GaN 將射頻應(yīng)用推向新的階段

氮化鎵 (GaN) 是一種寬帶隙半導(dǎo)體，可滿足高功率和射頻應(yīng)用日益增長(zhǎng)的需求。GaN 的帶隙是傳統(tǒng)硅的三倍以上，它允許功率器件在比硅更高的溫度和電壓下工作，而不會(huì)破壞或降低其性能和可靠性。此外，其極低的導(dǎo)通電阻使 GaN 能夠提供非常高的電流和射頻功率密度，在雷達(dá)、功率轉(zhuǎn)換器和功率放大器等高功率射頻系統(tǒng)中得到應(yīng)用。

除了可以被視為利基領(lǐng)域的航空航天和國(guó)防之外，GaN在電信市場(chǎng)中也占有重要地位，其中高功率密度、開關(guān)頻率和效率(結(jié)合小尺寸)是強(qiáng)制性要求。

恩智浦對(duì) GaN 的關(guān)注

恩智浦在氮化鎵方面的經(jīng)驗(yàn)始于大約 20 年前，最初與大學(xué)合作，然后變成實(shí)驗(yàn)室，隨著時(shí)間的推移使技術(shù)、工藝能力和 IP 趨于成熟。在過去的幾年里，恩智浦深度優(yōu)化了其 GaN 技術(shù)，以改善半導(dǎo)體中的電子俘獲，提供滿足新興通信市場(chǎng)需求所需的高效率和增益，這是 5G 技術(shù)所需的。

“我們的重點(diǎn)是圍繞一系列應(yīng)用領(lǐng)域的射頻放大，例如通信基礎(chǔ)設(shè)施和一些移動(dòng)應(yīng)用。NXP Semiconductors 執(zhí)行副總裁兼無線電功率事業(yè)部總經(jīng)理 Paul Hart 說：“我們將研發(fā)重點(diǎn)放在 GaN 上，因?yàn)樗哂懈叩墓β屎托?，我們?cè)?SiC 襯底上構(gòu)建 GaN 是出于熱和功率密度的原因。”

Hart 表示，隨著通信市場(chǎng)轉(zhuǎn)向 5G，顯然是時(shí)候投資于 GaN 的制造方面了。恩智浦于 2017 年開始投資，于 2020 年 9 月宣布其位于亞利桑那州錢德勒的 150 毫米(6 英寸)射頻 GaN 工廠盛大開業(yè)，這是美國(guó)最先進(jìn)的專用于 5G 射頻功率放大器的工廠。新的內(nèi)部工廠將恩智浦的射頻功率專業(yè)知識(shí)與大量制造知識(shí)相結(jié)合，從而簡(jiǎn)化了創(chuàng)新，支持在工業(yè)、航空航天和國(guó)防應(yīng)用中擴(kuò)展 5G 基站和先進(jìn)的通信基礎(chǔ)設(shè)施。

GaN 和效率

氮化鎵的關(guān)鍵應(yīng)用之一是在基站中，其中基于 GaN 的器件提供射頻信號(hào)和天線之間的最后一級(jí)功率放大。由于其效率、高功率密度和更小的占位面積，GaN 器件允許更多放大器留在同一塔上，從而提高數(shù)據(jù)吞吐量并減少擁塞。

“首先，在恩智浦，GaN 大約是 5G。它是關(guān)于使下一波需要更高功率和更高頻率帶寬的通信系統(tǒng)獲得成功。由于其特性，GaN 是使這些系統(tǒng)成功的正確技術(shù)，”Hart 說。

NXP 基于 GaN 的產(chǎn)品專注于 2.6 GHz、3.5 GHz 和更高階的天線系統(tǒng)、大規(guī)模 MIMO 等。通過減少系統(tǒng)中的寄生效應(yīng)，并在更高頻率和更高電壓下運(yùn)行，GaN 提供了一種非常高效的解決方案，在無線電系統(tǒng)中尺寸更小，重量更輕。

