氮化鎵將廣泛用於下一代射頻應用

作者 : JJ DeLisle,Planet Analog專欄作者

近二十年來,氮化鎵(GaN)半導體技術已被大眾所熟知,它的採用意味著射頻(RF)功率能力的模式轉變。目前GaN元件已穩步進入射頻、微波、毫米波領域的許多應用…

近二十年來,氮化鎵(GaN)半導體技術已被大眾所熟知,它的採用意味著射頻(RF)功率能力的模式轉變。儘管尚未完全兌現其所有承諾,但GaN元件已穩步進入射頻、微波、毫米波(mmWave)領域的許多應用,甚至是太赫茲(THz)波段的應用領域。

正在進行的開發工作使GaN主動元件能夠覆蓋更廣泛的應用,比如極端溫度、功率和頻率條件下的許多應用。這些應用包括了6GHz以下和毫米波5G基礎設施設備。進一步的發展旨在降低GaN元件的成本,並增強GaN與包括CMOS在內的其他常見製程的整合能力。

GaN目前所處的位置

目前最常見的GaN元件是用於建構放大器電路的GaN高電子遷移率電晶體(HEMT)。其中大多數GaN HEMT用於功率放大應用,然而,GaN HEMT和其他電晶體變體也可用於低雜訊和寬頻放大器。如今,GaN開關和二極體也變得越來越普遍,通常可用於取代砷化鎵(GaAs)、矽(Si)、矽鍺(SiGe)或磷化銦(InP)元件。

 

圖1:基於GaN的HEMT可以在涉及高頻操作和低導通電阻的電路拓撲結構中實現效率和功率密度方面的顯著提升。

(來源:意法半導體)

 

對於高功率或高耐久性應用來說,GaN比GaAs或InP更受青睞的原因是GaN元件具有比其他半導體元件高得多的擊穿電壓(臨界場)和寬得多的能隙。除了高飽和速度和良好的電子遷移率外,GaN元件還能提供高效率放大,以及實現優異的功率附加效率(PAE),這對於5G和Wi-Fi等通訊應用而言非常關鍵。

常見的GaN衍生元件

目前常見的GaN衍生元件包括:

  • 矽基氮化鎵(GaN-on-Si)
  • 碳化矽基氮化鎵(GaN-on-SiC)
  • 氮化鎵基氮化鎵(GaN-on-GaN)
  • 鑽石基氮化鎵(GaN-on-diamond)

常見的GaN元件

常見的GaN元件如下所示:

  • 功率放大器(PA)
  • 耐用型低雜訊放大器(LNA)
  • 寬頻放大器
  • 開關
  • 二極體

此外,GaN元件,尤其是絕緣型GaN元件,例如GaN-on-SiC,通常比其他半導體更堅固耐用,並且在某些情況下具有更好的導熱性。這些因素說明,GaN放大器具有比其他半導體更高的功率密度和耐用性,從而使GaN元件在軍事、航空航太和工業應用中更具吸引力。在某些情況下,例如5G和未來的6G毫米波通訊中,GaN發射器將展現出比GaAs發射器更高的功率和效率,從而支援實現具有更少陣列單元、更緊湊、且成本更低的主動天線系統(AAS)。

 

圖2:GaN HEMT元件的結構及其輸出功率與傳統技術的比較。

(來源:富士通)

 

GaN在射頻領域的未來

當前大多數GaN電晶體基於橫向異質結技術,主要是矽或SiC基底上的鋁GaN和GaN HEMT。採用橫向電晶體技術,最終會受到給定半導體材料面積內元件所能達到的電壓/功率上限的限制。不過垂直建構電晶體也是可能的,使用垂直電晶體技術,可以增加GaN元件的整體功率密度,並且對於給定的功率/電壓性能,需要的晶片面積更小。這不僅會使GaN電晶體變得更加緊湊,而且由於每個元件所需的晶圓面積減少,成本可能低於同等性能的橫向元件。

為了實現這一點,垂直GaN製程很可能是一種暫且受到GaN晶圓成本和尺寸限制的GaN-on-GaN技術。隨著高壓技術的發展,其他可能性還包括增強型GaN元件,例如FinFET和可能的通道型MOSFET。

在上述產品真正實現之前,仍有許多製程挑戰需要克服。但在接下來的幾年中,與CMOS相容的GaN製程可能大行其道,從而使得高頻和高功率GaN元件與高密度儲存和數位邏輯電路的整合成為可能。也因此能夠推動建構完整的大功率和高頻通訊系統單晶片(SoC),這些元件將整合射頻收發器、FPGA、處理器和資料記憶體。

(參考原文:A gallium nitride (GaN) recap for next-gen RF applications,by JJ DeLisle)

本文同步刊登於《電子工程專輯》雜誌2022年9月號

 

 

 

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