)是GaN競(jìng)爭(zhēng)的典型代表，這種碳化硅襯底的氮化鎵HEMT(高電子遷移率晶體管)工作在從直流到3.5GHz的頻率范圍，并在3.3GHz頻率上供應(yīng)64W3dB增益壓縮（P3dB）。

圖1：TriQuint半導(dǎo)體的寬頻帶的T2G4005528-FS封裝的GaN-on-SiC的射頻功率晶體管

一些軍事雷達(dá)可工作在高頻（HF）到超高頻（UHF）頻率：LDMOS仍是這些系統(tǒng)最佳候選，雖然隨著硅基氮化鎵器件可以掩蓋更廣的帶寬，可用于供應(yīng)有競(jìng)爭(zhēng)力的CWRF射頻輸出、增益、效率以及線(xiàn)性度，隨著成本的下降它們將更有吸引力。

還有很多其他應(yīng)用項(xiàng)目，比如有線(xiàn)電視安排放大器，在這些應(yīng)用中，砷化鎵和LDMOS的優(yōu)勢(shì)無(wú)可替代。簡(jiǎn)而言之，砷化鎵和LDMOS技術(shù)在這些領(lǐng)域不會(huì)消逝。

GaN贏在哪里？

下面列出GaN的幾個(gè)突出優(yōu)點(diǎn)：

1.有源相控陣(AESA)雷達(dá)和電子戰(zhàn)(EW)系統(tǒng)：這些是碳化硅襯底氮化鎵（或者是金剛石襯底）晶體管或者單片微波集成電路（MMIC）的關(guān)鍵應(yīng)用，而且多年來(lái)已經(jīng)成為這個(gè)領(lǐng)域的事實(shí)標(biāo)準(zhǔn)，由于當(dāng)前或再過(guò)幾年都沒(méi)有其他技術(shù)可以可供碳化硅襯底氮化鎵的功率密度和其他優(yōu)勢(shì)。

下圖顯示了Ka波段砷化鎵和碳化硅襯底氮化鎵MMIC射頻功率放大器（如圖2所示）的構(gòu)成。兩者都由TriQuint制造。每個(gè)放大器在30GHz供應(yīng)6W射頻功率，不過(guò)，氮化鎵所需的有源器件更少，所以MMIC只需要一個(gè)簡(jiǎn)潔的四路功率合成器。砷化鎵MMIC放大器需要更多的器件而且電路更簡(jiǎn)單，由于它必需包含32路功率合成器，它影響了MMIC的最終尺寸。砷化鎵MMIC大約是鉛筆橡皮擦頂部面積那么大小，而GaN放大器則大約是生米粒大小。

圖2：砷化鎵MMIC大約是鉛筆橡皮擦頂部面積那么大小，而GaN放大器大約是生米粒大小。

明顯籠統(tǒng)來(lái)看這兩個(gè)器件都不大，但當(dāng)考慮應(yīng)用的時(shí)候例如相控陣?yán)走_(dá)時(shí)氮化鎵的優(yōu)勢(shì)就很明顯了。AESA雷達(dá)可能有70000個(gè)部件，每一個(gè)由基于MMIC的放射/接收模塊伺服，相對(duì)于砷化鎵MMIC來(lái)說(shuō)，氮化鎵MMIC的尺寸可以更小，再結(jié)合氮化鎵的高功率輸出和更高的工作頻率，氮化鎵q器件在相控陣?yán)走_(dá)中取代砷化鎵是理所當(dāng)然的了。

2.工作在4GHz以上大功率、寬帶系統(tǒng)：除了氮化鎵沒(méi)有其他技術(shù)可以供應(yīng)這些系統(tǒng)所需要的性能。從特別小的用于衛(wèi)星通信合成孔徑終端(VSATs)到更高頻段的微波鏈路，氮化鎵將是其不二的選擇。

