用于下一代射頻應(yīng)用的氮化鎵 (GaN) 概述

近二十年來(lái)，氮化鎵 (GaN) 半導(dǎo)體技術(shù)已被曝光，預(yù)示著射頻功率能力的范式轉(zhuǎn)變。盡管所有這些承諾尚未兌現(xiàn)，但 GaN 器件已穩(wěn)步進(jìn)入許多射頻、微波、毫米波 (mmWave)，甚至現(xiàn)在甚至是太赫茲波 (THz) 應(yīng)用。

正在進(jìn)行的開(kāi)發(fā)工作使 GaN 有源器件能夠覆蓋廣泛的用例，包括極端溫度、功率和頻率范圍。這些應(yīng)用包括 6 GHz 以下和毫米波 5G 基礎(chǔ)設(shè)施設(shè)備。進(jìn)一步的發(fā)展旨在降低 GaN 器件的成本，并增強(qiáng) GaN 與包括 CMOS 在內(nèi)的其他常見(jiàn)工藝的集成能力。

GaN今天的位置

當(dāng)今最常見(jiàn)的 GaN 器件是構(gòu)建為放大器電路的 GaN 高電子遷移率晶體管 (HEMT)。這些 GaN HEMT 中的大多數(shù)用于功率放大應(yīng)用。然而，GaN HEMT 和其他晶體管變體也可用于低噪聲和寬帶放大器。GaN 開(kāi)關(guān)和二極管也變得越來(lái)越普遍，通常取代砷化鎵 (GaAs)、硅 (Si)、硅鍺 (SiGe) 或磷化銦 (InP) 器件?；?GaN 的 HEMT 可以在涉及高頻操作和低通態(tài)電阻的電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中提供效率和功率密度方面的主要收益。

對(duì)于高功率或高耐久性應(yīng)用，GaN 比 GaAs 或 InP 更受青睞的原因是 GaN 器件具有比其他半導(dǎo)體高得多的擊穿電壓(臨界場(chǎng))和帶隙。除了高飽和速度和良好的電子遷移率外，GaN 器件還可以提供高效放大和良好的功率附加效率 (PAE)，這對(duì)于 5G 和 Wi-Fi 等通信應(yīng)用至關(guān)重要。

常見(jiàn)的 GaN變體

硅上氮化鎵 (GaN-on-Si)

碳化硅上氮化鎵 (GaN-on-SiC)

GaN-on-GaN

金剛石基氮化鎵

常見(jiàn)的 GaN器件

功率放大器 (PA)

堅(jiān)固的低噪聲放大器 (LNA)

寬帶放大器

開(kāi)關(guān)

二極管

此外，GaN 器件，尤其是 GaN-on-insulator 器件，例如 GaN-on-SiC，通常比其他半導(dǎo)體更堅(jiān)固耐用，并且在某些情況下具有更好的導(dǎo)熱性。這些因素說(shuō)明了為什么 GaN 放大器通常比其他半導(dǎo)體具有更高的功率密度和耐用性，這使得 GaN 器件在軍事、航空航天和工業(yè)應(yīng)用中更具吸引力。在某些情況下，例如 5G 和未來(lái)的 6G 毫米波通信，GaN 發(fā)射器可以表現(xiàn)出比 GaAs 發(fā)射器更高的功率和效率，這可能允許更少的陣列元件和更緊湊且成本更低的有源天線系統(tǒng) (AAS)。

氮化鎵在射頻領(lǐng)域的未來(lái)

當(dāng)前大多數(shù) GaN 晶體管基于橫向異質(zhì)結(jié)技術(shù)，主要是 Si 或 SiC 襯底上的鋁-GaN 和 GaN HEMT。使用橫向晶體管技術(shù)，最終會(huì)限制器件在給定的半導(dǎo)體材料占位面積內(nèi)所能達(dá)到的電壓/功率限制。然而，垂直構(gòu)建晶體管是可能的。使用垂直晶體管技術(shù)可能會(huì)增加 GaN 器件的整體功率密度，并且對(duì)于給定的功率/電壓能力需要更少的芯片面積。這不僅會(huì)導(dǎo)致 GaN 晶體管更緊湊，而且由于每個(gè)器件所需的晶圓面積減少，因此成本可能低于同等性能的橫向器件。

為了實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)，垂直 GaN 工藝很可能是一種 GaN-on-GaN 技術(shù)，它受到 GaN 晶圓成本和尺寸限制。隨著高壓技術(shù)的發(fā)展，其他可能性還包括增強(qiáng)型 GaN 器件，例如 FinFET 和可能的溝槽 MOSFET。

在這成為可能之前，仍有許多工藝障礙需要克服，但在接下來(lái)的幾年中，擁有與 CMOS 兼容的 GaN 工藝可能是可行的。這將使高頻和高功率 GaN 器件與高密度存儲(chǔ)和數(shù)字邏輯電路的集成成為可能。因此，可以構(gòu)建整個(gè)大功率和高頻通信片上系統(tǒng)(SoC);這些器件將集成射頻收發(fā)器、現(xiàn)場(chǎng)可編程門(mén)陣列 (FPGA)、處理器和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)。