GaN在射频功率领域的前景

由于其高电流和高电压性能，氮化镓在微波应用和功率切换上极具价值。与硅和砷化镓等其他半导体材料相比，氮化镓(GaN)是相对较新的技术，但是对于远距离信号传送或高端功率级别等高频率和高功率应用，氮化镓已经成为首选技术。尽管氮化镓晶体管在20世纪90年代就已经出现，但商业化应用到最近几年才逐渐开始。由于其高电流和高电压性能，氮化镓在微波应用和功率切换上极具价值。 氮化镓是非常坚硬的材料，其原子的化学键是高度离子化的氮化镓化学键，该化学键产生的能隙达到3.4电子伏特。相比之下，砷化镓的能隙为1.4电子伏特，而硅的能隙只有1.1电子伏特。因此氮化镓具有更高的击穿电压(使用GaN时大于200V)；能够承受高的输入/输出错配(通常>15：1VSWR)；具有更高的结温，平均无故障时间为一百万个小时。由于氮化镓器件的功率密度较高，因此可以提供更大的带宽、更大的放大器增益，并且由于器件尺寸的减少，还可以提高效率。Qorvo基础建设与国防产品亚太区FAE经理杨嘉认为，正是因为氮化镓的这些特性，使得氮化镓在基站大功率器件领域具有独特的优势，他预测未来的3~5年内，氮化镓将会逐步成为基站大功率领域的主流方案。MACOM射频功率及射频能量业务高级总监Mark Murphy在接受《电子工程专辑》采访时表示，“硅基LDMOS高功率晶体管在频率高于2GHz时便开始面临各种挑战，氮化镓的优势会在1GHz到60GHz的应用中将会得到充分的体现。”

图1：MACOM射频功率及射频能量业务高级总监Mark MurphyGaN器件的加工工艺比较半导体器件加工方面设计的主要技术有电极、沉积方法、介电层、外延生长、刻蚀、参杂、欧姆接触、封装和退火等。而GaN器件的加工工艺主要采用的是在高温条件下(大约1100℃)，在异质衬底上，利用金属有机化学蒸汽沉积或分子束外延生长的方法。目前，主流的衬底有两种，一种是碳化硅，另外一种是硅。“相对于硅衬底来说，碳化硅衬底具有更好的热传导特性，这使得在同样大小的封装里，基于碳化硅的GaN放大器可以输出更高的功率，从而使器件具备更好的可靠性。并且在相同输出功率的条件下，碳化硅衬底良好的热传导性可考虑进一步缩小封装尺寸，从而降低器件的整体成本。”谈到两种加工工艺的比较时，杨嘉对《电子工程专辑》这样表示，“而且碳化硅基GaN具有更低的射频损耗。”