3.一些低噪聲放大器(lna)：盡管GaN和GaAs在噪聲性能方面不分伯仲，但是GaN可以處理已經(jīng)失真或失效的更大幅度信號(hào)。氮化鎵在這些低噪聲放大器領(lǐng)域不會(huì)很快取代砷化鎵、硅鍺(鍺硅)或任何其他技術(shù)。然而在處理高電平信號(hào)時(shí)，GaN有其獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。

4.高功率射頻開(kāi)關(guān)和其他掌握組件：GaN的高擊穿電壓和電流處理力量使其比基于砷化鎵MMIC更適合做開(kāi)關(guān)。它們也可以工作在高效寬帶領(lǐng)域，它們有相同的低插入損耗和高隔離的PIN二極管開(kāi)關(guān)，可以處理更高功率且電流消耗低，TriQuint的TGS2354碳化硅襯底氮化鎵SPDT反射開(kāi)關(guān)裸片（圖3）掩蓋了500MHz到6GHz頻段，可處理40W射頻功率，開(kāi)關(guān)速度不到50ns，虧損僅為0.8dB或更少并且隔離度大于25dB。

圖3：TriQuint的TGS2354GaN-on-SiC開(kāi)關(guān)die適合適合大功率應(yīng)用的要求。

前途一片光明

假如將GaN在RF領(lǐng)域的進(jìn)展分成幾個(gè)章節(jié)；在第一章完成初始開(kāi)發(fā)之后，現(xiàn)在我們剛剛完成了其次章。到目前為止，已經(jīng)建立了一個(gè)商業(yè)市場(chǎng)，已經(jīng)確定了設(shè)備牢靠性和制造力量，晶圓尺寸已經(jīng)達(dá)到6英寸，很多公司已經(jīng)展現(xiàn)了材料的潛力，這一切都在2000年前后實(shí)現(xiàn)，自從1980年月開(kāi)頭進(jìn)展砷化鎵MMIC以來(lái)，這是取得的最矚目的成就。

在接下來(lái)的章節(jié)中，GaN將開(kāi)頭獵取更多進(jìn)展?jié)摿?。熱管理技術(shù)，其技術(shù)進(jìn)步的主要因素是解決使用金剛石作為襯底和熱輥材料（在鋁-金剛石模型復(fù)合材料中），散熱片的進(jìn)步通過(guò)使用高導(dǎo)熱系數(shù)的材料和其他技術(shù)。這些其他方法可讓功率密度增加。而今日晶體管門(mén)功率密度實(shí)際是低于10W/mm(砷化鎵不超過(guò)1.5W/毫米)，現(xiàn)在一個(gè)特別簡(jiǎn)潔的器件就可以有高達(dá)

圖4：Cree的碳化硅HEMT可供應(yīng)比硅和砷化鎵晶體管更大的功率密度和更寬的帶寬。帶寬的系列范圍從10Mhz通過(guò)18Ghz。

氮化鎵就像之前的砷化鎵一樣，在國(guó)防系統(tǒng)中將是至關(guān)重要的，主要用于但不限于AESA雷達(dá)和電子戰(zhàn)以滿(mǎn)意下一代需求。有幾個(gè)特別大的項(xiàng)目在將來(lái)或多或少都依靠它。因此，氮化鎵MMIC在商業(yè)市場(chǎng)將激增并且國(guó)防承包商將開(kāi)頭部署它們。GaN在商業(yè)應(yīng)用將來(lái)如無(wú)線(xiàn)基礎(chǔ)設(shè)施一樣肯定是前途一片光明，但進(jìn)一步的接受程度取決于其成本是否進(jìn)一步降低。

簡(jiǎn)而言之，氮化鎵現(xiàn)在才是剛剛發(fā)力，十年內(nèi)其前途輝煌。整個(gè)進(jìn)展故事值得好好讀讀，隨著GaN所向披靡，那么砷化鎵和LDMOS終將會(huì)成為歷史。

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