碳化硅上的氮化鎵

NXP 的 GaN 器件建立在碳化硅襯底上，該襯底具有非常高的熱性能，幾乎像金剛石一樣堅(jiān)硬。

“我們選擇碳化硅作為基板是因?yàn)樗哂谐錾臒峁芾砟芰?。借?5G，您可以獲得更大的功率、密度和效率。安裝在蜂窩基站桿上的射頻放大器會(huì)產(chǎn)生大量熱量，而 SiC 上的 GaN 確實(shí)帶來了我們所需的所有效率和熱管理，”恩智浦半導(dǎo)體射頻器件工程組總監(jiān) Christopher Dragon 說。

正如 Hart 所說，當(dāng)今 5G 市場(chǎng)的主要區(qū)別在于出色的熱管理、最小的外形尺寸和最高的效率。如圖 2 所示，GaN 將幫助射頻集成實(shí)現(xiàn)無線電尺寸、重量和成本方面的突破。先進(jìn)的熱管理，結(jié)合功率放大器控制和射頻系統(tǒng)優(yōu)化，將實(shí)現(xiàn)以下結(jié)果：

· 對(duì)講機(jī)尺寸和重量減小，同比減少 20%

· 降低現(xiàn)場(chǎng)安裝成本：安裝過程更簡(jiǎn)單，塔上的可用空間得到優(yōu)化

· 由于較低的場(chǎng)地租賃成本和能源成本，降低了運(yùn)營(yíng)費(fèi)用 (OPEX)

至少在射頻應(yīng)用中，GaN 的一個(gè)潛在問題是眾所周知的長(zhǎng)期記憶效應(yīng)，這是由于 GaN 高電子遷移率晶體管 (HEMT) 中的電子俘獲。由于這種效應(yīng)很難補(bǔ)償，恩智浦優(yōu)化了其 GaN 技術(shù)以改善半導(dǎo)體中的電子俘獲，從而確保高線性度和低記憶效應(yīng)。

氮化鎵封裝

關(guān)于功率器件的封裝，關(guān)鍵因素在于在熱管理和成本之間找到適當(dāng)?shù)钠胶?。目前，在通信領(lǐng)域，非常傳統(tǒng)的封裝用于大功率設(shè)備。然而，恩智浦正朝著異構(gòu)集成的方向發(fā)展，將不同的半導(dǎo)體材料和不同的技術(shù)放在同一個(gè)封裝中。這將使設(shè)計(jì)工程師能夠?qū)崿F(xiàn)功能豐富的環(huán)境，同時(shí)兼顧氮化鎵對(duì)高效率和高功率密度的需求。

“我認(rèn)為，隨著頻率的不斷增加，我們將看到更多關(guān)于異構(gòu)集成的探索，以及它如何與未來的封裝本身融合”，Hart 說。

NXP GaN 器件具有耗盡型工作模式，它本質(zhì)上是封裝中的大功率晶體管，在輸入和輸出上具有匹配的組件。正如 Dragon 所說，“該設(shè)備針對(duì)任何所需的功率水平量身定制，平衡了成本、封裝和散熱，并為客戶保持了所有功率密度和封裝內(nèi)外的良好匹配”。

恩智浦在GaN中成長(zhǎng)

恩智浦在 5G 通信領(lǐng)域取得了長(zhǎng)足的發(fā)展。憑借其技術(shù)創(chuàng)新、領(lǐng)先地位、系統(tǒng)專業(yè)知識(shí)和大規(guī)模制造能力，該公司的 GaN 驅(qū)動(dòng)業(yè)務(wù)在未來幾年將以 15% 的復(fù)合年增長(zhǎng)率增長(zhǎng)，這一速度快于整個(gè) 5G 市場(chǎng)。

“隨著頻率的提高，氮化鎵和硅 LDMOS 之間的性能差異會(huì)越來越大。LDMOS 將繼續(xù)成為 2G、3G 和 4G 等傳統(tǒng)頻率范圍內(nèi)更常見的技術(shù)。然而，由于今天的大部分部署頻率較高，它將主要基于 GaN，而我們?cè)谠擃I(lǐng)域的產(chǎn)品提供了理想的解決方案，”Hart 說。