图2：Qorvo基础建设与国防产品亚太区FAE经理杨嘉他个人更加看好基于碳化硅的制造工艺，“目前业界超过95%商用的GaN射频器件在采用此工艺。Qorvo目前采用的正是基于碳化硅衬底的工艺。”不过，对此MACOM的Mark Murphy有不同看法，他认为就目前来说，硅基GaN器件才是更好的选择，也更值得研究，“因为碳化硅基氮化镓和硅基氮化镓的射频功率性能类似。但硅基GaN可以在硅晶圆厂中切割成8英寸大小的晶圆，因此，其成本结构非常有竞争优势。”他同时表示，“在MACOM，我们将精力完全集中在硅基GaN上，因为它在制造高性能、高功率晶体管方面最具成本效益。”当然，就导热性和射频损耗方面来说，碳化硅衬底的GaN确实会占一定优势，但在成本方面硅衬底的GaN却更占优势，据MACOM方面透露，他们现在的硅基GaN成本已经跟LDMOS的成本差不多了。产业瓶颈老实说，GaN的发展一直依靠政府和相关产业的大量投资来推动的。如今，GaN器件已经逐步从小众应用转向更主流的商业应用。在Mark Murphy看来，这主要得益于GaN的可靠性和性能优势。他觉得碳化硅基GaN的成本是其在工业中广泛应用的主要瓶颈。不过MACOM的硅基GaN在基站和射频能量等各种射频应用中已经不存在实际障碍。对于成本问题，Mark Murphy是这样看的，“拿碳化硅基GaN和MACOM使用的硅基GaN进行比较的话，在技术都成熟的条件下，硅基氮化镓将受益于其硅成本结构。”但对碳化硅来说，“由于碳化硅梨晶的材料生长速度要比硅慢200到300倍，相关设备存在折旧现象，且制造厂还会吸收能耗，因此，硅基氮化镓的成本要比如今的碳化硅基氮化镓技术低100倍。正因如此，碳化硅基氮化镓的成本始终居高不下，从而阻碍其在基站和射频能量等商业应用中的主流使用。相比之下，硅基氮化镓的成本已与LDMOS持平。”他这样阐述硅基GaN的成本优势。“而且，MACOM计划在2017年转向8英寸硅晶圆产品，这将会使GaN器件成本进一步降低。”他进一步强调。目前GaN射频器件的产业化已相对成熟，主流的电信制造商正在大规模商用，但Qorvo的杨嘉也承认，目前还有两个问题亟待解决。一个是Mark Murphy已经谈到过的碳化硅基GaN的成本问题。他表示，虽然GaN器件在成本上相比传统的LDMOS器件仍然相对较高，目前Qorvo正积极研发6英寸晶圆及地成本封装技术，成本将会在短期内进一步降低。另外一个是与传统的RRU系统的配合问题。目前主流电信制造商的DPD系统大多是基于LDMOS器件开发，由于GaN的器件特性与LDMOS器件有很大的不同，需要电信设备制造商根据GaN的特性优化DPD算法，以充分发挥GaN器件的性能。应用场景及前景展望今年的GaN器件市场异常活跃，已经开始渗透一些批量需求的商业市场。以至于有业内人士认为GaN将会逐渐成为硅基MOSFET、砷化镓和LDMOS的替代品。比如说在MACOM亚太区销售副总裁熊华良看来，微波射频产品的应用面很广，“但其实每个应用的量都不大。我们需要找到一个需求量比较大的应用市场。例如新能源市场。”据熊华良透露，MACOM已经在同国内的一些家电企业合作，推出一些基于硅基GaN的微波炉产品。他觉得射频能量应用是一个需求量比较大的市场，熊华良举例说，“拿微波炉市场来说，其年销售量已经超过7000万台，每台微波炉所需的传输功率范围为0.6~1.5kW，总功率需求则为42GW到105GW。按照目前主流的半导体价格结构，其市场机会为100至250亿美元。这是一个非常庞大的市场。”而由于MACOM的硅基GaN的成本和性能优势，熊华良认为硅基GaN器件有望替代掉LDMOS产品。“当然，这也需要看市场的反应。”他坦诚。Mark Murphy也觉得硅基GaN除了在4.5G和5G、微波回程等方面的应用机会外，射频等离子照明和固态烹饪等射频能源应用带来了新机遇。他同时也期待全新射频产品和技术能在令人振奋的新兴市场中迅速推出。在杨嘉看来，目前驱动GaN市场增长的动力来自两个方面。一是极快增长的数据吞吐量推动了运营商对目前3G/4G系统的升级，目前采用的主流技术是多载波聚合，这就对系统的带宽及效率提出了更高的要求，而这正是GaN器件的优势。二是Pre-5G及5G系统的研发。目前Pre-5G的系统研发主要集中在在>2.3GHz频段，未来5G系统的频段更是高达毫米波段，随着频率的提高，GaN器件在这些频段优势越发明显。他相信，随着未来通信系统对频率，带宽，尺寸及效率方面的要求越来越高，“我认为GaN器件将在不久的将来取代LDMOS, 成为大功率射频放大器的主流器件。”本文来自电子工程专辑，感谢原作者的付出，如转载不当，请及时联系我们。